非金屬墊片密封的壽命預測模型

1、非金屬墊片密封的壽命預測模型2021年6月第34卷第6期潤滑與密封LUBRICATIONENGINEERINGJune2021非金屬墊片密封的壽命預測模型李玉艷顧伯勤(1.南京工業(yè)大學機械與動力工程學院江蘇南京210009;2.浙江國泰密封材料股份浙江杭州311255)摘要:考慮到墊片的載荷歷程及其材料退化對密封性能的影響,依據(jù)多孔介質(zhì)泄漏模型,建立了非金屬墊片密封壽命的物理模型;對非石棉橡膠墊片密封進行了恒加速壽命試驗,確立了壽命分布模型;結(jié)合壽命試驗數(shù)據(jù)對非石棉橡膠墊片密封的壽命進行了預測,預測結(jié)果與工程實際相符.關(guān)鍵詞:墊片;密封;壽命;預測模型中圖分類號:TB42文獻標識碼:A文章編號

2、:02540150(2021)60523LifePredictionModelofNonmetallicGasketSealingLiYuyan.GuBoqinI'(1.CollegeofMechanicMandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,NanjingJiangsu210009,China;2.CathayPacking&SeMingCo.,Ltd.,HangzhouZhiang311255,China)Abstract:Consideringtheeffectofthegasketcompressiv

3、estresschangeandthedeteriorationofmaterialsonsealingperformance,thephysicalmodelforpredictingthelifeofnonmetallicgasketsealingWasbuiltaccordingtothetransfertheasbestosfibergaskets,andthelifedistributionmode1wasputforward.Accordingtothetestingdataandthepresentedmodel,thelifeofcompressednon-asbestosfi

4、bergasketsealingwaspredicted,andtheresultsaccordwiththoseofthejointsinservice.Keywords:gasket;sealing;life;predictionmodel非金屬墊片密封廣泛應用于過程工業(yè)各部門,其密封一旦失效不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失,而且會污度來講,準確預測既定工況下墊片密封的壽命,具有重要意義.目前,已有許多學者針對墊片密封壽命展開了研究,其中陳永林和袁立明在考慮墊片材料老化根底上給出了壽命計算公式,但忽略了墊片載荷的變化歷程;陸曉峰等對墊片密封作了高溫情況下變形協(xié)調(diào)分析,提出了基于高溫蠕變的墊片密封壽

5、命預測方法,但并未考慮材料劣化對壽命的影響.現(xiàn)有的壽命評價方法主要集中在理論推導和試樣數(shù)量很少的試驗研究根底上,尚未建立基于較多試驗數(shù)據(jù)并綜合考慮墊片密封特性及其壽命隨機性的壽命的劣化,在多孔介質(zhì)泄漏模型的根底上建立了墊片密封壽命的物理模型,并通過加速壽命試驗確定了壽命基金工程:國家自然科學基金工程(10872088);教育部博士點基金工程(20070291004);揚子石化公司科技開發(fā)工程.收稿日期:20211210作者簡介:李玉艷(1984一),女,碩士研究生,研究方向為流體密封與測控技術(shù).E-mail:sunnyl01sin,corn.分布模型.1非金屬墊片密封壽命的物理模型螺栓預緊載荷

6、為墊片提供了初始壓緊應力,保證了密封連接的初始緊密性.但是,墊片應力不是恒定的,隨著服役時間的延長,墊片會發(fā)生蠕變松弛,其Maxwellian7模型,采用如下動力學經(jīng)驗表達式描述引:,/一,1,or/or0=AexPlBexpfltl(1),/式中:or.為墊片初始壓緊應力;or為任意時刻t時的墊片剩余壓緊應力;A,B,C和為與溫度無關(guān)的常數(shù);T為開氏溫度;t為時間.墊片密封的泄漏通道主要由2局部組成:一是墊片材料內(nèi)部的孔隙,二是墊片外表與法蘭面接觸處的間隙.對長期服役的非金屬墊片而言,一方面,其部分組分會發(fā)生分解和氧化,導致墊片失重,密度降低,材料內(nèi)部孔隙數(shù)量增多,孔徑增大;另一方面,墊片的

7、回彈性能降低,減弱了其填充接觸面間間隙的能力,這種間隙同樣隨著服役時間的延長而增大,增多2021年第6期李玉艷等:非金屬墊片密封的壽命預測模型53退化條件下的非金屬材料,其物理性能隨時間的增加呈規(guī)律性變化j.用f()來表征孔隙的大小與數(shù)量,-廠(s)隨t的單調(diào)變化,其可用以下公式表示:)=):Dexp(一Eexp()(2)式中:D,E,F和為與溫度無關(guān)的常數(shù);t為時間.非金屬墊片材料可以近似看作是各向同性的多孔介質(zhì),介質(zhì)通過墊片的總流率,J(流率)為層流流率和分子流流率之和,即:=AL吉(ors)+A寺()】c3式中:P.和P分別為墊片兩側(cè)的介質(zhì)壓力;f為墊片的有效寬度;為介質(zhì)的動力黏度;M為

8、介質(zhì)的分子量;為墊片標準安裝應力.文獻10研究說明:壓力容器和管道的大部(1)一(3),并將流率轉(zhuǎn)化成工程上常用的體積流率,那么非金屬墊片密封泄漏率可由下式表示:L/exp(xp(一號)0_n(p.一P2)(4)式中:A,B,C,n和為回歸系數(shù).將式(4)左右兩邊取對數(shù)并考慮到實際工況作近似處理得到:lnt=0+blnlntr+clnln(10P)+d/T(5)式中:0,b,C和d為回歸系數(shù);P=p-p:.2墊片密封的壽命分布模型墊片密封在服役期間,由于外界因素干擾或自身缺陷都會造成其壽命的不確定性,因此個別試樣的實準確預測墊片工程壽命,必須明確其分布規(guī)律.表1加速壽命試驗方案和試驗結(jié)果Tah

9、】e】Testschemeandres1l】ts0fthacleratedlifetest試驗介質(zhì)壓力水試驗溫度墊片應力故障時號平/MPa水平/K水平/MPa間/h墊片密封壽命的實驗室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)都較少,程工業(yè)中影響墊片密封壽命的主要因素有溫度,墊片應力和介質(zhì)壓力¨.采用芳綸纖維增強橡膠墊片(675×4,43×1.5mm)作3應力4水平的恒加速壽命試驗,以泄漏率到達1×應用均勻設(shè)計方法制定的試驗方案,對3O個芳綸纖維增強墊片密封做了5組恒加速壽命試驗,得到了26個壽命數(shù)據(jù),相應的試驗結(jié)果如表1所示.常見的分布有正態(tài)分布,指數(shù)分布,對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分

10、布.威布爾分布具有廣泛的適應性,大量的實踐說明,但凡因某一局部失效或故障就會引起全局機能停止運行的元件,器件,設(shè)備等的壽命都可看作或近似看作滿足威布爾分布.結(jié)合專家意見,假設(shè)非金屬墊片密封的壽命滿足威布爾分布:F(t)=1一exp()t>10(6)式中:m為形狀參數(shù),m>0;71為尺度參數(shù),田>0.采用范一蒙特福特方法進行威布爾分布假設(shè)檢驗,對5組壽命分別計算范-蒙特福特統(tǒng)計量,其結(jié)果如表2所示.Table2ResultsofVanMonfforthypothesistesting試驗號t2345Fo.由表2可知,各組試驗的F值均介于R.和.之間,所以

11、不能拒絕假設(shè),即可認為該類墊片密封的壽命服從威布爾分布.加速試驗要求產(chǎn)品失效機制不變,即要求威布爾檢驗法-進行檢驗,得到統(tǒng)計量:B/C=3.33/1.04=3.21(7)取顯著性水平=0.05,查可靠性統(tǒng)計表可知(4)=9.488.由于/C<(4),所以不能拒絕假設(shè),可認為5組應力組合水平下的諸間無線性無偏估計方法得到m的近似無偏估計為:贏=1.565.3壽命預測模型確實定通過假設(shè)檢驗可知,墊片密封壽命服從尺度參數(shù)m為1.565的威布爾分布.由式(6)可得E(反)-ln/.=0+6(口)+c(p)+d()(8)式中:i為試驗序號;.,k,z分別為各組試驗中各應力的水平數(shù).采用最正

12、確線性無偏估計方法(BLUE)對式(8)潤滑與密封第34卷中的參數(shù)進行回歸.令X=123451(Or2)1()1(Or5)1(4)1()A=那么式(8)(五)=XO,0=A,.0AA,A.0A,可以表述為:由高斯.馬爾科夫定理及試驗數(shù)據(jù),BLUE為0=(X'A)X'A=(9)可得0的由此可得工況條件:35MPa,P=0.6MPa,T=298K時壽命的對數(shù)=10.41nln(0.5x10.)其平均壽命為一/1,E(T)=而廠I1+÷H,l的非石棉橡膠墊片密封連接50%左右在服役17個月后有不同程度的泄漏,這與預測結(jié)果根本吻合.4結(jié)論(1)在考慮墊片壓緊載荷歷程以及溫度和

13、時間共同作用下墊片材料退化對其密封性能影響的根底上,建立了基于多孔介質(zhì)模型的非金屬墊片密封壽命作溫度,介質(zhì)壓力,墊片應力之間的關(guān)系.(2)對30個芳綸纖維增強墊片密封做了5組恒加速壽命試驗,得到了26個壽命數(shù)據(jù),通過對這些威布爾分布.(3)結(jié)合墊片密封的物理模型和壽命分布模型,采用最正確線性無偏估計方法得到了物理模型中的回歸參數(shù),運用所建立的模型預測了非石棉墊片密封連接的壽命,預測結(jié)果符合工程實際情況.參考文獻【1】陳永林.螺栓法蘭連接系統(tǒng)可靠性研究D.南京:南京工業(yè)大學,2001.【2】袁立明.芳綸纖維橡膠基密封材料的熱氧老化研究D.南京:南京工業(yè)大學,2004.方法J.南京工業(yè)大學,200

14、2,24(4):1417.connectionsbasedoncreepanalysisisatelevatedtemperatureJ.JournalofNanjingUniversityofTechnology,2002,24(4):1417.【4】胡少波,顧伯勤.靜密封壽命的模糊綜合評判方法J.石油化工設(shè)備,2006,35(5):l518.typesealusingfuzzycomprehensivedecisionprocessJ.PetreChemicalEquipment,2006,35(5):1518.【5】SassoulasH.Ageingofmetallicgasketsfo

15、rspentfuelcasks:Centurylonglifeforecastfrom25,000一hlongexperimentsJ.NuclearEngineeringandDesign,2006,236:24112417.【6】MihaelaPaunescu.Experimentalresal-chregardinggasketsdurabilityJ.InternationalJournalofFatigue,2006,28:10811086.【7】TobolskyAV.PropertiesandStructureofPolymersM.JohnWileyandSons,1960.種表

16、示方法J.特種橡膠制品,1980,45(4):4550.vulcanizedrubberunderstressstateJ.SpecialPurposeRubberProducts,1980,45(4):4550.究J.特種橡膠制品,1997,18(1):4251.calpropeyofvulcanizateduringtheperiodofheatageingJ.SpecialPurposeRubberProducts,1997,18(1):4251.eratesthronghsealingconnectionswithnonmetallicgasketsJ.ChineseJournalofChemicalEngineering,2007,15(6):