第一篇：蠕變松弛性能是表征密封材料最重要的性能之一

引言

蠕變松弛性能是表征密封材料最重要的性能之一。它反映了密封材料抵抗應(yīng)力松弛和變形的能力，是一種瞬時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，與溫度、時間、初應(yīng)力、密封板材厚度等多種因素有關(guān)。通常蠕變松弛越慢，則殘余壓縮載荷越大，密封性能越好。對于非石棉密封墊片，墊片的蠕變變形和螺栓殘余載荷是最有效的質(zhì)量評定指標。密封材料的一系列的壽命和使用溫度預(yù)測均是建立在蠕變和松弛的基礎(chǔ)上，而螺栓的松弛歸根結(jié)底又是由墊片的蠕變引起的，因此密封墊片的蠕變行為直接影響密封材料的長期行為。

無石棉密封材料是一種多組分的復(fù)合材料，主要包括非石棉增強纖維、粘結(jié)劑(膠乳)、填料和化學(xué)助劑等組分，各組分的性質(zhì)和含量均影響材料的蠕變松弛性能，因此要描述纖維增強復(fù)合材料的蠕變是較困難的。近年來，無論是無石棉密封墊片材料蠕變松馳過程的理論描述還是實驗研究，國內(nèi)外學(xué)者都做了大量的工作，從研究方式上可以分為：理論研究，建立蠕變過程近似模型和蠕變實驗研究。理論研究

2.1 細觀力學(xué)模型

復(fù)合材料在一定應(yīng)力水平下的蠕變通常有3個階段。第一階段稱為暫態(tài)階段，該階段應(yīng)變加快，但應(yīng)變率減小，趨于穩(wěn)定；第二階段，應(yīng)變以幾乎不變 的速率緩慢增長，這一穩(wěn)態(tài)階段一般持續(xù)時間較長，持續(xù)時間的長短主要取決于應(yīng)力水平；第三階段，材料由于損傷的積累而接近于破壞，最終導(dǎo)致材料蠕變斷裂。關(guān)于纖維增強復(fù)合材料的蠕變理論模型，主要有Boltzmann疊加原理、Eshellby模型、自恰模型。這3種模型在分析之前都進行了大量的假設(shè)，所以在描述聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變場時顯得非常困難。

對于某些簡單的情況，例如復(fù)合材料在蠕變過程中假設(shè)應(yīng)力保持不變時，F(xiàn)indley提出冪次律的蠕變關(guān)系式為：

ε（ｔ）＝ε0＋Ａtn(1)其中，n為材料常數(shù)；A和ε0為與應(yīng)力水平有關(guān)的兩個函數(shù)；ε0表示t＝0時受載的瞬時反映。這一公式與實際復(fù)合材料的實驗曲線較符合，可描述蠕變的第一和第二階段。

但是在密封墊片的實際工作中，墊片的工作載荷是變化的，此時密封墊片的蠕變過程是復(fù)雜的，難以正確描述。對于線性粘彈性材料，Boltzmann提出表達式為：

其中，△S為蠕變?nèi)岫?。因墊片材料的蠕變行為通常是非線性的，常用Schapery非線性本構(gòu)關(guān)系表達式為；

此式體現(xiàn)了時-溫效應(yīng)的原理，其中，g0,g1,g2與aσ均是與應(yīng)力有關(guān)反映非線性的參數(shù)。

劉文輝等運用對應(yīng)的原理，通過Burgers模型代表纖維增強復(fù)合材料的粘彈性基體材料，得到了時間域中有效松弛模量和有效泊松比的表達式。許震宇等采用Riemann-Liouville形式的分數(shù)階導(dǎo)數(shù)模型描述了基體的粘彈性特性，通過漸進均勻化方法給出了預(yù)測纖維加強復(fù)合材料整體本構(gòu)關(guān)系的解析表達式。岳珠峰等利用壓痕法研究了纖維復(fù)合材料界面對蠕變性能的影響。蔡仁良、謝蘇江首次通過maxswell模型和kelvin模型的有機組合，建立了適合壓縮非石棉密封板材的恒應(yīng)力蠕變力學(xué)模型，通過對墊片恒應(yīng)力下的蠕變分析獲得了壓縮非石棉板材在變應(yīng)力下的蠕變松弛方程，并參照ASTM F38-95方法B進行蠕變實驗驗證此本構(gòu)方程，實驗結(jié)果和理論證明有較好的一致性。這說明墊片的蠕變松弛行為與恒應(yīng)力蠕變在本質(zhì)上有著密切的關(guān)系。張文舉、安源勝等成功地研制出一種新型填充PTFE墊片密封材料，建立了適合該密封墊片的蠕變力學(xué)模型和蠕變方程，并利用蠕變方程進行蠕變曲線擬合分析。在整個試驗時間范圍內(nèi)擬合方程與試驗值吻合良好，能較好地反映出蠕變過程的全貌。

此外，在進行細觀力學(xué)模型分析時，有人曾假定纖維增強聚合物基復(fù)合材料由單向排列的短纖維增強，并假定基體和纖維均具有蠕變特性，界面完整，復(fù)合材料總應(yīng)變與基體應(yīng)變相等，由此得出短纖維增強聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。曲線表明，在短纖維兩端基體應(yīng)力與纖維應(yīng)力相等；在纖維中部纖維應(yīng)力遠遠大于基體應(yīng)力，材料應(yīng)變等于基體應(yīng)變；在纖維端部有明顯的應(yīng)力集中。2.2 有限元理論模型

在計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天，有限元模擬比理論模型更容易準確地描述聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變場。張建讓、李德昌利用大型有限元分析軟件ANSYS對一帶頸法蘭進行分析，以得到與實際情況更接近、更精確的受力模型。時黎霞、朱洪生、陸小峰運用ALGOR和ADINA有限元程序，采用軸對稱模型和三維模型對真實法蘭進行了穩(wěn)態(tài)溫度場計算和不同溫度、介質(zhì)壓力、應(yīng)力等級組合成的140種工況下的熱彈性變形計算得到了工程中可方便使用的法蘭變形計。實驗研究

對墊片的純?nèi)渥円延泻芏鄬嶒炑芯俊?936年Thorn討論了墊片的蠕變效應(yīng)。Bailey、Marine、Wa-ters、Fessler, Kraus等許多學(xué)者在進行螺栓法蘭連接時又對墊片的蠕變進行了一定探討。1963年Smoley等較全面地分析了墊片的蠕變松弛對螺栓法蘭連接的影響，并在單個螺栓上預(yù)緊的圓柱狀法蘭間進行墊片壓縮試驗基礎(chǔ)上，對蠕變做了很好的描述和討論。1972年Rindera J.T.和Sze Y.給出了一些墊片純?nèi)渥兊慕Y(jié)果，對描述法蘭連接性能和對泄漏試驗的解釋具有很重要的意義，但關(guān)于這些墊片的松弛性能或有關(guān)組合墊片的蠕變-松弛性能幾乎沒有可用的數(shù)據(jù)。1972年英國標準BS1832和1982年ASTM F38給出了墊片的蠕變松弛試驗裝置。它們借鑒了Smoley的試驗原理，試驗既不是純?nèi)渥円膊皇羌兯沙凇?984年Bazergui系統(tǒng)地研究了墊片恒應(yīng)力下的短期蠕變及松弛行為，并由蠕變曲線獲得了蠕變方程(式4)。Bazergui對密封墊片短期蠕變行為的研究與前蘇聯(lián)科學(xué)家對玻璃鋼蠕變行為的研究結(jié)果完全一致。結(jié)果表明最大的蠕變行為發(fā)生在較低的應(yīng)力水平，而且主要發(fā)生在開始的10一15 min。由恒墊片變形量下的應(yīng)力松弛試驗獲得了應(yīng)力松弛方程，其變化規(guī)律與蠕變完全一致。

ec＝a＋bInt(4)σ0＝C-DInt(5)其中，ec為墊片純?nèi)渥冏冃?；a，b為與應(yīng)力水平有關(guān)的常數(shù)；σ0為墊片的應(yīng)力；C, D為與墊片初始應(yīng)力相關(guān)的常數(shù);t為時間。

Bouzid等利用該蠕變方程系統(tǒng)地研究了墊片蠕變松弛對螺栓法蘭連接緊密度的影響。結(jié)果表明連接緊密度的下降主要是由于墊片工作一段時間引起的蠕變松弛。裘擇明等采用單一的Kelvin模型確定被測材料的平均推遲時間，用適當(dāng)選取各運動單元推遲時間的方法建立四參數(shù)模型，并以最小二乘法擬合求得各代定參數(shù)，獲得了具有較高精度的蠕變方程。盧寶賢等探討了按木材短時間蠕變試驗曲線確定蠕變模型元件數(shù)和元件常數(shù)的方法。南京化工大學(xué)的黎霞、朱洪生、陸小峰研制了高溫(500℃)墊片試驗裝置，并對不銹鋼柔性石墨纏繞墊片進行了高溫力學(xué)性能和密封性能的試驗研究，找出了不同溫度等級下墊片密封的基本規(guī)律并進行了對比分折，提出了能較好地表征該墊片應(yīng)力松弛特性和蠕變性能的公式。結(jié)束語

近年來國內(nèi)外學(xué)者對無石棉密封材料的蠕變松弛做了一定的理論和實驗研究。這些研究獲得了一些可以指導(dǎo)墊片實際應(yīng)用的實驗結(jié)果，但他們的理論和實驗都是建立在大量假設(shè)的基礎(chǔ)上，只能在一定的條件下近似地反映密封材料的蠕變，不能完全反映墊片在工作環(huán)境下的蠕變松弛過程。目前對密封材料的蠕變松弛理論還相當(dāng)?shù)膮T乏，關(guān)于密封材料的蠕變松弛過程還沒有通用的模型及本構(gòu)方程，為此，在以前的研究基礎(chǔ)上應(yīng)重點研究以下兩點：(1)密封材料的蠕變研究不能僅限于近似和宏觀唯象研究，而應(yīng)該應(yīng)用細觀力學(xué)方法選擇合適的數(shù)學(xué)模型來描述其不規(guī)律的蠕變松弛過程，這些性能信息對于密封材料長期壽命和使用溫度的預(yù)測以及對正確了解墊片密封失效的機理和指導(dǎo)墊片的應(yīng)用是十分重要的；(2)借助有限元分析軟件ANSYS強大的材料非線性分析功能，在理論分析的基礎(chǔ)上建立有限元模型，利用軟件的分析功能分析模擬密封材料的蠕變松弛過程，得出蠕變松弛與時間、溫度、墊片初始應(yīng)力以及無石棉纖維含量及排布等影響墊片蠕變的重要因素的關(guān)系，由此可以預(yù)測墊片的壽命。