金属环连接垫的压缩—回弹性能、密封性能对其材质硬度响应的试验研究情况；介绍了密封液体时，泄漏率在1～3×10ˉ5cm3/cm.s情况下，对试验结果进行回归分析得出的初始密封比压与垫圈硬度的定量关系；根据DIN2505的定义，将实测密封系数与DIN2505中推荐的密封系数值进行了比较。
关键词：金属环密封垫 压缩回弹 硬度 密封
Influence of Material Hardness on Sealing
Characteristics of the Metal Ring Gasket
Wang Iiye Hou Ming
(Institute of Chemical Engineering, Dalian University of Technology )
Abstract：In the article,we have discused the effect of material hardness on the properties of compress-spring-back and sealing of metal ring gasket in experimental study,and made a regressive analysis and gained the mathematics correlation between initial sealing stress and hardness of gasket at the leakage of 1～3×10ˉ5cm3/cm.s when the liquid is sealed.According to the definition of DIN2505,the experimental sealing factor is consistent with the one recommended by DIN2505.
Keyword:Metal Ring Gaslet Compress-spring-back Hardness Seal
金属环连接垫作为钢制压力容器法兰和管道法兰的密封垫，已经越来越多地应用在高温高压环境的化工及石油化工装置中。但是，在装置安装或检修工作中，为了避免泄漏，常常是不管环连接垫的材质硬度如何，一概加大螺栓力，至使环垫被压溃，法兰密封面被破坏。大量的试验证明，环连接垫和法兰梯形槽在保证尺寸公差条件下，环垫的硬度及回弹性能是影响其密封性能的最主要的因素。本文以试验研究的方法，以水为密封介质，分析了环连接垫的硬度对回弹率的影响，泄漏率在1～3×10ˉ5cm3/cm.s情况下，环垫硬度与其初始密封比压的关系，以及实测环垫密封系数值与DIN2505标准的推荐值的比较。
1 实验装置和测试条件简介
该实验装置由轴向加载系统、介质加压系统、环垫变形测量系统和测漏系统组成。其中轴向加载系统由YE-200液压式压力试验机、载荷传感器组成。介质加压系统由高压泵、稳压罐、两块标准压力表组成。环垫变形测量系统由π形规、X-Y函数记录仪器和静态应变仪组成。测漏系统为自制的经标定的微量检测仪。见图1。
1、稳压罐 2、高压泵 3、下承压筒 4、下模拟法兰 5、π形引伸仪 6、应变仪(x-Y函数记录仪) 7、标准压力表 8、载荷传感器 9、上承压筒 10、微量检测仪
图1 垫片测试系统
试验用环垫一试件参数如表1所示。
表1
| 试件号 |
1号 |
2号 |
3号 |
4号 |
5号 |
6号 |
7号 |
| 材质 |
1Cr18Ni9Ti |
1Cr18Ni9Ti |
0Cr13 |
10 |
Q235-A |
Cr5Mo |
0Cr13 |
| 形式 |
椭圆形 |
八角形 |
椭圆形 |
八角形 |
八角形 |
八角形 |
八角形 |
| σ(MPa) |
501 |
501 |
540 |
340 |
410 |
502 |
540 |
| Rz(μm) |
4.1 |
4.1 |
4.1 |
4.4 |
4.0 |
4.1 |
3.9 |
| 中径Dm |
117.5 |
117.5 |
117.5 |
117.5 |
117.4 |
117.3 |
117.5 |
| 环高H |
17.4 |
15.7 |
17.5 |
15.8 |
15.8 |
16.0 |
15.9 |
| 环宽A |
11.1 |
11.2 |
11.1 |
11.0 |
11.1 |
11.2 |
11.1 |
| 平面宽C |
|
7.70 |
|
7.71 |
7.70 |
7.72 |
7.71 |
| 硬度HB* |
153 |
153 |
163 |
134 |
136 |
147 |
163 |
|
*此硬度值为沿圆周对称的四点硬度的平均值
试验用环垫置于两块刚性模拟法兰之间，以避免法兰受载后发生偏转对密封效果的影响。π形规置于两法兰间的“刀口”上。见图2。模拟法兰的硬度为HB268。梯形槽密封面不平度平均高度Rz=7.0μm。尺寸精度如图3所示。环垫试件的尺寸和精度符合ISO/DIS7483的要求，环号为R30。密封介质采用常温的水。
1、π形引伸仪；2、引伸仪刀口；3、上模拟法兰；4、试验垫圈；5、胶圈；6、下模拟法兰。
图2 试件装配图
图3 试件尺寸
2 金属环连接垫的压缩—回弹性能与其硬度的关系
试验压力机的载荷由载荷传感器测定；两法兰之间的位移由沿刚性法兰圆周均匀排成120°的三组π形规测定，并连同载荷信号一同由X-Y函数记录仪描绘出加载和卸载时的变化。加载量为40t。各试件的压缩—回弹曲线如图4。将回弹量与压缩量的比作为回弹率。结果如表3。将环垫的硬度与回弹率的关系描绘在直角坐标内，并且进行线性回规，即如图5所示，得出回归方程为：
回弹率(%) A=1.13(HB)-106，相关系数为0.9。
图4 压缩-回弹曲线
表3
|
| 试件号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
| 硬度(HB) |
153 |
153 |
163 |
134 |
136 |
147 |
163 |
| 回弹率(%) |
68.2 |
62 |
81 |
41 |
50 |
67 |
75 |
|
3 环连接垫密封特性值的测试及分析
对上述环号为R30的不同硬度值的七个试件进行密封试验研究。经试验得知，在试件的加工精度符合ISO/DIS7483的规定条件下，环连接垫密封部位的粗糙度对其密封性能影响极小。所以可以认为试件的密封性能主要受垫圈的硬度和回弹率的影响。环垫的密封特性值，即初始密封系数和工作密封系数，是相对于一定的泄漏率而言的。国家标准《钢制压力容器》(GB150)，以及DIN2505中，对垫圈密封特性值的推荐值均末提及泄漏率要求。这对于使用者难免产生一定的错觉，也就难免发生文章开头提到的现象。本文仅就泄漏率在1～3×10-5cm3/cm.s条件下，密封介质为常温水，对环连接垫的密封特性值进行定量试验研究。
本试验由加载过程模拟法兰密封副的预紧过程，测定初始密封比压；由卸载过程模拟法兰密封副的充压工作状态，测取环垫残余工作密封比压与介质压力的关系。
测试方法大致如下：
加载过程：环垫的初始化比压由低向高逐级增加，每在一个比压水平时，测取泄漏率随介质压力逐级升高时的数据。的介质压力水平应该使泄漏率达到10ˉ6cm3/cm.s。如此可测得泄漏率为1～3×10-5cm3/cm.s条件下，各初始比压水平与密封介质压力的关系。
卸载过程：紧接加载过程进行。即对密封一定介质压力的环垫比压值逐级降低，每降低一个水平，将介质压力相应逐级降低，控制泄漏率在有效范围内。记录比压值与相应介质压力的关系。测试结果如图6所示。
图6 垫圈密封特性曲线 |
|
方便起见，环连接垫的预紧比压定义为：
σ0=W/μDm (kgf/cm)
(1)
式中W—轴向载荷(螺栓力)
Dm—环连接垫的中径。
环连接垫的工作密封比压定义作：
σB=(W-0.785D2mP)/πDm (kgf/cm)
(2)
式中P—密封介质压力，（kgf/cm）
由图，预紧比压与密封介质压力之间呈线性关系的开始时的值，定义为初始密封比压，标记为σ*0。试验结果如表4。
表4
|
| 试件 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
| 硬度(HB) |
153 |
153 |
163 |
134 |
136 |
147 |
163 |
| σ*0 |
720 |
750 |
800 |
430 |
580 |
650 |
840 |
将这些硬度不同的环连接垫的初始密封比压与其硬度值的关系用指数函数表示作σ*0=A (HB)B
由回归分析得 A=6.33 *10-4，B=2.77 即
σ0=6.33 *10-4 (HB)2.77(kgf/cm)
相关系数r=0.93
根据DIN2505，垫圈初始密封系数KO定义为：
KO=σ0*/σb。
式中 σb——垫圈材料的强度极限。
测试及计算结果如表5。
表5
|
| 试件 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
| σb(kgf/cm2) |
5010 |
5010 |
5400 |
3400 |
4400 |
5020 |
5400 |
| σc*(kgf/cm) |
720 |
750 |
800 |
430 |
580 |
650 |
840 |
| KO(cm) |
0.14 |
0.15 |
0.15 |
0.13 |
0.14 |
0.13 |
0.15 |
平均值为KO=0.14，标准偏差为0.008，即是说，在预紧法兰时，环垫的比压(沿中径圆周单位长度上的压力)达到环垫材质强度极限值的0.14倍，就可以实现该法兰密封副的初始密封条件，并满足泄漏率在一般工业要求的范围内。
DIN2505推荐密封液体介质时，取KO=0.16，该推荐值没有规定泄漏率的范围。
DIN2505把环连接垫工作密封系数定义为K1=σb/P，σb由公式(2)求得。根据这个定义，本试验测得环垫工作密封系数K1如下表。
表6
|
| 试件 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
| K1 |
0.49 |
0.47 |
0.54 |
0.42 |
0.47 |
0.48 |
0.56 |
平均值K1=0.49，标准偏差为4.3%。即环垫的工作密封比压(沿环垫中径圆周单位长度的轴向压力)为介质压力的0.49倍，并且泄漏率在一般工业要求的范围内。
DIN2505推荐金属环连接垫密封液体时的K1值为0.6，没有泄漏率的要求范围。
4 结论
在本试验条件下，只要金属环连接垫的加工精度符合ISO/DIS7483的要求，可以得出如下结论：
1、金属环连接垫的压缩—回弹性能与该垫材质的硬度之间基本呈线性关系；
回弹率=1.13 * (HB)-106，相关系数r=0.9。
式中HB为布氏硬度值。
2、泄漏率在1～3×10-5cm3/cm.s范围内时，金属环连接垫的初始密封比压(沿环垫中径圆周单位长度的轴向压力)受其材质硬度的影响，其关系近似如下：
σ*0=6.33 ×10－4 (HB)2.77
环连接垫实现初始密封时的初始密封比压为该环垫材质强度极限值(σ0)的0.14倍。即环垫初始密封系数K 0=0.14。低于DIN2505中推荐的密封液体时取
K0=0.16。
3、在泄漏率为1～3 × 10-5cm3/cm.s范围内，金属环连接垫的工作密封系数K1=0.49。低于DIN2505中密封液体时的推荐值K1=0.6。 |