表面粗糙度对金属平垫泄漏率的影响.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：傅磊，雷学林，章兰珠表面粗糙度对金属平垫泄漏率的影响润滑与密封，（）：，（）：基金项目：国家重点研发计划项目（）收稿日期：；修回日期：作者简介：傅磊（），男，硕士研究生，研究方向为垫片密封技术。：。通信作者：雷学林（），男，博士，副教授，研究方向为表面强化与检测技术。：。表面粗糙度对金属平垫泄漏率的影响傅 磊 雷学林 章兰珠（华东理工大学机械与动力工程学院 上海）摘要：为探究金属垫片表面形貌对泄漏率的影响，通过三维形貌仪对不同表面粗糙度的、和 金属垫片进行局部扫描，构建出真实法兰垫片的微观接触模型。在此基础上，进行静力学和计算流体力学分析，通过对流体域设置不同的边界条件，考察不同介质压力下，表面粗糙度和接触压力对泄漏率的影响。仿真结果表明：种材质的垫片均呈现表面粗糙度越大，则泄漏率越大的趋势；其中，垫片的泄漏率对表面粗糙度最为敏感，垫片的泄漏率受表面粗糙度的影响最小；当表面粗糙度一定时，施加的接触压力越大，泄漏率越低，但当接触压力达到一定值后，增大接触压力对降低泄漏率的影响将越来越小。关键词：金属垫片；表面粗糙度；泄漏率；微观形貌；微观接触模型中图分类号：（，）：，：；在压力容器技术领域，常常遇到一些介质性质和操作参数十分苛刻的工况，如强腐蚀性、放射性、超低温、超高温、高真空、超高压等，此时一般的垫片已无法满足密封要求，金属垫片往往成为首选。金属平垫是金属垫片中几何形状最简单的一种，其制造工艺简单，价格便宜。金属平垫的密封机制为：通过施加垫片预紧力，使得金属垫片与上、下法兰的径向接触面产生了一定量的塑性变形，表面材料的塑性流动填充了密封面上微观的凹凸不平，从而消除了接触面之间的泄漏通道，实现介质的密封要求。金属垫片泄漏机制与密封表面微观形貌有着重要关系。针对粗糙表面的密封泄漏问题，近些年的研究热点在于基于统计参数，构建三维粗糙表面的数学模型，进而采用流动数值分析方法，对密封结构的气密性进行研究。这种由随机分布函数生成的粗糙表面模型虽然具有物理面直观、特征参数少等优点，但难以模拟出实际加工产生的具有明显纹理的粗糙结构。任晓等人通过引入粗糙度纹理参数这一变量，使得计算机生成的模拟表面与电子扫描显微镜拍摄出的实际微观形貌十分相似，并分析了不同表面纹理方向对密封效果的影响。以上基于统计描述的方法虽然降低了建模成本，但无法就真实粗糙表面给出一个确定性的描述，影响了后续粗糙表面接触分析的准确性。得益于测量技术的进步，目前已有通过数字全息技术对金属表面形貌进行再现的实验，这种对金属表面微观形貌的测量方式具有精度高、测量装置简单、测量范围较大、被测物体不受加工方式的影响等优点。为此，本文作者利用 公司的 三维形貌仪对不同材质的金属垫片表面进行扫描，获得包含表面位置信息的 曲面模型，进而构建出相应的静力学和流体力学计算模型，并综合考察垫片表面粗糙度对金属垫片的泄漏率的影响规律，为金属垫片的制备和应用提供一定的理论指导。粗糙表面垫片模型的建立及仿真 粗糙表面垫片的扫描分析利用三维形貌仪对图 所示的不同表面粗糙度的、金属平垫进行局部扫描。种垫片均包含 种表面粗糙度（），分别为 、。垫片尺寸参数见表。图 扫描所用垫片 表 垫片尺寸参数 参数数值外径 内径 厚度 由文献可知，金属表面微观形貌主要由两部分构成：沿表面纹理方向规则分布的沟壑状缺陷及随机分布的空洞状缺陷。图 所示为 垫片表面扫描结果。可以看出，垫片的横向纹路较为清晰，形成多条横向分布的“垄沟”，即沟壑状缺陷更为显著。图 垫片表面扫描结果 图 所示为不同表面粗糙度的 垫片扫描结果。对比 种不同表面粗糙度的扫描结果，较大的垫片表面，沟壑状缺陷更密集，且不容易出现中断，而较小的垫片表面，沟壑状缺陷较为稀疏，存在着一定的空洞状缺陷。从沟壑凸起的高度上看，较大的垫片，表面起伏更大。图 不同表面粗糙度的 垫片扫描结果 图 所示为不同类型垫片表面形貌，可以看出，垫片表面粗糙度为 的表面起伏更剧烈，波峰与波谷的距离更远。年第 期傅 磊等：表面粗糙度对金属平垫泄漏率的影响 图 不同类型垫片表面形貌 静力学模型的构建因密封间隙的高度与其宽度和深度相比十分微小（相对量级达到），直接模拟整个密封面的间隙流动极其困难。为高效利用计算资源，经过多次选取和试算比较，最终确定模型尺寸为 的方形区域。图 所示为建立的 时的 垫片模型。图 时 垫片模型 静态结构仿真在实际的应用中，金属垫片与上下法兰紧密接触，通过法兰的轴向压紧，对垫片施加预紧应力，使得金属垫片表面的微凸体产生微小变形，从而达到密封的效果。考虑到垫片受力的对称性，可以取垫片的上表面与上法兰的局部接触区域构建模型。为了较好地考察垫片表面粗糙度对密封性能的影响，将法兰表面设置为光滑的平面，构建金属垫片微观接触模型。结果如图 所示。在 中将法兰材料设为结构钢，垫片材料设为非线性铜合金，将接触类型设为无摩擦接触，通过调节接触的方式使得初始接触状态为。在法兰模型上表面施加 的压力，垫片模型下表面施加固定约束，法兰模型的 个侧面施加无摩擦支撑。打开子步迭代和大变形开关。图 金属垫片微观接触模型 文中通过在 为 的 垫片模型上施加 的接触压力来研究接触压力对泄漏率的影响，通过对不同类型的垫片施加 的接触压力，来研究表面粗糙度对泄漏率的影响。变形结果图 所示为 时 垫片在不同接触压力下垫片模型的变形结果。可以看出，表面微凸体顶部区域受到应力集中作用较为明显，在发生完弹性变性后，产生不可逆转的塑性变形；其余远离接触的区域，未产生明显的变形；随着接触压力的不断增大，微凸体顶部的凸起被逐渐压平，产生变形的区域逐渐扩大。图 时 垫片在不同接触压力下垫片模型的变形 考虑到实际密封过程中垫片表面接触应力较大，分别对 种不同类型的垫片进行接触压力为 的静力学仿真，结果如图 所示。润滑与密封第 卷图 不同类型垫片模型在接触压力为 时的变形结果 粗糙表面泄漏率的数值模拟及分析 计算流体域的建立考虑到金属垫片在施加预紧力后，表面微凸体产生微量变形，垫片与法兰之间的间隙（泄漏通道）发生改变。将图、中所示的变形后的模型重新导出，提取法兰模型和垫片模型之间的流体域。流体域网格划分结果如图 所示，采用四面体网格划分，其中，整体网格尺寸为，进口及出口处网格进行了细化处理，网格尺寸为。图 网格划分 边界条件的设定通过创建不同的命名选择，对流体域设置不同的边界条件，如图 所示。计算区域的上表面为密封间隙的粗糙表面，设置为上壁面；下表面为与法兰接触的光滑平面，设置为下壁面；左、右 个面设为对称边界条件。前、后 个面分别设置为压力入口边界和压力出口边界。图 边界条件设定 计算结果及分析在 中选用基于压力的耦合算法进行数值求解。对于螺栓法兰金属垫片密封系统，密封间隙很小，尤其当间隙小于 时，通常情况下流体的流动都是不可压缩黏性流体的层流，故采用软件默认的层流模型。选取氦气作为仿真气体，在边界条件中将入口的类型设为压力进口，进口表压分别设为 、，出口表压设为。经过 步的迭代计算，绘制出了模型的压力分布云图和速度矢量云图。图 所示为模型的压力分布云图。图中，红色箭头表示介质压力进口方向，蓝色箭头表示出口方向；白色区域表示气体流动过程中存在的流动死区，即垫片与法兰紧密贴合部位。由于受微凸峰的阻拦作用，气体的泄漏通道并不规则，因而压力分布并不均匀。图 压力分布云图 图 所示为模型的速度分布云图。从图 （）中可以看出，受到微凸峰的阻碍，流动死区附近，气体流速基本为；在远离流动死区的区域，气体流速较快，自动形成多条泄漏通道。对比图 （）、（）可以看出，在不同的高度层面上，泄漏通道的截面积有较大差距，靠近法兰的界面，泄漏面积较大，更容易发生泄漏；远离法兰的界面，微凸峰的阻碍作用更显著，泄漏区域难以联通，形成有效的泄漏通道。年第 期傅 磊等：表面粗糙度对金属平垫泄漏率的影响 图 速度分布云图 ：（）；（）结果分析与验证 表面粗糙度对泄漏率的影响根据出口横截面上的速度分布积分获得流体的泄漏率，不同材料及不同表面粗糙度的垫片泄漏率随介质压力的变化如图 所示。图 不同材料及不同表面粗糙度的垫片泄漏率随介质压力的变化 从图 的整体趋势来看，随着介质压力的增大，种情况下的垫片泄漏率均呈现逐渐上升的趋势。种垫片材质中，垫片对表面粗糙度最为敏感，当介质压力为 时，粗糙度 垫片的泄漏率约为 垫片的 倍。垫片受表面粗糙度的影响最小，当介质压力为 时，粗糙度 垫片的泄漏率为 垫片的 倍。对于单一材质的垫片，均呈现表面粗糙度越大，垫片泄漏率越大的趋势。接触压力对泄漏率的影响由图 中不同接触压力下垫片模型的变形结果，可以得出接触区域的最大变形量。现将 接触压力增量下的最大变形量改变值整理后示于表 中。从表 可以看出，当接触压力较小时，由于真实接触面积较小，顶端的接触区域发生的变形量较大，泄漏通道的空间体积减少较快。后续，随着整体模型接触区域的不断增大，应力集中现象得到缓解，增加相同压力的情况下，变形量增加缓慢，泄漏的空间减少较慢。由此可以推测，当接触压力不大时，适当增加接触压力有助于提高密封效果。下面通过流体计算，验证这一推测。表 增加相同接触压力下微凸体的最大变形量差值 微观模型最大变形量差值 垫片（）图 所示为不同接触压力下垫片的泄漏率随介质压力的变化。图 不同接触压力下垫片的泄漏率随介质压力的变化 由图 可以看出，在相同的介质压力下，接触压力越大，泄漏率越低。在 的介质压力下，接触压力为 时的泄漏率约是接触压力为润滑与密封第 卷 时的 倍。随着接触压力的增大，增加相同接触压力的情况下，泄漏率的减少量逐渐减少，即当接触压力达到一定值后，再增大接触压力对整体模型泄漏率的影响越来越小。结果验证为验证模型的准确性，将计算结果与文献中实测的金属垫片泄漏率进行对比。文献中采用的实验试样是外径 ，内径 ，厚度 的 钢平垫，在尺度上与文中扫描所用的垫片较为接近。将图 中的泄漏率数据绘制成参考文献中的取自然对数后的泄漏率与压紧应力的散点图，并进行线性拟合，如图 所示。图中 为泄漏率，为接触压力，为介质压力。从图 中可以看出，取自然对数后的泄漏率与接触应力的关系近似直线，且不同压力等级下各直线的斜率差别很小，可认为相互平行，这与文献所得的结论相符。数据拟合所得的相关系数较文献中的偏小，是由于文中设置的接触应力较小，在应力较低时，弹性变形所占比例较大，造成部分数据的离散。图 不同介质压力下泄漏率与接触应力的关系 结论（）利用三维形貌仪扫描、三种不同材质的金属平垫片表面，构建出了金属垫片真实表面形貌模型。（）静力学分析表明，由于沟壑状缺陷及空洞状缺陷的存在，应力集中在微凸体的顶部接触区域，随着接触应力的不断加大，顶部的凸起被逐渐压平，产生变形的区域逐渐扩大。（）、三种垫片材质中，垫片对表面粗糙度最为敏感，当介质压力为 时，粗糙度 垫片的泄漏率约为 垫片的 倍。垫片受表面粗糙度的影响最小，当介质压力为 时，粗糙度 垫片的泄漏率为 垫片的 倍。对于单一材质的垫片，均呈现表面粗糙度越大，垫片泄漏率越大的趋势。（）对于任一垫片模型，在相同的介质压力下，接触压力越大，泄漏率越低。在 的介质压力下，接触压力为 时的泄漏率约是接触压力为 时的 倍。当接触压力达到一定值后，增大接触压力对降低泄漏率的影响将越来越小。参考文献 冯秀，顾伯勤金属垫片密封研究进展润滑与密封，（）：，（）：冯秀，顾伯勤金属垫片密封连接的泄漏率计算化工学报，（）：，（）：廖传军，满满，王洪锐，等径向受载型金属垫片法兰密封结构的力学特性研究压力容器，（）：，（）：黄晓明，姚博，许国良，等基于分形多孔介质输运的金属垫片泄漏研究华中科技大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，（）：陈辉，胡元中，王慧，等粗糙表面计算机模拟润滑与密封，（）：，（）：张国智，张之敬，金鑫，等随机粗糙表面接触特性仿真预测方法研究系统仿真学报，（）：，（）：施迅，王伟，刘焜，等微观随机粗糙表面接触有限元模型的构建与接触分析润滑与密封，（）：，（）：（下转第 页）年第 期傅 磊等：