柔性石墨密封垫片的研究现状及发展趋势

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国家能源局计划到2020年投运和在建总装机容量将达到1亿万千瓦，即今后十余年内平均每年都要开工建设4～5座百万千瓦级的核电机组。

在核电站的建设过程中，则需要大量的核级密封垫片，核电站生产系统的安全性、可靠性和经济性很大程度上取决于密封的有效性。由于涉及到核泄漏这种严重的具有重大影响的事故，因此核电站系统设备对密封元件的安全性和可靠性具有更加严格的要求。

核级密封垫片除了高温、高压、热疲劳的苛刻工况条件外，必须具备耐辐照、高可靠性、高寿命及核级清洁的要求，需经过压缩率、回弹率、应力松弛率及最大泄漏率等多项技术性能测试和热交变试验，才能在核电站得到应用许可。对于核安全相关系统的垫片，主要以柔性石墨复合密封垫片为主， 柔性石墨凭借其优良的化学稳定性、柔软回弹性、耐辐照性和耐高低温性，以及经过特殊设计的复合式密封结构，成功满足了核级密封的要求。

柔性石墨密封垫片现状


柔性石墨材料

柔性石墨，亦称膨胀石墨，是20世纪60年代发展起来的一种新型碳石墨材料，最早来自于1968年美国联合碳化物公司申请的专利。随着石油化工，以及核电工业的快速发展，对密封的要求也越来越苛刻。尽管石墨材料价格高昂，但凭借其一系列优异的性能，依然迎来了高速发展，成为了广受欢迎的新型非石棉密封材料。


柔性石墨优异性能

柔性石墨与天然石墨晶体结构相同， 柔性石墨继承了天然石墨本身的很多优良性能。但是，由于特殊的加工工艺， 造成柔性石墨微观结构发生改变，使柔性石墨还具有了天然石墨所没有的一些特殊性能， 其在密封以及核工业上的表现如下。

(1)耐高温性。石墨是熔点最高的元素，柔性石墨继承这一特点，最高能承受 3650℃ 的超高温。在高温时，其性能几乎不变，这正好适应了核密封的要求，核反应堆产生的温度非常高，且温度波动范围也很大，而柔性石墨则凭借可靠的高温密封性占据优势。

(2)耐腐蚀性。柔性石墨具有化学惰性，其反应活化能较高，除了一些强氧化性的硝酸、铬酸、发烟硫酸和卤素等介质外，几乎不受化学介质的腐蚀，适用于大多数酸、碱、盐，有机溶剂及水蒸气。

(3)压缩回弹性。柔性石墨具有良好的压缩回弹性能，其经化工处理生成的层间化合物，是疏松多孔的气固二相结构，相比普通石墨膨胀两百倍左右，是压缩回弹性能的重要保证。

(4)耐辐射性。在核电设备中，对放射物质的辐照量有着非常严格的要求，而柔性石墨具有稳定的晶体结构，能承受中子射线、γ射线、α射线、β射线等放射线的长期照射而不发生明显变化，所以柔性石墨成为核级密封领域的不二选择。

(5)高纯度性。核反应堆中，对纯度要求也较高，卤族元素和硫元素的含量要求在200ppm以下，而柔性石墨的纯度一般高达99%以上，因此能够适应核电工业的需要。


柔性石墨加工工艺

柔性石墨的纯度对其密封性能有着重要影响，石墨中硫元素随着时间的延长，会析出造成金属表面的腐蚀，使密封效果受到减弱，甚至可能造成完全失效，对于核电等工业，硫等元素需要严格控制，否则会对反应介质造成污染，导致整个反应装置的失效，所以国内外许多科学家都在致力于低硫或无硫柔性石墨的制备研究。

(1)低硫柔性石墨。低硫柔性石墨制备关键点在于减少主插层剂硫酸的用量，而采用有机酸及有机溶剂作为辅助插层剂，或者采用金属卤化物如三氯化铁作为辅助插层剂，这样可以有效降低柔性石墨产品的含硫量。

(2)无硫柔性石墨。无硫柔性石墨的制备则是采用不含硫的硝酸、磷酸、高氯酸或它们的混合酸作为氧化剂和插层剂，或同时使用高锰酸钾等固体氧化剂，以及甲酸、冰醋酸等有机酸作为辅助插层剂，这样即可得到百分百无硫的柔性石墨。

柔性石墨结构与类型

柔性石墨密封性能虽然很好，但也存在一些明显的弱点，如柔性石墨的多孔性、 强度低、 塑性变形，耐磨性差等，用它直接作为密封材料是不够理想的，会出现压溃，散架等情况。

因此，近年来，国内外的科研人员很多在努力研究柔性石墨复合垫片，并开发新型密封结构形式，以增强其应用范围和密封性能。当前，主要研究的复合垫片形式主要有金属石墨缠绕式垫片，金属波齿复合垫片和金属接触型石墨垫片。


金属石墨缠绕式垫片

金属石墨缠绕式垫片是柔性石墨复合垫片的典型结构之一。其本体部分是用V型、U型或W型断面的金属缠绕带与石墨缠绕带带在同一芯轴上交替层叠缠绕而成的，可分为带内环、带外环、带内外环的缠绕式垫片，分别适用于不同的法兰密封面，如表1所示。钢带主要作为支撑构架，以保证垫片的抗压强度，而石墨带则保证密封的可靠性。石墨缠绕式垫片的主要特点就是能够形成多道密封，压缩回弹性能好，而且可以通过不同结构和工艺参数的选用，适合不同的需求。


金属波齿复合垫片

柔性石墨金属波齿复合垫片主要是由是由带多道同心圆波齿的金属骨架和柔性石墨复合而成，其结构型式分为基本型、带定位环型和带隔条型，基本型垫片的结构及组成如图1所示，图中斜线处为金属骨架，网格处为柔性石墨层。金属波齿垫片骨架结构有“V”形槽、梯形槽和圆弧形槽3种，齿型可分为对齿和错齿两种形式。柔性石墨波齿复合垫片的金属骨架起主要的支撑作用，当螺栓法兰上施加预紧力，柔性石墨则被压入骨架与法兰的沟槽中，金属骨架的齿尖与法兰接触，进一步压缩时，金属骨架会产生弹性变形，柔性石墨也会进一步被压缩，从而密闭在金属与法兰之间的环形空间里。这样，就形成了金属材料和柔性石墨相结合的多重密封。

近年来，广东某有限公司又开发了一种新型双金属自密封波齿复合垫片结构，该垫片不仅保留了以往柔性石墨金属波齿复合垫片的一系列优异性能，而且具有与普通“强制密封”型垫片完全不同的“压力自密封”特性，其密封性能更为可靠。其与以往柔性石墨波齿复合垫片的主要区别就在于，双金属自密封波齿复合垫片包含两片金属骨架，通过外圆堆焊融合而形成一个整体。当压力介质进入设备或管道后，介质会渗透到双金属片的缝隙，在两金属片上产生压力，从而形成附加的垫片应力。双金属自密封波齿复合垫片典型结构见图2。



金属接触型石墨垫片

金属接触型石墨垫片是一种以高性能柔性石墨材料为核心的复合型垫片，也是柔性石墨复合垫片的最近结构形式。它是将柔性石墨放在一种专门的凹凸型的模具中加工成型后，再将该石墨环嵌放入两不锈钢环之间而制成的密封垫片。该类型垫片的设计基于金属与金属接触的原理，内外环或其中一个金属环作为限位环，典型结构如图3所示。

在规定的螺栓预紧载荷作用下，上下法兰及金属发生接触，从而限制了石墨环的进一步压缩。而金属环通过吸收所有来自管件、热震载荷等的机械应力来保障垫片的密封性能，因而使这种垫片更加适合有温度和压力波动的场合，从而为法兰接头提供可靠的密封和安全保证。这种垫片密封性能非常好，但价格昂贵，常用于核电站的核岛系统等密封要求很高的场合。

石墨垫片泄露模型

石墨密封垫片主要是与螺栓法兰连接组成系统，垫片泄漏有两种典型形式，即界面泄漏和渗透泄漏。界面泄漏是指通过密封元件与被密封件接触面间间隙的泄漏。渗透泄漏是指流体穿过密封元件本体内部孔隙的泄漏。

当前，国内外对纯石墨垫片的泄露模型研究尚不多见。现有的非金属垫片泄露模型有平行圆板、三角沟槽和多孔介质模型3种。

其中多孔介质模型认为非金属垫片材料可近似看作各向同性的多孔介质，其流道由多个弯曲的、半径大小不等的毛细管组成。气体通过多孔介质的流动状态可分为层流和分子流，其流率为层流流率和分子流流率之和。气体通过垫片的泄漏率方程为:

顾伯勤认为多孔介质的模型最符合垫片密封的情况，并且用柔性石墨缠绕垫片作为试样进行了密封性能试验，得出了不同预紧力和压差下的泄漏率，将试验数据综合进行了回归分析，得到了柔性石墨缠绕垫片的计算公式。

垫片密封模型的建立，为垫片系统泄漏率的预测提供了理论依据。但是，泄漏率的计算公式仅仅描述了流体通过特殊流道泄漏的一般规律，对于具体的密封系统，由于垫片材料、结构、密封面状况和压紧力等各不相同， 计算公式的应用十分困难。因此，有必要对常用垫片进行分类，研究不同的垫片种类所适合的不同密封模型，然后通过大量试验确定泄漏率计算公式中的各种系数。

在柔性石墨密封机理方面的研究工作也不多见，当前柔性石墨的设计研究工作多以试验的手段为主，结合工程经验，缺乏基础的理论指导。解放军理工大学王宏喜等对柔性石墨材料制作密封垫片机理进行了研究， 理论计算了柔性石墨密封垫的弹性模量，并且对法兰密封垫的结构也进行了理论计算，并用实验验证了其可靠性，得出了柔性石墨材料制作密封垫的计算方法，在一定程度为柔性石墨垫片的开发提供了方便。

结论


密封元件的性能直接影响连接结构的紧密性。现代科学和技术飞速发展，使过程工业装备日趋高参数、大型化，新的工艺不断涌现，一些传统的密封材料和结构已经不能满足对系统和装备日趋严格的紧密性要求。因而密封材料不断提高和结构研发始终是密封技术领域的研究热点。


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yuwen

谢分享柔性石墨密封垫片的研究现状及发展趋势

wuqitao0000

谢谢分享：柔性石墨密封垫片的研究现状及发展趋势

wangbonjut

谢谢分享，这个是一篇文章吧~

Foina

非常感謝你的分享..

jingfang

你的见解太棒了. 非常感謝你的分享

游来游往

感谢分享！中德密封应用应该挺广吧？