基于螺栓法兰系统的无石棉密封垫片失效及其密封可靠性研究

螺栓法兰系统是最常见的静密封结构，失效主要由泄漏引起，而垫片是影响泄漏的最主要元件。传统石棉垫片因致癌面临淘汰，而新型无石棉垫片密封特性尚不明确。目前的泄漏率模型没有考虑时间的影响，不能反映泄漏率随时间的变化规律，无法有效预测密封可靠性。.项目以胶乳抄取无石棉密封垫片为对象，针对上述问题开展研究。主要内容包括：1）非石棉垫片本构方程建立与蠕变松弛特性研究；2）基于非石棉垫片蠕变松弛特性、材料非线性及法兰垫片间接触非线性，建立与时间相关的泄漏率模型和密封失效模型，分析失效机理；3）建立垫片密封可靠性模型，实现可靠性有效判断。.研究的开展，将明确非石棉垫片密封特性和失效机理，建立与时间相关的泄漏率模型，奠定无石棉密封材料应用和实现螺栓法兰垫片系统可靠性判断的理论基础，具有重要的理论和应用价值。

长期以来，针对螺栓法兰连接系统失效的研究主要集中在两方面：一是垫片密封特性检测方法，着重解决试验方法的科学性和可靠性；二是对各参数与垫片密封特性的关系，明确各种因素的影响。迄今为止，尚未建立密封系统寿命的完整概念，更无寿命预测的具体方法。在已有的泄漏率计算公式中，没有考虑时间的因素，不能反映泄漏率随时间的变化规律，也就无法知道密封系统在使用过程中其泄漏率的变化情况。.本研究以非石棉垫片为研究对象，开展其失效及密封可靠性研究，明确非石棉垫片密封特性，建立与时间相关的泄漏率模型；研究法兰接头中非石棉垫片的应力应变关系、垫片的残余应力、介质压力和泄漏率之间的关系以及垫片的蠕变松弛对泄漏率的影响。.系统研究了芳纶浆粕、纤维素纤维、玻璃纤维、碳纤维以及非石棉纤维按照不同比例混合时对垫片材料压缩与回弹特性、密封特性的影响。研究了非石棉垫片材料承受横向与纵向负荷时候的失效形式，比较了不同纤维以及混合纤维对垫片抗拉伸强度的影响。采用垫片横向抗拉强度与密度乘积作为垫片的老化损伤变量，研究了温度及老化时间对垫片老化损伤程度的影响，分析了垫片老化损伤程度对垫片压缩与回弹率、应力松弛率以及密封特性的影响。对无石棉金属缠绕垫片的压缩回弹试验曲线进行拟合分析，得到了该类垫片的压缩回弹曲线方程，建立了法兰接头中无石棉金属缠绕垫片压紧应力径向分布的解析算法。用Maxwell模型与Kelvin模型的简单组合构建了非石棉垫片的粘弹性模型，研究了垫片的蠕变量随时间的变化，结果表明：在变形开始的一小段时间内（0~500s），垫片的蠕变变形量非常大，随着时间的增大，变形量处于平稳状态，时间越久，变形的幅度越小。研究了垫片压紧应力、垫片宽度、介质压力和温度对螺栓法兰垫片密封系统泄漏的影响。建立了关于时间的泄漏率公式，并分别以热力过程与粘弹性理论为基础针对非石棉抄取密封垫片建立了全新的蠕变经验公式及蠕变模型。通过研究，明确了非石棉垫片密封特性，建立其本构方程和蠕变松弛模型，明确了实际工况下非石棉密封垫片的蠕变松弛过程；建立了与时间相关的泄漏率模型和密封系统失效数学模型，明确了螺栓法兰垫片系统的无石棉密封垫片的失效机理，提高了垫片的可靠性。.本研究的研究成果在国内外核心期刊上发表论文12篇，其中5篇为EI收录，并获授权实用新型专利两项。研究的开展，对于奠定新型无石棉密封材料应用的理论基础，具有重要的意义。