?！÷?，鄭小濤，文　翔，喻九陽，高九陽武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205

?

疲勞載荷下高溫波齒復合墊的蠕變波動行為

桑聰，鄭小濤*，文翔，喻九陽，高九陽
武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205

摘要：研究了疲勞載荷下柔性石墨金屬波齒復合墊的力學性能和蠕變性能.對墊片進行了373 K和573 K兩種溫度下的循環(huán)加載實驗，基于得到的應力-變形量實測數(shù)據(jù)，通過計算壓縮模量和卸載模量分析了其壓縮回彈特性；考慮溫度和金屬骨架厚度的變化，探索了蠕變-疲勞的交互作用對墊片的影響.研究表明：疲勞載荷下隨著時間增長墊片壓縮速率增加，回彈速率減??；在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，蠕變-疲勞載荷的交互作用使墊片的蠕變曲線出現(xiàn)周期性波動，波動周期不隨實驗條件改變而改變.

關鍵詞：疲勞載荷；柔性石墨金屬波齒復合墊；壓縮回彈曲線；蠕變

1　引　言

柔性石墨金屬波齒復合墊（下稱波齒復合墊）以其優(yōu)秀的回彈性能和密封性能在承壓設備和管道密封中的應用得到飛速發(fā)展［1］.石墨層的化學穩(wěn)定性、回彈性能、耐高溫性與金屬骨架波齒的多道線密封的結(jié)合形成的密封性能令人稱道，但到目前為止，還沒有建立波齒復合墊的統(tǒng)一標準；隨著高溫墊片的發(fā)展，對高溫下墊片性能的研究得到越來越多的重視，而與波齒復合墊相關的研究尤其是高溫下的實驗研究還需加強.由于高溫下墊片的力學性能，蠕變性能等因素與常溫相比有顯著差異，因此對不同溫度、不同尺寸的柔性石墨金屬波齒墊片，在疲勞載荷下的力學性能和蠕變性能進行了實驗研究.

2　實驗部分

2.1實驗儀器及其性能參數(shù)

實驗采用長春機械研究院生產(chǎn)的RPL50蠕變疲勞試驗機進行實驗，該試驗機主要性能參數(shù)如表1所示.實驗裝置如圖1所示.

表1　試驗機主要性能參數(shù)Tab. 1 Main performance parameters of testing machine

圖1　實驗裝置Fig. 1 Experimental apparatus

2.2柔性石墨金屬波齒復合墊

按標準GB/T19066?2008［2］，實驗采用公稱直徑為DN10的基本型柔性石墨金屬波齒復合墊，墊片金屬骨架材質(zhì)為304不銹鋼.具體參數(shù)如表2所示，結(jié)構和外觀如圖2所示.

表2　波齒復合墊尺寸Tab. 2　Dimensions of flexible graphite corrugated metal gaskets　mm

2.3實驗方案

實驗加卸載方案［3］如表3所示.

最小墊片應力的選?。簩嶒灢捎脛討B(tài)循環(huán)加卸載方式進行，因高溫及高應力的作用，墊片力卸載至很?。ń咏? MPa）時墊片的石墨層會粘附在實驗夾具的上下表面，故不宜將應力卸載至0 MPa，同時，為保證最大加卸載應力比，根據(jù)多次測試結(jié)果，選擇卸載至0.7 MPa較為合適.

圖2　基本型波齒復合墊（a）結(jié)構圖；（b）實物圖Fig. 2　Fundamental form of flexible graphite corrugated metal gaskets

表3　加卸載實驗方案Tab. 3　Scheme of loading and unloading experiment

3　結(jié)果與討論

3.1壓縮模量ELD和卸載模量EUL

操作工況下的墊片應力是否滿足使用需要直接影響墊片密封結(jié)構的泄漏率［4］，而墊片應力由墊片的壓縮-回彈特性決定：由壓縮?回彈曲線（見圖3）可以確定墊片的壓縮階段的彈性模量ELD和卸載階段的彈性模量EUL［5-6］，由ELD和EUL則可以確定墊片應力.

式（1）～（2）中：σmax為最大墊片壓縮應力，MPa；δmax為σmax對應的墊片壓縮量，mm；σUL為墊片卸載應力，σUL＝0.125σmax，MPa；δUL為σUL對應的墊片壓縮量，mm；T0為墊片總厚度，mm.

圖3　波齒復合墊的單次加卸載壓縮回彈曲線Fig. 3　Single loading and unloading curve of flexible graphite corrugated metal gaskets

圖3中曲線部分表示第一次加卸載過程波齒復合墊的壓縮回彈曲線，分別將加載階段曲線和卸載階段曲線簡化為直線，可以從直線方程中直接提取壓縮模量ELD和卸載模量EUL.顯然，EUL越小，墊片的回彈特性越好.

3.2多次循環(huán)加卸載實驗

對于嚴苛環(huán)境中承受載荷的螺栓法蘭系統(tǒng)，在評估系統(tǒng)安全時，必須考慮蠕變-疲勞交互作用對材料造成的影響［7］，系統(tǒng)中墊片是重點評估對象.實驗采用動態(tài)循環(huán)加卸載對波齒復合墊進行研究.

圖4中小窗口部分為加卸載曲線的放大圖，數(shù)字部分（1～1 000）為相應曲線的相應循環(huán)次數(shù)N.從圖4中可以看出：1）加卸載循環(huán)數(shù)N≥20，加卸載曲線趨于閉合，表示卸載后的殘余變形量的累積很小；2）隨著加卸載循環(huán)數(shù)N的增加，加載階段曲線的斜率減小，卸載階段曲線斜率增加（提取的ELD和EUL數(shù)據(jù)見圖5），這是由于隨著加卸載循環(huán)數(shù)N的增加，蠕變導致墊片材料的塑形變形引起的.

由圖5可以直觀地看出：1）隨著循環(huán)數(shù)（時間）的增加，ELD逐漸減小，墊片材料變得更易于壓縮，2）隨著循環(huán)數(shù)（時間）的增加，EUL逐漸增大，墊片回彈性能變差.

3.3蠕變波動

由于實驗的每一個加卸載循環(huán)的最大應力和最小應力相同，通過分析墊片不同循環(huán)最大應力σmax對應的最大位移δmax的變化，同時分析殘余位移δUL的變化，可以得到蠕變-疲勞交互作用對墊片性能的影響.

為得到普適的一般規(guī)律，進行了大量重復性實驗，并將溫度T和金屬骨架厚度t的變化考慮在內(nèi)，數(shù)據(jù)提取結(jié)果如圖6所示.

圖4　不同溫度波齒復合墊的加卸載曲線Fig. 4　Loading and unloading curves of flexible graphite corrugated metal gaskets at different temperatures

圖5　波齒復合墊的ELD和EULFig. 5 ELDand EULof flexible graphite corrugated metal gaskets

從圖6中可以看出，承受相同的疲勞載荷，不同溫度與不同厚度下的柔性石墨金屬波齒復合墊，均表現(xiàn)出以下規(guī)律：1）循環(huán)數(shù)N小于200時為一次蠕變階段（蠕變的減速期）；2）在二次蠕變階段（穩(wěn)態(tài)蠕變），墊片的最大位移δmax出現(xiàn)周期性波動式增長，且波動周期TF穩(wěn)定，TF約為400個循環(huán)；3）墊片的最大位移δmax和殘余位移δUL的變化規(guī)律體現(xiàn)了高度的一致性.

圖6　波齒復合墊最大位移和殘余位移Fig. 6 Maximum and residual displacement of flexible graphite corrugated metal gaskets

承受疲勞載荷的蠕變?疲勞曲線與承受固定載荷的蠕變曲線的對比如圖7所示.在承受溫度載荷和疲勞載荷過程中，疲勞應變和蠕變應變的產(chǎn)生會使墊片產(chǎn)生形變硬化，這種硬化會提升墊片的抗壓縮能力，墊片的蠕變量ε所呈現(xiàn)的波動式變化，是蠕變-疲勞的交變作用影響的結(jié)果.

圖7　波齒復合墊的蠕變波動行為Fig. 7　Creep fluctuation behavior of flexible graphite corrugated metal gaskets

4　結(jié)　語

基于實驗，對不同溫度及不同厚度的波齒復合墊進行多次循環(huán)加卸載，研究了疲勞載荷下波齒復合墊的性能表現(xiàn)，得到以下結(jié)論.

1）疲勞載荷下，循環(huán)次數(shù)（時間）對波齒復合墊片的壓縮回彈性能有較大影響，墊片的壓縮速率與循環(huán)次數(shù)（時間）成正比，壓縮量的回彈速率與循環(huán)次數(shù)（時間）成反比.

2）疲勞載荷下，不同溫度下波齒復合墊的蠕變均較明顯.由于蠕變?疲勞載荷的交互作用，波齒復合墊在穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變量出現(xiàn)周期性波動，波動周期與溫度和金屬骨架厚度無關.

參考文獻：

［1］王樂勤，楊暉，勵行根，等.柔性石墨密封墊片的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.流體機械，2013，41（6）：37-41. WANG Y Q，YANG H，LI X G，et al. Present research and development trend of flexible graphite sealing gasket ［J］. Fluid machinery，2013，41（6）：37-41.

［2］李俊英，吳樹濟，吳凱珺，等.柔性石墨金屬波齒復合墊片. GB/T 19066?2008［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［3］張增禧，王曙，顧伯勤，等.墊片高溫性能及其表示方法［J］.化工設備與管道，2001，38（4）：62-64.

ZHANG Z X，WANG S，GU B Q，et al.Properties of gas?ket in high temperature and expression method［J］. Pro?cess equipment and piping，2001，38（4）：62-64.

［4］蔡仁良，蔡暖姝，章蘭珠，等.螺栓法蘭接頭安全密封技術（二）——基于控制泄漏率的墊片應力及其試驗方法［J］.化工設備與管道，2012，49（5）：1-10. CAI R L，CAI N S，ZHANG L Z，et al. Safe sealing technology for bolted flange connection（2）——gasket stress based on leakage control and its test Method.［J］. Process equipment and piping，2012，49（5）：1-10.

［5］管法蘭用墊片的密封特性試驗方法. JIS B2490：2008 ［S］.東京：日本標準委員會，2008.

［6］PAYNE J，DERENNE M. Standard test method for gas?ket constants for bolted flange joint design. ROTT draft 10.01［S］. Montreal Canada：Tightness testing and re?search laboratory，2001.

［7］張小芳.蠕變—疲勞交互條件下不同材料的持久性及壽命預測［D］.上海：華東理工大學，2014.

［8］李多民，段滋華，仇性啟.波齒復合墊片常溫壓縮回彈性能試驗研究［J］.潤滑與密封，2009，34（3）：91-93. LI D M，DUAN Z H，QIU X Q. Research on the com?pressibility and resilience of the gaskets reinforced by corrugated metal sheet at room temperature［J］. Lubrica?tion engineering，2009，34（3）：91-93.

本文編輯：陳小平

Creep Fluctuation Behavior of High Temperature Flexible Graphite Corrugated Metal Gaskets under Fatigue Loading

SANG Cong，ZHENG Xiaotao，WEN Xiang，YU Jiuyang，GAO Jiuyang
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Abstract：The mechanical and creep properties of flexible graphite corrugated metal gaskets were studied. The cyclic loading tests of gaskets at temperatures of 373 K and 573 K were conducted. Based on the measured stress?strain data and the calculation of compression modulus and unloading modulus，the compression resil?ience characteristics of the gaskets were analyzed. Considered the influence of the temperature and the thick?ness，the effects of interaction between creep and fatigue on the gaskets were explored. The result shows that the compression rate of the gaskets increases and the resilience rate of the gaskets decreases with the increasing of time under fatigue load；in the steady creep stage，the creep curve of the gasket appears cyclical fluctuations under the interaction between creep and fatigue，which has no relation with the experiment conditions.

Keywords：fatigue load；flexible graphite corrugated metal gaskets；compression resilience curve；creep

*通訊作者：鄭小濤，博士，副教授. E-mail：xiaotaozheng@163.com

作者簡介：桑聰，碩士研究生. E-mail：1051556478@qq.com

基金項目：湖北省教育廳科學研究計劃（Q20131506）；武漢工程大學研究生創(chuàng)新基金項目（CX2014038）

收稿日期：2015-11-01

文章編號：1674 - 2869（2016）01 - 0078 - 04

中圖分類號：TB125

文獻標識碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 014