壓縮非石棉纖維橡膠墊片密封材料性能研究的進(jìn)展

1、壓縮非石棉纖維橡膠墊片密封材料性能研究的進(jìn)展謝蘇江 蔡仁良( 華東理工大學(xué)化工機(jī)械研究所 ,上海 200237)摘要 綜述了壓縮非石棉纖維橡膠墊片密封材料( CFS) 的性能研究和開展 、應(yīng)用現(xiàn)狀 ,對 CFS 的根本性能 、高溫時(shí)效性能 、蠕變松馳行為和墊片常數(shù)的研究和開展情況作了較系統(tǒng)的介紹 。關(guān)鍵詞墊片 壓縮非石棉纖維橡膠墊片 性能前言墊片密封質(zhì)量不僅僅取決于密封墊片 , 而且與 整個(gè)墊片 螺栓 法蘭連接系統(tǒng)相關(guān) , 包括墊片的安裝 ,螺栓載荷 ,介質(zhì)的壓力 、溫度和性能等因素 。其中 ,墊片的性能仍是其最主要因素 ,墊片的機(jī)械完整 性 、墊片厚度的損失而引起的螺栓載荷下降 、墊片的驟

2、。研究以 CAF 為參比 , 以 CFS、PTFE、柔性石墨墊片 、金屬包復(fù)墊片和纏繞墊片等多種商業(yè)產(chǎn)品為研 究對象 , 采用物理模型和數(shù)學(xué)方法歸納 、探索評定密 封材料質(zhì)量的方法 , 研究高溫時(shí)效后它們的性能變化 , 以預(yù)測保證密封墊片材料長期有效和平安操作13 ,6的使用條件。本文綜述了國內(nèi)外在這方面對 CFS的研究情況 。1 , 2衰減均可能使逸漏轉(zhuǎn)化為大泄漏。隨著無石棉密封材料的出現(xiàn) , 對密封要求的提高以及對環(huán)境安 全考慮的增加 , 防止或減小泄漏變得越發(fā)困難和重 要 ,合理設(shè)計(jì) (包括墊片選擇 、評定 、安裝 、操作) 可以 減少或防止逸漏和大泄漏 , 其中尤以墊片的選擇和 評定最

3、為關(guān)鍵 3 。近百年來已經(jīng)形成了一整套適合壓縮石棉纖維增強(qiáng)橡膠板 ( Compressed asbestos fiber , CAF) 的性能表 征方法和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 。雖然沒有系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研 究 , 但依賴長期的經(jīng)驗(yàn)累積 , 其結(jié)果對指導(dǎo) CAF 的 生產(chǎn)和應(yīng)用仍具有一定的現(xiàn)實(shí)作用 。ASTM F104 4 、 BS7531 5 及一些生產(chǎn)廠規(guī)定 , 根據(jù) CAF 的標(biāo)準(zhǔn)來對 壓縮非石棉纖維橡膠板 ( Compressed no - asbestos fiber sheet , CFS) 進(jìn)行表征和試驗(yàn) 3 , 而且規(guī)定的技術(shù)性能 也與 CAF 相近 。然而 , 由于缺少長期使用經(jīng)驗(yàn)和可 靠

4、的性能數(shù)據(jù)積累 , 傳統(tǒng)的 CAF 性能表征和試驗(yàn)方 法難以用來正確評定實(shí)際 CFS 的質(zhì)量 , 更難以正確 指導(dǎo)其生產(chǎn)和應(yīng)用 。因此 ,對密封材料進(jìn)行適宜的性 能表征和行為研究顯得十分必要 。為此 , PVRC、MTI 和其它一些國家和組織在過去 二十年里 , 對墊片材料的室溫和高溫性能進(jìn)行了系 列化的研究 , 目的是深入了解墊片的行為并制定新 的墊片試驗(yàn)方法和評定標(biāo)準(zhǔn) , 最后由有關(guān)國家的標(biāo) 準(zhǔn)組織 (如 ASTM 和 API) 采納為標(biāo)準(zhǔn)墊片性能試驗(yàn) 方法 , 作為建立統(tǒng)一的高溫墊片評定方法的重要步2CF S 的一般性能表征和試驗(yàn)方法傳統(tǒng)密封材料最重要的性能包括 : 抗載能力 、壓縮回彈

5、性能 、蠕變松弛性能 、密封性和抗化學(xué)介質(zhì)能力 , 它們是表征和評定密封材料品質(zhì)的主要指標(biāo) 3 , 6 。( 1) 抗拉強(qiáng)度 密封材料抗拉強(qiáng)度反映了材料抵抗拉伸和斷裂的能力 , 石棉纖維的增強(qiáng)效果十清楚顯 , CAF 一般具 有較高的抗拉強(qiáng)度 , 根據(jù) ASTM F152 要求 , 高品質(zhì) CAF 橫向抗拉強(qiáng)度一般在 35MPa 以上 。但是考慮墊片主要受壓力作用 , 而不受拉伸作用 , 抗拉強(qiáng)度并不 是密封材料最關(guān)鍵的技術(shù)性能 , 因此 , 對于 CFS 一般 只要求具有 7. 0MPa 以上的橫向抗拉強(qiáng)度 , 而大局部 CFS 的橫向抗拉強(qiáng)度根本在 10MPa 左右 3 。雖 然 抗 拉

6、強(qiáng) 度 已 不 如 以 往 標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定 的 那 樣 重要 , 但考慮抗拉強(qiáng)度可作為評定材料性能穩(wěn)定性和 可重復(fù)性的一個(gè)快速 、簡便的方法 , 并且可以在一定 程度上反映墊片耐介質(zhì)壓力的能力和抗時(shí)效損傷的 能力 , 因此在材料研制和應(yīng)用中仍作為一個(gè)重要的 評定指標(biāo) , 尤其是在高溫時(shí)效研究中 , 剩余抗拉強(qiáng)度 仍是一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo) 7 。( 2) 壓縮回彈性能 壓縮回彈性能反映了密封材料發(fā)生彈性或塑性變形 , 填補(bǔ)密封外表缺陷 , 并進(jìn)行彈性補(bǔ)償維持密封6 化 工 設(shè) 備與 管 道第 40 卷3 , 13的能力 ,它與密封材料的組成及配比有密切關(guān)系 。按 A S TM F 36 8 對墊片進(jìn)

7、行常溫壓縮試驗(yàn) , 可 獲得墊片材料的壓縮率和回彈率 。通常 C F S 要求壓 縮率為 717 % , 回彈率大于 50 % , 與 CA F 根本相同 。A S TM F 36 是在室溫下進(jìn)行的 , 反映的是短期 行為 ,而且不能代表材料的高溫性能 。為此 ,B S7531Pet e r Chil ds 等按 B S2815 和 A S TM F 38(B ) 研究了 C F S 的蠕變松弛性能 (見表 1 和圖 3) ,結(jié)果說明 C F S 的抗蠕變松弛能力介于高品質(zhì) CA F 和 普通 CA F 之間 , 并隨材料厚度增加 、初始應(yīng)力下降和溫度增加而降低 , 且隨組份不同其變化速率也不

8、 同 。表 1 CF S 的應(yīng)力松弛( 初始應(yīng)力 : 35M Pa ,墊片厚度 : 1. 6m m)5把試驗(yàn)溫度提高為 300 , 墊片應(yīng)力也規(guī) 定 為40M Pa , 而 D IN 52913 也 把 試 驗(yàn) 條 件 定 為 300 、50M Pa , 以反映 C F S 在高溫下的壓縮回彈能力 , 但 也僅是某一墊片應(yīng)力和溫度下的單一值 。為此 ,有的廠商通過熱壓縮試驗(yàn) ( Ho t Co mp re ssio nTe st ) 研究了不同墊片應(yīng)力和溫度下的墊片變形情況 , 由此可以確定 C F S 在不同情況下的最大承壓能力 (圖 1 ,圖2) 3 。PV R C 的 H RO T 試驗(yàn)

9、方案 (熱松弛熱緊密性試7 , 12驗(yàn))研究了在溫度 1200F ( 649 ) 下經(jīng)時(shí)間 4天 , 在模擬剛性條件下進(jìn)行超載和溫度循環(huán)時(shí)墊片的抗松弛能力 。結(jié)果說明 : CA F 由于含有 70 - 80 % 的石棉纖維 , 在粘合劑分解后仍具有有效的抗松弛 性和適當(dāng)?shù)拿芊庑?, 而 C F S 墊片由于纖維含量少 ,耐熱差 , 在長時(shí)間的高溫作用下 , 纖維與粘合劑同時(shí) 分解 ,因此它們的抗蠕變松弛性能較 CA F 差 。( 4) 耐介質(zhì)性能耐介質(zhì)性能包括 : 耐油性能 、耐化學(xué)介質(zhì)性能和 耐溶劑性能 , 反映了材料對介質(zhì)的抵抗性 , 通常用材料的厚度增加率和重量增加率表示 , 直接決定材

10、料 的適用環(huán)境 。耐介質(zhì)性能取決于材料的組成成分 (如 基體材料 、增強(qiáng)材料 、填料和加工助劑等) , 對于與非 惰性介質(zhì)接觸的墊片 , 耐介質(zhì)性能是一個(gè)十分重要 的技術(shù)指標(biāo) , 在其他性能保證的情況下 , 介質(zhì)浸漬后墊片材料保持適度的厚度增加率有利于密封性能的( 3) 蠕變松弛性能蠕變松弛是表征密封材料最重要的性能之一 , 反映了墊片材料抵抗應(yīng)力松弛和變形的能力 , 是一 種瞬時(shí)應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系 ,與溫度 、時(shí)間 、初應(yīng)力 、墊片 厚度等多種因素有關(guān) 。通常 , 蠕變松弛越慢 , 那么剩余 壓縮載荷越大 , 密封性能越好 。對于非石棉墊片 , 蠕變松弛是法蘭接頭在工作壽命內(nèi)發(fā)生泄漏的主要原

11、 因 , 它對結(jié)合面的密封能力及墊片工作壽命起著決 定作用 9 。10A S TM F 38 (B )根 據(jù) 承 受 初 始 應(yīng) 力20. 68M Pa 的墊片材料在 100 熱空氣下經(jīng) 22 小時(shí)處理后螺栓伸長的松弛百分率來反映材料的蠕變松 弛性能 ; B S2815 和 11 D IN 52913 12 那么通過測試螺栓 的剩余應(yīng)力來反映密封材料的抗蠕變松弛能力 , 而 且試驗(yàn)時(shí)間和溫度都較 A S TM F 38 延長和提高 , 以 便更真實(shí)地反映 C F S 的抗蠕變松弛能力 。提高 14 , 15。目前 , 國內(nèi)外對密封材料耐介質(zhì)性能的研究相 1994-2021 China Acad

12、emic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 材料高品質(zhì)CAF普通CAFCFS剩余應(yīng)力 ( N/ mm2)301720 - 302003 年第 5 期7 當(dāng)少 , 可使用的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要是 A S TM F 146 耐油性能的試驗(yàn)方法 16 ,雖然 D IN 28090 - 3 已公布了化 學(xué)品對墊片材料壓縮 、回彈和密封性能的試驗(yàn)方法 ,但尚待應(yīng)用考證 17 。( 5) 密封性能征墊片性能的技術(shù)指標(biāo)還包括 : 耐熱性能 、抗粘著能力 、密度以及對法蘭面的腐蝕性等 , 它們對于合理選 用和評定 C F S 墊片 ,

13、確保其平安可靠和耐久性能具有重要作用 13 。C F S 的高溫時(shí)效研究和質(zhì)量評定( 1) 機(jī)械性能研究 2 ,24 ,25墊片和螺栓載荷隨時(shí)間和溫度的變化可以通過 法蘭分析模型進(jìn)行預(yù)測 , 不同墊片材料的純機(jī)械行 為數(shù)據(jù)是該模型的根底 , 而 80 年代以前 , 這方面的 研 究 很 少 。為 此 , PV R C 建 立 了 室 溫 機(jī) 械 試 驗(yàn)3密封性能是墊片品質(zhì)好壞的綜合表現(xiàn) ,泄漏率是最直觀的指標(biāo) 。A S TM F 37 18 提供了室溫評價(jià)墊片材料氣體和液體泄漏率的方法 , D IN 3536/ 6 19 提 供了墊片抗?jié)B透性的測試方法 ,B S7531 5 對 C F S 的

14、氣體滲透性試驗(yàn)也作了明確的規(guī)定 (一般要求 C F S的泄漏率不大于 1mL / mi n ) 。 早 期 密 封 試 驗(yàn) 大 多 是 在 室 溫 下 進(jìn) 行 , Er n stSa ut e r 20 研究了一定墊片應(yīng)力下介質(zhì)壓力與泄漏率的關(guān)系 ; J o h n B ro w n 21 研究了 C F S 在不同墊片應(yīng)力 下泄漏率與介質(zhì)壓力的關(guān)系 ; 結(jié)果說明泄漏率的對數(shù) 和介質(zhì)壓力的對數(shù)呈線性關(guān)系 。對幾種 C F S 的密封 壓力 、溫度及墊片厚度的研究 , 發(fā)現(xiàn)對于氣體介質(zhì) , 墊 片越薄越好 , 它可使密封所需螺栓載荷降低 , 抗蠕變松弛能力提高 , 但墊片也不能太薄 , 必須具有

15、一定的 厚度以填補(bǔ)法蘭面上的加工缺陷和機(jī)械劃痕 ; 而對于 液體介質(zhì) ,墊片厚度根本不起作用 22 。由于傳統(tǒng)試驗(yàn) 方法不能完全反映墊片的實(shí)際使用性能 , 所以目前正 把 A S TM F37 的密封性試驗(yàn)與 A S TM F38B 的蠕變松弛試驗(yàn)方法聯(lián)合起來 , 即將試件在預(yù)定的載荷 、溫 度和時(shí)間下發(fā)生蠕變松弛后 , 再用密封介質(zhì)進(jìn)行密封( Roo m -t e mp e ra t ureMec ha nical Te st Proce dure ,RO M T) 和 熱 態(tài) 機(jī) 械 試 驗(yàn) ( Ho t Mec ha nical Te stProce dure , HO M T ) ,

16、通過加載 - 卸載循環(huán) 、恒墊片 應(yīng)力下的蠕變 、恒墊片變形下的應(yīng)力松弛三種試驗(yàn) 程序來估計(jì)實(shí)際墊片蠕變/ 松弛的大小 。T T RL 于1993 年根據(jù)壓縮載荷機(jī)械試驗(yàn) (L o a d -Co mp re s2sio n Mec ha nical Te st Proce dure ,L CM T ) ,研究了墊片在壓縮條件下緊密度和變形的關(guān)系 。利用這些機(jī) 械試驗(yàn)可以評定墊片在室溫和高溫下的短期機(jī)械完 整性和蠕變行為 , 結(jié)果說明室溫下 C F S 的機(jī)械完整性和抗蠕變能力可與 CA F 相比擬 , 但在高溫下與CA F 相差較大 。( 2) 機(jī)械篩選試驗(yàn) 26 28機(jī)械篩選試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯?/p>

17、和評定纖維增強(qiáng)彈性 體密封材料的長期高溫機(jī)械性能和適用性 , 主要以23性試驗(yàn) , 故稱為蠕變密封試驗(yàn), 其結(jié)果如表 2 所示 。七十年代后期 ,隨著對 C F S 為主的墊片性能的深 入研究 , 密封試驗(yàn)已經(jīng)從早期的常溫試驗(yàn)向高溫時(shí)效研究方向開展 , 并取得了一系列成果 , 這在后面再作 論述 。表 2 蠕變松弛 - 密封性試驗(yàn)結(jié)果( 法蘭預(yù)加載荷 : 20. 7M Pa ;介質(zhì) :氮?dú)?;內(nèi)壓 : 190k Pa)M T I 的 A T R S 試 驗(yàn)( Age dTe n sile Rela xa t io nSc ree n Te st Proce dure ) 為主 , PV R C

18、 和 T T RL 通過提高試驗(yàn)溫度和增加密封性測試而分別設(shè)計(jì)進(jìn)行了 HA T R 試 驗(yàn) ( Hi g h - t e mp e ra t ure A ge d L ea ka ge Rela xa t io n Sc ree n Te st Proce dure ) 和 A RL A 試驗(yàn)( A ge dA d he sio n Te st Proce2Rela xa t io nL ea ka gedure) 。機(jī)械篩選試驗(yàn)的一個(gè)主要結(jié)果是引入了三個(gè)質(zhì) 量評定參數(shù) Q r 、Q x 和 Q p 以反映時(shí)效時(shí)間和溫度對 材料的損傷 , 并以 Q p 來綜合評定墊片材料的機(jī)械完整性和抗蠕變松

19、弛性 , 把 Q 大于 0. 5 作為 C F S 通p過機(jī)械篩選試驗(yàn)的一個(gè)根本準(zhǔn)那么 。2保持 %TS XQ p = ( Q x) ( Q r) =( 1)100075其中 : TSX = 經(jīng) A T R S/ HA T R 時(shí)效試驗(yàn)后試樣的橫向剩余抗拉強(qiáng)度 ; 保持 % = A T R S/ HA T R 試驗(yàn)裝置除上述幾個(gè)根本性能外 , 直接或間接地用以表 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 材料未進(jìn)烘箱前的 泄漏量 ,mL / h在 100o C 下 蠕 變

20、 松弛22小時(shí) , %置于烘箱后的 泄漏量 ,mL / hC F S1550582422857654241145101647413435CA F5840208136538 化 工 設(shè) 備與 管 道第 40 卷時(shí)效后應(yīng)力的保持率 。機(jī)械篩選試驗(yàn)的另一個(gè)重要結(jié)果是根據(jù)等量的 時(shí)效產(chǎn)生等量的損害而定義了另一個(gè)質(zhì)量評定參數(shù)當(dāng)量時(shí)效因子 A e , 提供了不同試驗(yàn)條件進(jìn)行比擬 的基準(zhǔn) , 為用 A T R S 試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推預(yù)測使用壽命提供了根底 。對于 A ra mi d 纖維增強(qiáng)的 C F S ,有 :在 P F IR 試驗(yàn)中有一定的剩余強(qiáng)度但在真實(shí)火焰中松弛嚴(yán)重 , 而 CA F 中石棉纖維含量越多

21、可減緩蠕變 和 厚 度 損 失 。 F IR S 和 F I T T 試 驗(yàn) 表 明 CA F 在1200 0F ( 649 ) 下仍具有較高剩余抗拉強(qiáng)度和緊密度 T SX 1500p si ( 10. 5M Pa ) , Tp 50 , 以及好的 墊 片 完 整 性 ; 而 A ra mi d 纖 維 增 強(qiáng) C F S 不 能 通 過1000 0F ( 538 ) 以 上 的 F IR S 試 驗(yàn) , 也 不 能 通 過1200 0F ( 649 ) 的 F I T T 試驗(yàn) 。H0. 2T - 300( 2)A e =19. 9其中 : T = 時(shí)效溫度 ( 0F) , H = 時(shí)效時(shí)間

22、 ( h) 。對于 A ra mi d 纖維增強(qiáng)的 C F S , A e 計(jì)算的長期 使 用 溫 度 與 材 料 的 活 化 能 有 密 切 關(guān) 系 , 為 此 ,PV RC90 - 1 采用稍做改良的 A T R S 裝置獲得了失 重和機(jī)械性能變化的關(guān)系 , 并由此開展了基于失重 關(guān)系的新的時(shí)效參數(shù) A p 。對于4 高溫緊密度試驗(yàn) 31 33( )墊 片 的 室 溫 密 封 性 能 研 究 比 較 多 , 特 別 是PV R C 的室溫緊密度試驗(yàn)方案 ( Roo m - t e mp e ra t ureProce dure , RO T T ) , 系統(tǒng)研究了墊Ti g ht ne s

23、s Te st片應(yīng)力 ( S g) 、緊密度系數(shù) ( Tp) 、墊片變形 (D g) 以及試驗(yàn)時(shí)間的相互關(guān)系 , 并為螺栓法蘭的設(shè)計(jì)制定了一 個(gè)新修訂的墊片系數(shù) 。然而 ,高溫密封性能的研究那么 比擬困難和缺乏 , 七十年代起 , 隨著 C F S 出現(xiàn)和應(yīng) 用 , PV R C 、M T I 和 T T RL 等國際組織為了研究在模擬實(shí)際操作壓力 、螺栓載荷和溫度條件下墊片的 密封性能 , 在 RO T T 根底上設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列高溫 密封試驗(yàn)方案 。熱操作緊密性試驗(yàn)/ 時(shí)效熱操作緊密0 . 6T T c A p = 17000 H ( 1/ To - 1/ T)其中 : T = 時(shí)效溫度

24、( K) , H = 時(shí)效時(shí)間 ( h) , T c = 失重率變化時(shí)的臨界溫度 ( K) , To 、To = 失重率為零 時(shí)的截距溫度 ( K) 。利用 A p 根據(jù)墊片材料的橫向剩余抗拉強(qiáng)度 、載 荷松弛和失重率等可以確定墊片長期操作溫度 , 并可預(yù)測墊片的密封性能 ; 在可接受的泄漏根底上 , 從短期 A RL A 試驗(yàn)結(jié)果采用時(shí)效參數(shù) A p 可以確定墊 片長期使用壽命 ; 而且 A p 也可精確反映墊片材料緊密度行為的變化以及時(shí)效后泄漏率水平與失重之間的緊密關(guān)系 。( Ho t Op e ra t io nalTe st Pro2性試驗(yàn)方案Ti g ht ne ssce dure

25、/ A ge d Ho t Op e ra t io nalTi g ht ne ss Te stPro2ce dure , HO T T / A HO T ) 對真實(shí)工況下墊片的高溫密封行為 (溫度 1200F , 時(shí)間超過 14 天) 進(jìn)行了評定 ; E HO T 試驗(yàn)方案 (逸出熱緊密性試驗(yàn)) 研究了適度時(shí) 效 ( 1200F , 8 天) 對墊片緊密性行為的影響 (對墊片 常數(shù) Gs 的影響) ; 熱吹出試驗(yàn)方案 ( Ho t Blo wo utTe st Proce dure , HOB T ) 研究了在過度松弛情況下 的緊密性行為 , 試驗(yàn)溫度高達(dá) 1200F ; F I T T

26、試驗(yàn)計(jì) 劃研究了在模擬火焰過程中 ( 1200F , 15 分鐘) 墊片 的緊密性情況 。高溫密封性能研究說明 , 不同溫度 、不同時(shí)效 、不同材料的密封行為差異很大 , 如在 800F ( 427 ) 經(jīng)一周時(shí)效后 A ra mi d 纖維增強(qiáng)的 C F S 墊片泄漏率 比室溫增加了 10000 倍 ,而相同條件下 ,CA F 墊片的 泄漏率只增加 320 倍 。這一增加與時(shí)效引起的物質(zhì) 損傷相一致 , 而且發(fā)現(xiàn)彈性體粘合的片狀材料均有類似的情況 , 同時(shí)也可以看出試驗(yàn)的 C F S 的高溫密 封性能通常比 CA F 差 , C F S 墊片的室溫密封行為難 以反響在操作溫度下的密封能力 。

27、同時(shí) , 緊密度的研究引進(jìn)了一個(gè)將給定墊片應(yīng)耐火試驗(yàn) 29 ,30( 3)早期的耐火試驗(yàn)以 PV R C 的墊片熱機(jī)械蠕變試驗(yàn) ( P F IR 試驗(yàn)) 為主 , 可測量剩余抗拉強(qiáng)度 、蠕變 速率 、總?cè)渥兊刃阅軈?shù) 。19861987 年 ,M T I 規(guī)劃47 采用 A T R S 試驗(yàn)裝置進(jìn)行了模擬火焰篩選試驗(yàn)( Fi re Si m ula t io n Sc ree n Te st Proce dure , F IR S ) ,以 評定墊片在火焰篩選試驗(yàn)中的可接受性 。PV R C 規(guī) 劃 88 - 16 和 89 - 03 提出了基于模擬火焰下連接緊 密性的更復(fù)雜的耐火試驗(yàn) 火焰緊

28、密性試驗(yàn) ( Fi reSi m ula t io n Ti g ht ne ss Te st , F I T T ) 。通過設(shè)定不同 的試驗(yàn)溫度 , 根據(jù) F IR S 試驗(yàn)以后試樣是否完整 , 有無一定剩余強(qiáng)度 、極度擴(kuò)展 、明顯壓出或橫向冷流以 對墊片材料的耐火性進(jìn)行表征和篩選 。P F IR 結(jié)果說明 CA F 比 A ra mi d 增強(qiáng)的 C F S 穩(wěn) 定且具有更好的短期蠕變性 , 玻璃纖維增強(qiáng)的 C F S 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 200

29、3 年第 5 期9 力下的介質(zhì)壓力和質(zhì)量泄漏率關(guān)聯(lián)起來的無因次參量 緊密度系數(shù) ( Tp) :降解 :B / T( )t = A e10B / T* 0. 5也即其中 :( )Lrml g t = l gA + l ge11p*( 5)Tp =pLrmt = 降解到達(dá)一定程度所需的時(shí)間 ( 失效時(shí)( M Pa ) , * = 參 考 大 氣 壓其 中 :p = 氣 體 壓 力ph - 1間) , T = 絕對溫度 K , A = 頻率因子化能 ,e = 自然對數(shù)的底 。( )(), B = 活( 0. 1013M Pa ) , L rm = 質(zhì)量泄漏率 ( m g / s) , L rm *

30、= 單位質(zhì)量泄漏率 ( 1m g / s) 。由此 , 以 CA F 的行為為參考 , 定義了三個(gè)緊密 度質(zhì)量參數(shù) Q t 、Q t 和 Q t 。由此以 l g t 對 1/T 作圖可以得到材料的耐熱圖 。對于幾個(gè)給定的墊片失重和泄漏率水平可以分別獲得材料耐熱曲線 , 由此對材料的熱耐久性進(jìn)行 評定 ,對其長期工作溫度進(jìn)行精確預(yù)測 。( 6) 根據(jù) A r r he ni us 模型和耐熱圖 , 引進(jìn)了一個(gè) 當(dāng)量時(shí)效因子 Ae , 以此預(yù)測墊片的長期使用溫度 , 它可很好地適用于各種彈性體墊片材料 。Qt = 1/ 2Log ( T p m in) / 1. 5 + (斜率) / 1. 5(

31、 6) ( 7)( 8)Q t = 1/ 2Tp m in) / 32 + (斜率) / 1. 5Q t = T p m in/ 32 (對氦氣)其中 : 斜率 = 1/ Lo g ( T p m in) - Lo g ( T p m in) ,T p m in 是最小的緊密度值 , 32 表示較好時(shí)效的壓縮石棉墊片的平均緊密性 。0. 2 ( T - 148 . 9 )Ae = t( 12)11. 0586其中 T 為溫度 ( ) ,t 為時(shí)效時(shí)間 ( h) 。但試驗(yàn)說明 , 不同 C F S , Ae 計(jì)算的長期使用溫 度和耐熱曲線的長期使用溫度結(jié)果存在一定差異 , 即目前的 M T I/

32、 PV RC 質(zhì)量評定草案必須進(jìn)行進(jìn)一 步改良以更好地適應(yīng)對所有彈性體材料的評定 , 改進(jìn)的方向是建立以機(jī)械篩選試驗(yàn)為根底的耐熱圖 。由此得到了對于 F I T T 試驗(yàn)可接受的判據(jù)為 :Q t 、Q t 、Q t 1 , T p 32( 5) 長期時(shí)效研究 34 , 35為了證實(shí)基于篩選試驗(yàn)的墊片長期操作壽命預(yù) 測的真實(shí)性和準(zhǔn)確性 , 改良和完善彈性體墊片材料的質(zhì)量評定方法 。近年 M T I 和 PV RC 在短期高溫 時(shí)效試驗(yàn)的根底上對壓縮纖維增強(qiáng)墊片材料進(jìn)行一 年以上的高溫時(shí)效試驗(yàn) 。結(jié)果說明 :( 1) 連續(xù)和間斷時(shí)效對墊片性能影響相同 ;( 2) 溫度和時(shí)效氣氛對載荷松弛行為沒有很

33、大 影響 , 蒸汽時(shí)效的墊片失重和泄漏率比空氣時(shí)效低 , 基于相同的墊片失重 , 高溫下的短期試驗(yàn)可以用以 預(yù)測低溫下長期的載荷松弛 。( 3) 溫度對墊片失重的影響隨材料而異 ,同一 材料也隨時(shí)間而變 , 但對一個(gè)試驗(yàn)溫度 , 失重 ( w ) 和 時(shí)效時(shí)間 ( t ) 存在如下關(guān)系 :4蠕變松弛性能的理論分析和試驗(yàn)研究PV R C 、M T I 等對 C F S 和 CA F 長期時(shí)效研究中 , 墊片的蠕變變形和螺栓剩余載荷 (螺栓載荷的松弛) 是密封材料最為有效的質(zhì)量評定指標(biāo) , 一系列的 壽命和使用溫度預(yù)測均是建立在蠕變和松弛根底之 上 , 而螺栓載荷的松弛歸根到底又是由墊片的蠕變 引

34、起的 , 因此密封材料的蠕變行為直接影響材料的長期行為 1 ,3 。對墊片的純?nèi)渥円延泻芏嘣囼?yàn)研究 。1936 年Tho r n 討論了墊片的蠕變效應(yīng) ; Baile y 、Ma ri ne 、Wa2 t e r s 、Fe ssle r 、Kra us 等許多學(xué)者在進(jìn)行螺栓法蘭連 接時(shí)又對墊片的蠕變進(jìn)行了一定探討 ; 1963 年 Smo2 le y 等比擬全面分析了墊片的蠕變松弛對螺栓法蘭 連接的影響 , 并在由單個(gè)螺栓上緊的圓柱狀法蘭間 進(jìn)行墊片壓縮試驗(yàn)根底上 , 對蠕變做了很好的描述 和討論 ; 1972 年 Pi n de ra J . T . 和 Sze Y. 給出了一 些墊片純?nèi)?/p>

35、變的結(jié)果 , 對描述法蘭連接性能以及對 泄漏試驗(yàn)的解釋具有很重要的意義 , 但關(guān)于這些墊 片的松弛性能或有關(guān)組合墊片的蠕變 松弛性能幾w = kt ( 9)( 4) 墊片失重和泄漏率間存在內(nèi)在關(guān)系 。足夠的時(shí)效導(dǎo)致 C F S 的粘結(jié)劑和非石棉纖維發(fā)生熱降 解而使其失重增加從而引起泄漏率持續(xù)增加 , 而 CA F 由于在時(shí)效過程中失重變化不大 , 因此其初始和最終泄漏率根本相同 , 即 CA F 幾乎不受熱降解的 影響 。( 5) 墊片材料在空氣中的熱降解遵循 A r r he2ni us 模型 , 可以采用 A r r he ni us 方程分析墊片的熱 1994-2021 China Ac

36、ademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 10 化 工 設(shè) 備與 管 道第 40 卷乎沒有可用的數(shù)據(jù) ; 1972 英國標(biāo)準(zhǔn) B S1832 和 1982年 A S TM F 38 給出了墊片的蠕變松弛試驗(yàn)裝置 , 它 們借鑒了 Smole y 的試驗(yàn)原理 ,試驗(yàn)既不是純?nèi)渥円仓匾饔?, 建立新的墊片設(shè)計(jì)系數(shù)成為密封技術(shù)研究開展的一個(gè)重要方向 。1974 年 PV R C 開始的一個(gè)探索性試驗(yàn)研究結(jié) 果說明影響墊片性能有許多復(fù)雜的因素 , 包括允許 泄漏率 、密封介質(zhì) 、內(nèi)壓 、裝配墊片應(yīng)力 、墊片尺寸和

37、 密封外表粗糙度等 。通過試驗(yàn)研究和分析 A SM E 的一個(gè)特別工作小組 ( SW G) 與 PV R C 共同擬訂了新 的墊片常數(shù) , 與此同時(shí)也對傳統(tǒng)的螺栓法蘭設(shè)計(jì)規(guī) 那么作相應(yīng)的改變 。新的墊片常數(shù)包括 Gb 、a 、Gs 、Gb 和 a 共同代表 了墊片在初始預(yù)緊下的密封能力 , 反映了墊片預(yù)緊不是純松弛 1 ,3 ,8 ,24。1984 年 Baze r gui 系統(tǒng)研究了墊片恒應(yīng)力下的短期蠕變 、松弛行為 , 并由蠕變曲線獲得了蠕變方程(式 13) , 結(jié)果說明最大的蠕變發(fā)生在較低的應(yīng)力水 平 , 而且主要發(fā)生在開始的 1015mi n ; 由恒墊片變形量下的應(yīng)力松弛試驗(yàn)獲得了應(yīng)

38、力松弛方程 ,化規(guī)律與蠕變完全一致 8 。e c = a + bl n tO = C - Dl n t其變( 13)( 14)a應(yīng)力和緊密度的關(guān)系 ,由 S Tp = Gb Tp可以計(jì)算維其中 : e c = 墊片純?nèi)渥冏冃?, a , b = 與應(yīng)力水平有關(guān)的常數(shù) , O = 墊片的應(yīng)力 , C , D = 與墊片初始應(yīng)力相 關(guān)的常數(shù) ,t = 時(shí)間 。Baze r gui 對密封墊片短期蠕變行為的研究與前 蘇聯(lián)科學(xué)家對玻璃鋼蠕變行為的研究結(jié)果完全一致持一定緊密度所要求的最小墊片預(yù)緊應(yīng)力 ; Gs 是反映操作的獨(dú)立常數(shù) , 描述了墊片緊密度對螺栓力變 化的敏感性 ,對一個(gè)特定的緊密度水平 ,

39、 Gs 說明了墊 片所需要的最小工作應(yīng)力 。新的墊片常數(shù)將緊密度 與連接設(shè)計(jì)相結(jié)合 , 對墊片生產(chǎn) 、螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)35。Bo uzi d 等利用該蠕變方程系統(tǒng)研究了墊片蠕變以及應(yīng)用都十分重要 。文獻(xiàn) 38描述了由簡化的松弛對螺栓法蘭連接緊密度的影響 , 結(jié)果說明連接緊密度的下降主要由于墊片工作一段時(shí)間引起的蠕 變松弛 24 。這些研究獲得了一些可以指導(dǎo)墊片應(yīng)用的試驗(yàn)結(jié)果 , 但對它們的理論研究特別是蠕變松弛行為的 理論和試驗(yàn)研究還相當(dāng)缺乏 。而這些性能信息對于 密封材料長期壽命和使用溫度的預(yù)測是十分重要 的 , 對于正確了解墊片密封失效的機(jī)理也是十分重要的 。5 建立新的墊片設(shè)計(jì)參數(shù)和 C

40、 F S 的應(yīng)用 1 ,3 ,36 ,37RO T T 試驗(yàn)求取 Gb 、a 、Gs 的具體數(shù)學(xué)過程 , 但這方面的工作還沒有完全完成 , 還需要大量試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn) 證和完善 ,國內(nèi)在這方面的研究上還是一個(gè)空白 。6結(jié)語目前對 C F S 的表征和試驗(yàn)大多沿用 CA F 的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法 , 然而這些方法對 C F S 的適用性尚需研究和探討 。雖然 PV R C 、M T I 等也建立了一套試驗(yàn) 方法 , 但主要目的是對產(chǎn)品進(jìn)行篩選與評價(jià)研究 , 缺 乏對新產(chǎn)品開發(fā)和性能提高的指導(dǎo)作用 , 因此有必 要對 C F S 進(jìn)行系統(tǒng)的性能表征和研究 。L . Ma rc ha n d 等人雖然通過對 C

41、A F 及 C F S 的高溫時(shí)效試驗(yàn) , 獲得了與墊片失重 、載荷松弛等性能 有關(guān)的時(shí)效參數(shù) A p 和熱持久曲線圖 , 此對研究長期 在一定溫度下服役的墊片性能及預(yù)測 C F S 的使用 壽命有參考價(jià)值 , 但未解決實(shí)質(zhì)性的理論問題 , 尤其 對密封十分重要的蠕變松弛性能研究很少 。為此 , 確定適合 C F S 蠕變松弛行為的力學(xué)模型 和理論表征方式 , 進(jìn)而探討適合 C F S 的蠕變松弛行 為的理論表征和分析方式 , 對 C F S 的使用壽命進(jìn)行 預(yù)測 ,以對密封材料的開發(fā)研制進(jìn)行理論指導(dǎo) 。過去 , 由于墊片機(jī)械性能和密封行為的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)的缺乏 , 墊片連接設(shè)計(jì)半個(gè)世紀(jì)以來一直

42、簡化為 m 、y 兩個(gè)墊片參數(shù) ,并沿用 A SM E- 1 附錄2 的 螺 栓 法 蘭 設(shè) 計(jì) 規(guī) 那么 。m 、y 值 由 Ro sshei m 和Ma r kl 于 1943 年引入 , 由于這些參數(shù)不能為試驗(yàn)驗(yàn) 證 , 也沒有可用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法 , 因此不能引申到新 的產(chǎn)品和材料 ,其根底和合理性一直令人疑心 。隨著新的墊片結(jié)構(gòu)和材料的不斷出現(xiàn) , 對墊片性能研究 的不斷深入 ,以及以緊密度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么的要求 ,簡單的 m 和 y 值已不能在確定螺栓載荷中起到應(yīng)有的 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House

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