《武汉工程大学学报》 2017年05期
503-507
出版日期：2017-12-19
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
高温振动下聚四氟乙烯垫片的松弛与泄漏测试
螺栓法兰垫片密封结构常被用于机械、交通、石化、核能等行业， 主要由螺栓、法兰和垫片组成. 聚四氟乙烯因其拆卸方便、强度高、密封性能好等特点被广泛用作密封材料. 王明伟［1］等研究了BT20钛合金热轧棒材在不同温度和初始应力下的高温应力松弛行为. 桑聪［2］和郑小涛［3］研究柔性石墨金属波齿复合垫片在高温波动载荷下的密封性能. Bouzid A和Nechache A 等［4-5］对法兰连接进行瞬态和稳态两种条件下的热分析，采用理论分析和数值模拟方法研究其应力分布规律. Bouzid等人［6-7］提出了一种计算松弛的方法，用以评估垫片蠕变对螺栓力、垫片力松弛的影响. Alkelani等［8］系统研究了垫片蠕变对高温法兰连接系统应力松弛行为的影响. 许珊珊［9］研究了PTFE膜材的应力松弛性能及预测模型分析，通过几种常见的粘弹性本构关系模型对应力松弛曲线进行拟合对比，得出温度和拉伸速率对应力松弛特性的影响. 张红才和喻九阳［10-11］研究了25Cr2MoVA钢的应力松弛行为和高温蠕变特性. 对于聚四氟乙烯垫片在不同初始压缩量下动态应力松弛特性少有研究，特别是在高温下垫片的最大压缩量对应力松弛特性影响更是缺少研究.
1 实验部分
1.1 实验仪器
实验采用PRL50型蠕变疲劳试验机（见图1），由长春机械院设计生产. 为了实现施加试样上的载荷均匀分布，自主设计了一套垫片夹具，夹具的上下端是可拆卸的圆柱钢块，下端钢块间采用球面接触，便于在试验加载过程中自主调节试样在夹具间接触的水平度，从而实现载荷均匀分布的目的. 检测压力变化的装置如图2所示，实验开始时阀门全开，通入0.2 MPa的氦气，待达到最大载荷时，关闭阀门7，并开始记录压差计的读数.
1.2 实验方案
根据GB/T 12621—2008《管法兰用垫片应力松弛试验方法》［12］的规定和要求，实验采用电阻加热炉，加热炉有上、中、下三处电阻丝，用3根热电偶分别测量炉内电阻丝对应处位置的温度，实验加载过程中温度允许的波动范围是±2 ℃. 加载前，先通入0.2 MPa的氦气并对垫片加热至100 ℃，然后保温20 min，使试样充分达到热稳定状态后再施加轴向载荷［13］. 在变形达到设定的最大压缩量时，关闭中间的阀门，通过压差计测量压差的变化.
将垫片压缩量作为控制对象. 一般情况下高温螺栓法兰垫片连接系统会承受一定的波动载荷，而垫片的预紧力一直存在，不考虑完全卸载，只是在一定的小范围内波动. 研究了100 ℃和小幅位移控制振动条件下聚四氟乙烯垫片的应力松弛和密封性能，讨论最大压缩量分别为0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm且载荷比为0.99条件下聚四氟乙烯垫片的动态应力松弛行为及泄漏行为. 作为对比研究，测试了3种最大压缩量下的静态应力松弛行为及密封性能. 压差计测量是以载荷加载到最大点为压差测试的时间起始点. 实验参数如表1和表2所示.
2 结果与讨论
2.1 实验测试结果
操作工况下垫片的密封性能可通过高温螺栓法兰垫片连接系统压力差的变化量表征，而压差的变化量又与垫片应力有关. 通过动态和静态应力松弛试验，经数据处理得到应力时间曲线，发现应力在达到最大值后的300 s基本趋于稳定. 这里仅考虑加载到最大压缩量开始卸载的前300 s，静态应力松弛实验的应力-时间曲线如图3所示，小幅振动应力松弛实验的应力-时间曲线如图4所示，静态和动态应力松弛实验的压差-时间曲线如图5所示.
2.2 分析与讨论
操作工况下的垫片的泄漏率由垫片应力直接影响，在本试验恒变形量条件下垫片应力由垫片的应力松弛行为决定：通过应力-时间曲线可以确定垫片最大压缩变形时的压缩垫片应力[σgf]和松弛后垫片应力[σgr]，由[σgf]和[σgr]则可以确定垫片应力松弛率. 为了详细了解垫片的性能的变化规律，下面计算出垫片的应力松弛率，计算公式（1）如下：
[R=σgf/σgr×100%] （1）
式（1）中 [R]为垫片的应力松弛率，[σgf]为垫片最大压缩量时的应力，[σgr]为松弛后垫片的应力. 分别计算出在静态和小幅振动情况下的3种最大压缩量的应力松弛率如图6所示.
从图6看出在一定的加载速率和温度的条件下，动态应力松弛率随最大压缩量的增大而增大，静态应力松弛率随最大压缩量的增大缓慢减小. 说明在静态和动态下的应力松弛率都与最大压缩量有关. 由图3和图4可以看出，在初始阶段的前30 s内应力迅速的减小. 由于聚四氟乙烯是高分子线性聚合物，表现出明显的粘弹性［14］，对于应力松弛行为有指数式，对数式，Maxwell式等进行数据拟合，利于计算任意时刻的瞬时应力，其中陈艳等［15］采用了分数Maxwell模型对PTFE的应力松弛进行研究. 实验采用二次延迟函数模拟聚四氟乙烯的静态应力松弛行为，利用MATLAB软件对实验采集的应力、时间数据进行拟合静态应力松弛方程：
[σ(t)=Ace-K1t+Bce-K2t] （2）
式（2）中，[σ(t)]为垫片瞬时应力，t为时间. [K1]、[K2]、[Bc]、[Ac]均为回归系数，聚四氟乙烯垫片的回归系数及相关系数R如表3所示.
由图7和表3可知，用二次延迟函数模拟PTFE的静态应力松弛曲线有比较好的拟合效果，尤其对于应力松弛的初始阶段有比较好的拟合效果.
图3和图4明显表现出应力松弛，而动态应力松弛实验更为明显. 与材料的应力松弛曲线特征类似，应力-时间松弛曲线可分为初始阶段和稳定阶段. 在初始阶段，应力迅速的减小；随后应力以很小的速率减小. 初始阶段主要发生在达到最大载荷后5 min内. 可以看出，在静态松弛实验中，随着最大压缩量的增大，松弛率略有减小，说明适当的增大预紧力有利于密封；在动态条件下，随着最大压缩量的增加，松弛率迅速增大，说明振动对垫片的松弛有显著的影响. 图5表明动态和静态应力松弛实验都有相同的规律，在初始阶段压差的增加速率较缓慢，随后速率增大，最终达到最大速率. 高温小幅动态松弛实验测得压差大约是静态松弛实验的1.1倍. 由公式（2）及回归系数即可计算出在应力松弛过程中相应最大压缩量下任意时刻的聚四氟乙烯垫片应力. 由于最大压缩量影响垫片的静态应力松弛性能，综合考虑其他因素，可以得出它们与应力间的关系，推测同种类型的垫片在其他压缩量下垫片的性能. 同时能够大致推断出静态松弛的时间，从而为动态的应力松弛提供参考依据.
3 结 语
在100 ℃和小幅振动条件下，考虑最大压缩量对聚四氟乙烯垫片应力的影响，对聚四氟乙烯垫片进行了应力松弛和泄漏测试，得到以下结论：
1）100 ℃下聚四氟乙烯垫片的动态应力松弛率随最大压缩量的增大而增大，静态应力松弛率随最大压缩量的增大而有所减小.
2）在应力松弛实验的初始阶段，应力松弛的现象最显著，动态的应力松弛现象比静态的明显.
3）应力松弛实验前后的压差变化，动态松弛实验的压差速率比静态的松弛试验大，大约是1.1倍. 这是由于动态松弛实验材料内部的粘塑性变形增加的更快，回弹应变减小更多，导致密封性能变差，表明垫片应力仍是决定泄漏的主要因素.
4） 根据拟合的回归系数可以推测不同最大压缩量下，该类型聚四氟乙烯垫片的应力松弛性能.