蠕变松弛性能是表征密封材料最重要的性能之一（范文大全）

第一篇：蠕变松弛性能是表征密封材料最重要的性能之一

引言

蠕变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应力松弛和变形的能力，是一种瞬时的应力-应变关系，与温度、时间、初应力、密封板材厚度等多种因素有关。通常蠕变松弛越慢，则残余压缩载荷越大，密封性能越好。对于非石棉密封垫片，垫片的蠕变变形和螺栓残余载荷是最有效的质量评定指标。密封材料的一系列的寿命和使用温度预测均是建立在蠕变和松弛的基础上，而螺栓的松弛归根结底又是由垫片的蠕变引起的，因此密封垫片的蠕变行为直接影响密封材料的长期行为。

无石棉密封材料是一种多组分的复合材料，主要包括非石棉增强纤维、粘结剂(胶乳)、填料和化学助剂等组分，各组分的性质和含量均影响材料的蠕变松弛性能，因此要描述纤维增强复合材料的蠕变是较困难的。近年来，无论是无石棉密封垫片材料蠕变松驰过程的理论描述还是实验研究，国内外学者都做了大量的工作，从研究方式上可以分为：理论研究，建立蠕变过程近似模型和蠕变实验研究。理论研究

2.1 细观力学模型

复合材料在一定应力水平下的蠕变通常有3个阶段。第一阶段称为暂态阶段，该阶段应变加快，但应变率减小，趋于稳定；第二阶段，应变以几乎不变 的速率缓慢增长，这一稳态阶段一般持续时间较长，持续时间的长短主要取决于应力水平；第三阶段，材料由于损伤的积累而接近于破坏，最终导致材料蠕变断裂。关于纤维增强复合材料的蠕变理论模型，主要有Boltzmann叠加原理、Eshellby模型、自恰模型。这3种模型在分析之前都进行了大量的假设，所以在描述聚合物基复合材料的应力应变场时显得非常困难。

对于某些简单的情况，例如复合材料在蠕变过程中假设应力保持不变时，Findley提出幂次律的蠕变关系式为：

ε（ｔ）＝ε0＋Ａtn(1)其中，n为材料常数；A和ε0为与应力水平有关的两个函数；ε0表示t＝0时受载的瞬时反映。这一公式与实际复合材料的实验曲线较符合，可描述蠕变的第一和第二阶段。

但是在密封垫片的实际工作中，垫片的工作载荷是变化的，此时密封垫片的蠕变过程是复杂的，难以正确描述。对于线性粘弹性材料，Boltzmann提出表达式为：

其中，△S为蠕变柔度。因垫片材料的蠕变行为通常是非线性的，常用Schapery非线性本构关系表达式为；

此式体现了时-温效应的原理，其中，g0,g1,g2与aσ均是与应力有关反映非线性的参数。

刘文辉等运用对应的原理，通过Burgers模型代表纤维增强复合材料的粘弹性基体材料，得到了时间域中有效松弛模量和有效泊松比的表达式。许震宇等采用Riemann-Liouville形式的分数阶导数模型描述了基体的粘弹性特性，通过渐进均匀化方法给出了预测纤维加强复合材料整体本构关系的解析表达式。岳珠峰等利用压痕法研究了纤维复合材料界面对蠕变性能的影响。蔡仁良、谢苏江首次通过maxswell模型和kelvin模型的有机组合，建立了适合压缩非石棉密封板材的恒应力蠕变力学模型，通过对垫片恒应力下的蠕变分析获得了压缩非石棉板材在变应力下的蠕变松弛方程，并参照ASTM F38-95方法B进行蠕变实验验证此本构方程，实验结果和理论证明有较好的一致性。这说明垫片的蠕变松弛行为与恒应力蠕变在本质上有着密切的关系。张文举、安源胜等成功地研制出一种新型填充PTFE垫片密封材料，建立了适合该密封垫片的蠕变力学模型和蠕变方程，并利用蠕变方程进行蠕变曲线拟合分析。在整个试验时间范围内拟合方程与试验值吻合良好，能较好地反映出蠕变过程的全貌。

此外，在进行细观力学模型分析时，有人曾假定纤维增强聚合物基复合材料由单向排列的短纤维增强，并假定基体和纤维均具有蠕变特性，界面完整，复合材料总应变与基体应变相等，由此得出短纤维增强聚合物基复合材料的应力应变曲线。曲线表明，在短纤维两端基体应力与纤维应力相等；在纤维中部纤维应力远远大于基体应力，材料应变等于基体应变；在纤维端部有明显的应力集中。2.2 有限元理论模型

在计算机技术迅速发展的今天，有限元模拟比理论模型更容易准确地描述聚合物基复合材料的应力应变场。张建让、李德昌利用大型有限元分析软件ANSYS对一带颈法兰进行分析，以得到与实际情况更接近、更精确的受力模型。时黎霞、朱洪生、陆小峰运用ALGOR和ADINA有限元程序，采用轴对称模型和三维模型对真实法兰进行了稳态温度场计算和不同温度、介质压力、应力等级组合成的140种工况下的热弹性变形计算得到了工程中可方便使用的法兰变形计。实验研究

对垫片的纯蠕变已有很多实验研究。1936年Thorn讨论了垫片的蠕变效应。Bailey、Marine、Wa-ters、Fessler, Kraus等许多学者在进行螺栓法兰连接时又对垫片的蠕变进行了一定探讨。1963年Smoley等较全面地分析了垫片的蠕变松弛对螺栓法兰连接的影响，并在单个螺栓上预紧的圆柱状法兰间进行垫片压缩试验基础上，对蠕变做了很好的描述和讨论。1972年Rindera J.T.和Sze Y.给出了一些垫片纯蠕变的结果，对描述法兰连接性能和对泄漏试验的解释具有很重要的意义，但关于这些垫片的松弛性能或有关组合垫片的蠕变-松弛性能几乎没有可用的数据。1972年英国标准BS1832和1982年ASTM F38给出了垫片的蠕变松弛试验装置。它们借鉴了Smoley的试验原理，试验既不是纯蠕变也不是纯松弛。1984年Bazergui系统地研究了垫片恒应力下的短期蠕变及松弛行为，并由蠕变曲线获得了蠕变方程(式4)。Bazergui对密封垫片短期蠕变行为的研究与前苏联科学家对玻璃钢蠕变行为的研究结果完全一致。结果表明最大的蠕变行为发生在较低的应力水平，而且主要发生在开始的10一15 min。由恒垫片变形量下的应力松弛试验获得了应力松弛方程，其变化规律与蠕变完全一致。

ec＝a＋bInt(4)σ0＝C-DInt(5)其中，ec为垫片纯蠕变变形；a，b为与应力水平有关的常数；σ0为垫片的应力；C, D为与垫片初始应力相关的常数;t为时间。

Bouzid等利用该蠕变方程系统地研究了垫片蠕变松弛对螺栓法兰连接紧密度的影响。结果表明连接紧密度的下降主要是由于垫片工作一段时间引起的蠕变松弛。裘择明等采用单一的Kelvin模型确定被测材料的平均推迟时间，用适当选取各运动单元推迟时间的方法建立四参数模型，并以最小二乘法拟合求得各代定参数，获得了具有较高精度的蠕变方程。卢宝贤等探讨了按木材短时间蠕变试验曲线确定蠕变模型元件数和元件常数的方法。南京化工大学的黎霞、朱洪生、陆小峰研制了高温(500℃)垫片试验装置，并对不锈钢柔性石墨缠绕垫片进行了高温力学性能和密封性能的试验研究，找出了不同温度等级下垫片密封的基本规律并进行了对比分折，提出了能较好地表征该垫片应力松弛特性和蠕变性能的公式。结束语

近年来国内外学者对无石棉密封材料的蠕变松弛做了一定的理论和实验研究。这些研究获得了一些可以指导垫片实际应用的实验结果，但他们的理论和实验都是建立在大量假设的基础上，只能在一定的条件下近似地反映密封材料的蠕变，不能完全反映垫片在工作环境下的蠕变松弛过程。目前对密封材料的蠕变松弛理论还相当的匮乏，关于密封材料的蠕变松弛过程还没有通用的模型及本构方程，为此，在以前的研究基础上应重点研究以下两点：(1)密封材料的蠕变研究不能仅限于近似和宏观唯象研究，而应该应用细观力学方法选择合适的数学模型来描述其不规律的蠕变松弛过程，这些性能信息对于密封材料长期寿命和使用温度的预测以及对正确了解垫片密封失效的机理和指导垫片的应用是十分重要的；(2)借助有限元分析软件ANSYS强大的材料非线性分析功能，在理论分析的基础上建立有限元模型，利用软件的分析功能分析模拟密封材料的蠕变松弛过程，得出蠕变松弛与时间、温度、垫片初始应力以及无石棉纤维含量及排布等影响垫片蠕变的重要因素的关系，由此可以预测垫片的寿命。