膨胀石墨复合垫片的结构及密封性能研究

【摘要】：膨胀石墨是由天然石墨经过物理或化学方法膨胀而成的,特殊的多孔结构,使其具有很多优良的特性,广泛应用于环保、医疗保健、石油、化工及军工业等部门,发挥着很重要的作用。尤其是作为一种新型的密封材料,越来越多地代替了传统的金属密封材料及有毒害的石棉材料应用于许多设备的动、静密封系统,研究这种材料制成的密封构件的结构和性能引起科研者很高的兴趣,现已取得了很多可观的成绩。 本文简要介绍了膨胀石墨材料的结构特点、基本特性、制取方法以及复合材料的研究特点,分析了法兰连接系统的密封机理、失效分析、变形协调方程和新的设计方法,重点介绍了膨胀石墨复合垫片的ANSYS数值模拟分析方法和结论以及对垫片进行了结构优化。首先以高忠白等人的实验研究为前提,对常温下膨胀石墨缠绕垫片的泄漏率进行了模拟分析,引用了一种专门用于垫片分析计算的网格划分方法及采用了预紧单元模拟螺栓的预紧作用,介绍了几种单元类型以及网格划分方法。研究表明,垫片的泄漏率随着介质内压的升高而增大,随着螺栓预拉伸力的增加而减小,缠绕带的宽度对其泄漏率的影响并不显著,这些研究结果与实验结果相符,验证了模拟方法的可靠性,进而对这种垫片在不同温度下的泄漏率进行了模拟,结果表明,介质温度对垫片结构的泄漏率具有很大的影响,随着温度的升高,垫片的泄漏率明显增大；其次,本文对目前最受关注的膨胀石墨金属波形复合垫进行了数值分析。选用二维建模方法建立垫片的几何模型,研究金属骨架的齿距、齿数以及膨胀石墨覆盖层的厚度对垫片压缩回弹性能的影响,将各种几何尺寸下对应的垫片应力和变形量放入origin软件中进行处理,得到了相应的压力闭合曲线。之后将这些模拟所得的压力闭合量数值带入螺栓法兰连接结构的垫片材料特性中,按照之前应用的数值模拟方法进行模拟,模拟结果表明,化工行业标准HG/T20623-2009所设定的标准柔性石墨金属齿形复合垫片并不是最好的,当其它条件不变时,金属骨架的齿距为1.2mm,齿数为10,覆盖层厚度为0.5mm或者金属骨架的齿距为1.Omm,齿数为12,覆盖层的厚度为0.4mm时,所设计出来的复合垫片的密封性能要比标准垫片的密封性能好,而且模拟所得的所有垫片的泄漏率均维持在104～10-3cm3/s范围内,符合紧密性设计方法所依据的泄漏率要求,实现了结构的优化设计,并为之后研究垫片的性能提供了一种正确的数值模拟方法,同时也提供了一些可供参考的数据。总之本文的研究对之后研究的进一步发展具有最要的作用。