双金属波齿复合垫密封内压自紧性分析及应用
陈孙艺
（茂名重力石化机械制造有限公司， 广东 茂名525024）
［摘 要］双金属波齿复合垫具有随内压增大而增强的特点，如果其特征参数和单层金属波齿复合垫相同，在设计计算上无法体现其优点。通过比较分析求得内压作用下接触宽度8～30 mm的双金属垫贴紧作用的张紧力约为单层垫最小垫片压紧力的0.23～0.50倍，由此得出，操作状态下双金属垫最小垫片压紧力、最小螺栓载荷、总轴向力与内径截面上的轴向力之差，三者均需由采用单层垫时的相应数值减去这个张紧力。据基本结构尺寸分析了双金属垫从内压获得的作用力占其密封筒体从内压获得的作用力之比，在此基础上以悬臂梁模型推导了双金属垫自由张口位移计算式，即双金属垫简化模型的数学解析模型，反映了双金属垫张口位移与内压、垫片宽度三者间的定性及定量关系。垫片宽度一定时，双金属垫张口位移与内压成正比例关系，且存在自紧密封的最低操作内压；当操作压力过低时，双金属垫的张口位移不足以弥补整体法兰的最大偏转，可能形成密封失效；内压一定时，双金属垫张口位移与垫片宽度成二次曲线关系。
［关键词］ 双金属波齿复合垫；设计；受力模型；受力分析；张口位移；自紧作用；工程应用
［中图分类号］ TQ 050.2 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2016）05-0057-05
0 引 言
垫片是换热器的重要密封元件，应用广泛。文［1］对图1所示的双金属自紧密封波齿复合垫进行介绍，介质压力升高后，会通过间隙进入两金属环间并向上下金属环施压，将介质压力传递给垫片与法兰接触面上，同步提高了操作状态下垫片的密封比压，使垫片始终能保持其良好的密封性能。类似报道见文［2，3］。
图1双金属波齿复合垫示意图
但是这些报道只是提出了一种新型垫片的工作原理，关于其力学模型及理论分析未见报道。有专家认为这种双金属垫的密封仍然是基于强制密封的原理，而业内对双金属波齿垫的认识仍然停留在基本型单层金属波齿垫上，对双金属垫具体结构细节了解不够，对其力学行为认识也尚欠缺，且工程应用中影响其密封性能的因素尚有很多值得商榷的地方，在选用双金属波齿复合垫中也有不少值得注意的地方。显然，对这些问题的研究有利于双金属波齿复合垫应用到大型高压设备中，以保证高压设备的安全运行。
由全国压力容器标准化技术委员会提出的《钢制石油化工压力容器设计规定（1985）编制说明》在第十章“密封结构设计”中强调，为保证密封面具有良好的密封性能，强制密封的必要条件是，在操作压力作用下密封面上仍能保持一定的残余压紧力；自紧密封的必要条件是，在操作压力作用下密封元件的变形必须大于连接件的变形。为了探讨双金属垫外侧焊接密封时，内压从内侧间隙进入两金属间向上下金属环施压所能起到的自紧作用，需根据自紧密封条件对其自紧性能进行力学分析。
1 双金属波齿复合垫的设计
1.1 双金属垫片密封压紧力计算
双金属垫片是在传统单金属垫片的基础上改进而来的，其设计受力分析是关键。图2（a）是双金属垫片和法兰密封面的受力简化模型。图2(b)是垫片上金属环和法兰密封面的受力模型。图2(b)中，内压pc引起的径向作用力对密封影响较小，不再显示内压在垫片内侧面的作用，且理想地假设垫片和法兰密封面之间压紧至无间隙，操作状态下内压介质不进入垫片和法兰密封面之间，只进入双金属之间，介质压力作用于垫片使两片金属张开，把内压转化为作用在上金属环底面的集中力FS，称为张开力，FS的作用位置也是一个圆，其直径大小取决于双金属的张开程度，张开越大则该力作用圆的直径越大；图中FG是窄面法兰垫片压紧力，N；Fp是操作状态下需要的最小垫片压紧力，N。
图2金属垫片受力模型
新旧结构的最小垫片压紧力比较。设垫片的两块金属环之间的有效密封宽度为b′，传统的单层金属环垫片的有效密封宽度为b，因为两块金属环之间的外侧焊在一起达到密封，所以存在b′min=0 mm直至b′max=b mm的可能；垫片实物宽度B由设计确定，不小于垫片接触宽度N，即B≥N；垫片无效密封宽度(B－b′)为介质渗入双金属之间的宽度，粗略设垫片的中径圆直径（偏大地）等于垫片压紧力作用中心圆直径DG，则张开力FS（偏大地）表达为：
更多内容详见《中氮肥》2016年第5期