腐蚀性介质用金属密封的应力松弛特性及泄漏模型研究

The seal technique applied to corrosive mediums of long-term storage is one of the problems that restrict the development of engineering technology in China, about which the theoretical and experimental studies are the unique solutions. The experimental device of stress relaxation used to study metal seal in the working condition of accelerating storage of corrosive mediums will be developed in this project, and the stress-relaxation experiments of metal seal will be performed in varied conditions of different stress and temperature. Based on the experimental results and stress-relaxation theories of metal material, the regularities that the stress relaxation of metal seal affected by the two factors of accelerating storage and media characteristics will be clarified. So the dynamic math mode reflecting the stress-relaxation characteristic of metal seal will be developed in the condition of non-accelerating storage of corrosive medium. Based on the stress-relaxation character of metal seal, the three mathematical models of contact stress distribution, effective width of metal seal and sealing specific pressure will be established, and the model of effectiveness evaluation about metal seal can be developed based on the stress-relaxation characteristic. The fractal characters of the sealing face of metal seal will be studied, of which the fractal parameters will be defined. The regularities of the sealing performance of metal seal affected by the fractal parameters, sealing specific width, contact stress, and pressure and viscosity of the mediums will be clarified. So the leakage model of metal seal based on the fractal theory and stress-relaxation character can be developed, and will be tested by the experiments. This project will lay a foundation for the theory and engineering of metal seal applied to corrosive mediums of long-term storage.

腐蚀性介质长期带压贮存密封技术是目前我国工程技术领域面临的共性难题之一，亟待开展深入的理论和试验研究。本项目拟研制腐蚀性介质加速贮存条件下金属密封的应力松弛试验装置，开展不同应力和温度条件下的应力松弛试验，并结合已有金属材料的应力松弛理论揭示加速贮存和介质特性两因素对金属密封应力松弛的影响规律，建立腐蚀性介质长期贮存用金属密封的应力松弛动力学数学模型；基于金属密封的应力松弛特性，研究其接触应力分布、有效密封宽度及密封比压的数学表达式，建立基于应力松弛的金属密封的有效性评估数学模型；研究金属密封表面的分形特征及其表征参数，揭示分形参数、密封有效宽度、接触应力、介质压力及粘度等对密封性能的影响规律，建立基于分形理论和应力松弛的金属密封泄漏数学模型，并通过试验验证。研究成果为腐蚀性介质长期带压贮存用金属密封技术的研发和工程应用提供一定的依据。

为解决腐蚀性介质长期带压贮存密封技术难题，本项目围绕金属密封应力松弛开展了一系列理论、分析、计算和试验研究工作：研究了金属密封的密封机理、力学特性及应力松弛机理，研制了金属密封的应力松弛试验装置，提出了试验方法并开展了有效试验；发展了金属密封的应力松弛有限元分析方法、应力松弛数学模型、有效性评估数学模型及界面泄漏数学模型，形成了基于应力松弛的腐蚀性介质长期贮存用金属密封的理论和试验研究体系。主要研究工作和结论如下：.（1）金属密封应力松弛试验装置及试验方法.搭建了金属密封的应力松弛试验装置和应力松弛加速试验装置，提出了试验、分析方法：设计了一种金属密封法兰连接结构应力松弛试验装置，可同时在线检测金属密封、法兰和紧固件的应力松弛数据；提出了一种金属密封应力松弛特性的分析与计算方法，能够分析得出金属密封长期使用过程中任何时间节点上的密封性能；提出了一种金属密封应力松弛加速的试验装置与分析方法，可通过金属密封较短时间内的应力松弛试验数据，分析和验证其长时期的应力松弛特性及密封性能。.（2）金属C形圈法兰密封结构应力松弛的有限元分析方法研究.提出了一种金属C形圈法兰密封结构应力松弛特性分析的有限元方法，金属C形圈法兰密封结构被作为一个整体考虑，所有组件包括金属C形圈、法兰及紧固件的应力松弛均用同一方法进行计算。该方法可有效计算密封结构任何服役时间点上的应力松弛特性，当临界密封载荷已明确的情况下，可评估密封结构的使用寿命。.（3）金属密封结构的应力松弛特性及数学模型研究.提出了一种金属密封结构的应力松弛数学模型，包括密封面接触数学模型、应力应变模型和应力松弛动力学方程；在对密封结构初始载荷状态下接触区力学参数和几何参数、金属密封圈内部结构应力和应变计算的基础上，可计算分析金属密封结构在任何时间点的剩余接触应力及密封载荷。.（4）基于车削表面微观形貌特征的金属密封泄漏模型研究.提出了车削表面金属密封径向泄漏通道和周向泄漏通道的简化模型，发展了径向泄漏模型和周向泄漏模型，得到了径向泄漏率和周向泄漏率随着接触压力的变化规律，发现随着接触压力增加，从径向泄漏向周向泄漏的转换非常明显；得出了关键微观几何参数对泄漏率的影响规律。.研究成果为金属密封的设计、加工、使用、评价等提供了有价值的理论指导、分析依据及试验支持，为解决耐腐蚀性介质长期贮存密封技术难题提供了一套较为完整的解决方案。