【摘 要】石墨垫片是一种广泛使用的静密封，其良好的密封性能取决于密封界面的力学特性。为了研究石墨垫片密封界面的力学特性，该文基于现有密封实验台结构和材料弹塑性，建立了垫片系统有限元模型，模拟实验台加卸载工况，仿真研究垫片的力学特性。实验测量了垫片压缩回弹曲线。仿真结果给出了垫片在加载和卸载过程中接触压力、变形和压缩回弹曲线的变化情况，与实验测量结果吻合，验证了仿真方法的正确性，进一步从理论上阐明了此类垫片实现高接触刚度、高动载稳定性和高安装重复性的工作机理。
【关键词】柔性石墨复合垫片;石墨垫片;密封界面;有限元仿真;弹塑性
螺栓法兰连接系统中，垫片是主要的密封元件。因为石墨材料优异的柔软性、耐热性、耐燃性、耐化学性和抗辐照性，所以石墨垫片在核电、宇航等行业的压力容器、管道和阀门中得到了广泛应用[1]。
本文分析对象如图1所示。垫片分为3部分，中间为纯柔性石墨环，内外两侧采用金属环增强的复合结构，分别起限位和定位作用。这种柔性石墨复合垫片(以下简称石墨垫片)属于金属与金属接触型(MMC)垫片，利用了石墨的柔性和金属环的回弹能力，不仅具有良好的初始密封性，而且能补偿内压、机械载荷和热载荷波动等带来的垫片应力的减小，从而保持密封能力[2-4]。
近年来，国内外学者对石墨垫片开展了大量研究。文[5-8]通过工况模拟实验，研究石墨垫片的压缩回弹、应力松弛和密封特性，为垫片设计和工程应用提供了大量实验数据。文[9-10]利用有限元等仿真技术，讨论螺栓法兰的结构、外力对垫片应力的影响。文[11-12]基于层流和毛细管理论，探讨毛细压力和压差驱动下垫片的泄漏特性。压缩回弹特性作为石墨垫片实现密封功能的基础保障，虽然以上工作在实验中测量了压缩回弹曲线，但是未涉及压缩回弹过程中垫片与法兰密封界面力学特性，未对压缩回弹特性的产生机理进行阐述。
本文针对图1所示的石墨垫片，建立有限元仿真模型，研究石墨垫片在加载和卸载过程中密封界面的接触力学特性和压缩回弹特性;通过实验测量压缩回弹曲线，完善和验证理论模型;并进一步从理论上剖析和阐明对此类垫片实现高接触刚度、高动载稳定性和高安装重复性的工作机理。
1 垫片系统有限元模型
为了和实验测量结果对比，垫片系统有限元模型参照实验台建立。建模难点在于模拟石墨环和法兰之间的弹塑性接触过程。如图2所示，采用轴对称2维模型，同时因为垫片相对横中面上下对称，所以可以再次简化为面对称模型，以提高计算效率。垫片选用宁波天生的产品SELEX-TSN8101，内外侧的限位环和定位环为不锈钢316L，弹性模量E=206GPa，Poisson比0.3;石墨环为核级高纯度膨化石墨，采用弹塑性模型模拟;加载段为多线性等向强化模型，Poisson比0.01;法兰材料与内外环相同。选取PLANE182单元用于模拟法兰和垫片实体，TARGE169和CONTA172单元模拟法兰与垫片之间的接触对，因为是静密封，所以设摩擦系数μ=0。
模拟实验台加载方式，在上法兰的上端面150mm 的区域内施加均布载荷。加载方式为无限缓慢静力加载。最大载荷为400kN。载荷施加包括加载过程和卸载过程，和实验台相同，用于模拟垫片的预紧状态和工作状态。加载过程中固定垫片横中截面。
2 石墨密封垫片的试验研究
试验在图3所示的垫片综合性能试验机上进行，包括液压机(YJN-100)、位移传感器NSWY02-20-5(精度：0.05%)、力传感器BLR-1(灵敏度：1mV/V)。参照GB/T 12622中垫片压缩回弹特性的测量方法，在室温20℃环境下以0.5MPa/s的速率加载卸载，测量垫片的应力与变形关系。
3 结果与讨论
3.1 接触特性
仿真历程包括了从零加载到最大载荷然后又卸载到零的完整过程。将加载和卸载历程进行归一化处理，分别以100%表示加载和卸载分析历程的时间。随着载荷的施加，法兰向下靠近垫片，进而与垫片发生接触。图4给出了法兰和垫片密封面上接触压力的变化，非零接触压力的产生表示两者进入接触状态。加载之初，内中外环与法兰的接触压力和接触面积都为零。随着载荷增加，中环开始与法兰接触，在整个石墨环径向宽度上都处于接触状态;随着载荷增大，接触压力增大，接触面积不变，始终为全中环接触。当载荷增大到约60%时，内外环几乎同时开始与法兰接触，随着载荷增加，中环的接触压力增幅大为减小，载荷到达65%后基本不变，接触面积也基本不变，增加的载荷主要由内环和外环承担，环上的接触压力和接触面积随载荷增加而增加。由于中环受压后的变形会引起内环和外环的连带变形，从而引起内环内侧和外环外侧向上的翘曲，因此法兰和内外环的接触主要发生在内环的内侧区域和外环的外侧区域。对于卸载过程，各环的接触压力变化规律与加载过程近似相反。
3.2 变形特征
垫片密封功能的实现主要是依靠石墨环(中环)的弹塑性变形。图5a给出了加卸载过程中不同时刻的垫片中环变形(局部放大图)。图5中：横坐标x 表示垫片沿径向的位置，纵轴y 表示轴线方向(垫片厚度方向)的位置。1)加载过程。因为中环的上端面高于内外环上端面，所以随着载荷增加，中环上端面首先被压缩，并且伴随着轴向压缩，径向分别向两侧扩张。载荷较小时变形量变化较为剧烈。轴向和径向的累积变形量随载荷增加而增大。当载荷增至约60%时，轴向压缩量进入稳定阶段，中环的轴向高度几乎与内外环相同，之后载荷的增加几乎不再增大压缩量。径向扩张量也基本保持不变，只是由于内外金属环受压后引起小幅的对中环的压缩。2)卸载过程。变形特征与加载过程近似相反，但是由于石墨材料的塑性，存在残余变形。图5b主要给出了卸载完成后即载荷减小为零后垫片的形状和原始形状的对比。在轴向，主要在中环处存在明显的残余变形(约0.35mm)，中环上端面低于原始位置;在径向，因为中环的内径小于初始值，而外径大于初始值，所以导致内环和外环分别受到向内和向外的挤压。虽然内外环应力并未超过材料屈服极限进入塑性阶段，但是中环在径向的残余变形使得内外环上存在残余变形和应力。总体来说，径向的残余变形小于轴向变形几乎一个数量级。
3.3 垫片压缩回弹特性
压缩回弹特性是衡量垫片力学性能的重要指标之一。根据施加在法兰上的载荷、法兰与垫片的接触面积和垫片的轴向变形量可以计算垫片的压缩回弹特性曲线。如图6所示，横轴为垫片轴向压缩变形量δ，纵轴为垫片应力SG(即法兰载荷与接触面积的比值，MPa)。有限元模型仿真计算的压缩回弹特性曲线和实验测量结果取得了很好的一致。加载过程中，变形随垫片应力的增大而增大，并且随着石墨环的压缩，刚度也逐步增大，表现为加载段曲线斜率的增加。在垫片压力达到52.4MPa时，垫片的变形达到1.294mm。此时，压缩回弹曲线出现了拐点，斜率急剧增大，这主要是因为法兰开始和金属环接触，不锈钢内外环的弹性模量远大于石墨，所以垫片刚度明显增大。之后继续增加的载荷主要由金属环承担，轴向变形几乎不再增加。卸载阶段，垫片应力减小，首先也是释放法兰和金属内外环之间的接触压力，因此载荷减小但是变形几乎不变。当载荷减小至大约52MPa时，金属环和法兰脱离接触，之后载荷的继续减小，会引起垫片的回弹，即轴向变形的减小。但是，由于石墨环的塑性变形，当载荷减小为零时，仍存在大约0.7mm的残余轴向变形。
将法兰载荷与上下密封面距离的比值，定义为法兰密封垫片连接刚度K。图7表示不同载荷下连接刚度的变化，纵轴采用对数坐标。当预紧力约为236kN时，中环被压缩到最大程度，连接刚度约为537kN/mm;当预紧力进一步增大到使得法兰与内外金属环接触的程度后，连接刚度K 急剧增大，当预紧力达到400kN 预定值时，连接刚度达到仅有中环接触时的126倍，并维持基本不变。因此，对于由于振动、温度变化、介质压力波动、应力松弛等引起的载荷波动而带来的连接状态变化的抵抗能力也就提高了100多倍，从而可以保障此类垫片密封的可靠性和对工况的适应性。
4 结 论
垫片界面力学特性是决定垫片密封性能的基础。本文针对核电级柔性石墨复合垫片，建立有限元模型进行弹塑性接触力学仿真，并和实验测量结果进行对比。主要结论如下：
1)压缩回弹特性的仿真结果和实验测量结果基本一致，验证了有限元模型的准确性，该模型可以用于研究石墨垫片界面力学特性。
2)加载过程接触应力的大小和分布特征可以作为确定预紧力大小的依据，在保证接触刚度足够的情况下选择尽可能小的预紧力。
后续研究将基于垫片系统的宏观弹塑性力学和界面微观形貌的接触力学，进一步研究垫片结构参数和工况参数对垫片泄漏特性的影响，用于优化垫片设计和提高可靠性。
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