非金屬墊片密封的壽命預(yù)測(cè)模型

1、非金屬墊片密封的壽命預(yù)測(cè)模型2021年6月第34卷第6期潤(rùn)滑與密封LUBRICATIONENGINEERINGJune2021非金屬墊片密封的壽命預(yù)測(cè)模型李玉艷顧伯勤(1.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院江蘇南京210009;2.浙江國(guó)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(duì)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(duì)非石棉橡膠墊片密封進(jìn)行了恒加速壽命試驗(yàn),確立了壽命分布模型;結(jié)合壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)非石棉橡膠墊片密封的壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際相符.關(guān)鍵詞:墊片;密封;壽命;預(yù)測(cè)模型中圖分類(lèi)號(hào):TB42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)

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(yīng)用于過(guò)程工業(yè)各部門(mén),其密封一旦失效不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且會(huì)污度來(lái)講,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(xué)者針對(duì)墊片密封壽命展開(kāi)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(jì)算公式,但忽略了墊片載荷的變化歷程;陸曉峰等對(duì)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(yù)測(cè)方法,但并未考慮材料劣化對(duì)壽命的影響.現(xiàn)有的壽命評(píng)價(jià)方法主要集中在理論推導(dǎo)和試樣數(shù)量很少的試驗(yàn)研究根底上,尚未建立基于較多試驗(yàn)數(shù)據(jù)并綜合考慮墊片密封特性及其壽命隨機(jī)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(guò)加速壽命試驗(yàn)確定了壽命基金工程:國(guó)家自然科學(xué)基金工程(10872088);教育部博士點(diǎn)基金工程(20070291004);揚(yáng)子石化公司科技開(kāi)發(fā)工程.收稿日期:20211210作者簡(jiǎn)介:李玉艷(1984一),女,碩士研究生,研究方向?yàn)榱黧w密封與測(cè)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(yù)緊載荷

6、為墊片提供了初始?jí)壕o應(yīng)力,保證了密封連接的初始緊密性.但是,墊片應(yīng)力不是恒定的,隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),墊片會(huì)發(fā)生蠕變松弛,其Maxwellian7模型,采用如下動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式描述引:,/一,1,or/or0=AexPlBexpfltl(1),/式中:or.為墊片初始?jí)壕o應(yīng)力;or為任意時(shí)刻t時(shí)的墊片剩余壓緊應(yīng)力;A,B,C和為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù);T為開(kāi)氏溫度;t為時(shí)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(duì)長(zhǎng)期服役的非金屬墊片而言,一方面,其部分組分會(huì)發(fā)生分解和氧化,導(dǎo)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(shí)間的延長(zhǎng)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(yù)測(cè)模型53退化條件下的非金屬材料,其物理性能隨時(shí)間的增加呈規(guī)律性變化j.用f()來(lái)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(wú)關(guān)的常數(shù);t為時(shí)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(guò)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(dòng)力黏度;M為

8、介質(zhì)的分子量;為墊片標(biāo)準(zhǔn)安裝應(yīng)力.文獻(xiàn)10研究說(shuō)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(hào))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(duì)數(shù)并考慮到實(shí)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(huì)造成其壽命的不確定性,因此個(gè)別試樣的實(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)墊片工程壽命,必須明確其分布規(guī)律.表1加速壽命試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果Tah

9、】e】Testschemeandres1l】ts0fthacleratedlifetest試驗(yàn)介質(zhì)壓力水試驗(yàn)溫度墊片應(yīng)力故障時(shí)號(hào)平/MPa水平/K水平/MPa間/h墊片密封壽命的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)力和介質(zhì)壓力¨.采用芳綸纖維增強(qiáng)橡膠墊片(675×4,43×1.5mm)作3應(yīng)力4水平的恒加速壽命試驗(yàn),以泄漏率到達(dá)1×應(yīng)用均勻設(shè)計(jì)方法制定的試驗(yàn)方案,對(duì)3O個(gè)芳綸纖維增強(qiáng)墊片密封做了5組恒加速壽命試驗(yàn),得到了26個(gè)壽命數(shù)據(jù),相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.常見(jiàn)的分布有正態(tài)分布,指數(shù)分布,對(duì)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(yīng)性,大量的實(shí)踐說(shuō)明,但凡因某一局部失效或故障就會(huì)引起全局機(jī)能停止運(yùn)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(zhuān)家意見(jiàn),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(jìn)行威布爾分布假設(shè)檢驗(yàn),對(duì)5組壽命分別計(jì)算范-蒙特福特統(tǒng)計(jì)量,其結(jié)果如表2所示.Table2ResultsofVanMonfforthypothesistesting試驗(yàn)號(hào)t2345Fo.由表2可知,各組試驗(yàn)的F值均介于R.和.之間,所以

11、不能拒絕假設(shè),即可認(rèn)為該類(lèi)墊片密封的壽命服從威布爾分布.加速試驗(yàn)要求產(chǎn)品失效機(jī)制不變,即要求威布爾檢驗(yàn)法-進(jìn)行檢驗(yàn),得到統(tǒng)計(jì)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(jì)表可知(4)=9.488.由于/C<(4),所以不能拒絕假設(shè),可認(rèn)為5組應(yīng)力組合水平下的諸間無(wú)線性無(wú)偏估計(jì)方法得到m的近似無(wú)偏估計(jì)為:贏=1.565.3壽命預(yù)測(cè)模型確實(shí)定通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)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(yàn)序號(hào);.,k,z分別為各組試驗(yàn)中各應(yīng)力的水平數(shù).采用最正

12、確線性無(wú)偏估計(jì)方法(BLUE)對(duì)式(8)潤(rùn)滑與密封第34卷中的參數(shù)進(jìn)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(yàn)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(shí)壽命的對(duì)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(gè)月后有不同程度的泄漏,這與預(yù)測(cè)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(shí)間共同作用下墊片材料退化對(duì)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(yīng)力之間的關(guān)系.(2)對(duì)30個(gè)芳綸纖維增強(qiáng)墊片密封做了5組恒加速壽命試驗(yàn),得到了26個(gè)壽命數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)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(wú)偏估計(jì)方法得到了物理模型中的回歸參數(shù),運(yùn)用所建立的模型預(yù)測(cè)了非石棉墊片密封連接的壽命,預(yù)測(cè)結(jié)果符合工程實(shí)際情況.參考文獻(xiàn)【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(xué),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(xué),2004.方法J.南京工業(yè)大學(xué),200

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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):