Thread Content
В начале 80-х годов были быстро разработаны новые углеродные материалы, которые сыграли ключевую роль во многих отраслях промышленности. Их считают самыми перспективными материалами в области науки о материалах XXI века. Существует четыре основных вида углеродных материалов: (1) изделия из углерода ； ⑵углеродные кашицы ； ⑶Графитовые изделия ； ⑷Специальные графитовые изделия. Эти материалы обладают уникальными свойствами, характерными как для керамики, так и для металлов, а также полимеров. С точки зрения макроструктуры они имеют волокнистую, гранулированную, мембранообразную или твердотельную форму (в основном это компактные структуры; лишь некоторые из них имеют пористую структуру, например, блоки расширенного графита). Благодаря этому у таких материалов есть еще больше особых свойств. С развитием технологий современная промышленность предъявляет к материалам все более строгие требования, такие как: устойчивость к высоким температурам, коррозии, низкая масса, стойкость к окислению, хорошие механические свойства и высокая стабильность. Пористые углеродные материалы – это углеродные материалы с различной структурой микропор. Размеры этих пор варьируются от нанометров до микрометров; микропоры размером в микрометры подходят для роста и деятельности микроорганизмов. Благодаря такой уникальной микроструктуре эти материалы обладают особыми свойствами, превосходящими свойства других материалов. Они хорошо соответствуют требованиям современных технологий. К тому же способ изготовления пористых углеродных материалов крайне прост: в качестве исходного сырья используется уголь, скорлупа кокосов, асфальт и т. д. С помощью физических и химических методов активации эти материалы преобразуются в пористые углеродные материалы. Поэтому они имеют широкое применение. В промышленном производстве пористые углеродные материалы часто используются в качестве носителей для активаторов и адсорбентов, и находят широкое применение в таких областях, как адсорбционная сепарация, электромагнитная защита и герметизация. Расширенный графит, также называемый гибким графитом, представляет собой мягкий графитовый материал микроскопической структуры, напоминающей червя. Он получается путем окисления природных графитовых листов, а затем их расширения при высоких температурах. Этот материал также называется графитовым червем (его внешний вид и структура поверхностных пор показаны на рисунках 1-1 и 1-2). Впервые он был разработан в 1963 году американской компанией United Carbonic Corporation (UCC). Производство началось в 1968 году, а на рынок продукт поступил в 1970 году. С тех пор прошло всего несколько десятилетий. Хотя исследования некоторых его свойств все еще находятся на начальной стадии, и пока не удалось раскрыть в полной мере все его выдающиеся применительные характеристики, с момента его создания он вызвал огромный интерес у исследователей. Страны всего мира соревнуются друг с другом в исследованиях и разработках экспандированного графита. Наша страна начала исследования, производство и применение материалов на основе расширяемого графита в 1978 году, однако как с технической, так и с теоретической точки зрения существует значительный разрыв с зарубежными странами. Исследования в этой области в основном направлены на улучшение структуры и свойств расширяемого графита. С ускорением процесса индустриализации в нашей стране создадутся более благоприятные условия для систематических исследований графита с высокой плотностью и его массового производства. Расширенный графит представляет собой изделие из высокочистого графита. Натуральный графит относится к шестиугольной кристаллической системе; его кристаллы имеют шестиугольную пластинчатую форму, а их агрегаты имеют лусковидную структуру. У графита характерна слоистая структура: внутри одного слоя (называемого направлением α) атомы углерода связаны между собой ковалентными связями; энергия этих связей составляет 586 кДж/моль. Между слоями же (в направлении, перпендикулярном направлению α, называемом направлением c) связи между атомами углерода являются слабыми — это ван-дер-ваальские силы; энергия таких связей составляет 16,7 кДж/моль. Такая трехмерная слоистая структура приводит к различиям в свойствах кристалла в зависимости от направления: это проявляется в анизотропии электрических, тепловых и механических свойств графита. Таким образом, поликристаллическая структура графита в виде расширенного графита также обладает этой анизотропной характеристикой, которую необходимо учитывать при анализе. Благодаря своей специальной структуре — пористой и рыхлой — расширяемый графит обладает высокой упругостью при сжатии. Поэтому он становится все более популярным материалом для создания уплотнений. Его широко используют в различных механических устройствах для создания динамических и статических уплотнений. Особенно после того, как с 90-х годов началось постепенное запрещение использования асбеста — традиционного материала для уплотнения, вызывающего рак, — использование расширяемого графита как уплотнительного материала ускорилось. За пять лет наша страна импортировала из США и Японии три последовательные производственные линии для исследований и производства этого нового типа уплотнительных материалов. Однако из-за высокого содержания серы, высокой летучести, низкой прочности графита, получаемого в ходе производства, а также устаревших технологий производства, продукция не обладает достаточной конкурентоспособностью на международном рынке. Для преодоления его недостатков — низкой прочности и склонности к окислению на воздухе — во всем мире ведутся исследования новых способов его производства, а также разрабатываются композитные изделия на основе расширенного графита. Расширенный графит сочетается с такими связующими веществами, как HB03 (или его соли), H3PO4 (или его соли), органические силаны, смолы и т. д. В некоторых случаях его также замачивают в кислотах (например, HNO3) или BaMoO3, а также в тетрафторидных растворах для повышения его стойкости к окислению при высоких температурах и смазочных свойств. Применение и развитие уплотнительных свойств расширенного графита. В конце 1960-х годов американская компания Union Carbide использовала расширенный графит в качестве уплотнительного материала, тем самым появился второй поколение уплотнительных материалов. В 1971 году Центр проектирования клапанов компании Rockwell в США с целью решения проблемы утечек в клапанах, используемых в атомной энергетике, провел сравнительные исследования различных типов уплотнительных конструкций, производимых девятью местными компаниями, на 64 предусмотренных для этого испытательных площадках. Результаты показали, что у материала из расширенного графита наилучшая герметичность. Поэтому некоторые развитые страны, такие как США, Япония и Франция, провели более глубокие исследования этого типа уплотнительных материалов. Это способствовало ускорению развития материалов на основе расширяемого графита в области уплотнения. В результате этого эти высокоэффективные и экономичные пористые углеродные материалы стали привлекать большое внимание во всем мире как средства для уплотнения. Начиная с 1978 года наша страна начала изучать материалы на основе расширяемого графита и изделия из их композитов, причем в последние годы темпы развития в этой области также очень высоки. Хуан Чжуомин и его коллеги исследовали применение гибкого графита в качестве материала для динамических уплотнений на насосах. Они доказали, что уплотнения на основе гибкого графита превосходят по эффективности уплотнения, сделанные из масляных тканей, асбестовых или резиновых материалов. Кроме того, гибкий графит обладает хорошей стойкостью к коррозии в щелочах, разбавленной и концентрированной серной кислоте, а также органических растворителях, при этом он сохраняет свою химическую стабильность ； Цзян Фан исследовал распределение давления жидкости в уплотнении с использованием графитового наполнителя, выявил влияние количества, конструкции, размеров и жесткости кольцевых наполнителей на кривую распределения давления утечки жидкости в уплотнении, а также предложил идею о том, что использование кольцевых наполнителей одинакового размера, но разной плотности, в одном и том же уплотнительном корпусе может способствовать более оптимальному распределению давления утечки жидкости ； Гу Боцин и его коллеги исследовали высокотемпературные свойства уплотнительных прокладок из гибкого графита и нержавеющей стали. Результаты экспериментов показали, что степень сжатия таких прокладок увеличивается по мере повышения температуры и напряжения сжатия. Способность прокладок к восстановлению своего первоначального размера снижается с повышением температуры. Кривые сжатия и восстановления имеют нелинейный характер. Кроме того, такие прокладки состоят из металлических и неметаллических материалов; при комнатной температуре в них также происходит крэпинг, причем степень крэпинга увеличивается с повышением температуры ； Чжоу Тиннянь и его коллеги достигли цели введения углерода в структуру слоев графита путем обработки расширенного графита, смоченного в растворе сахарозы, при высоких температурах. Это позволило улучшить прочность на сжатие материала из расширенного графита. Кроме того, было предложено использовать этот материал в качестве основы для создания композитных материалов с нержавеющей сталью; это может повысить прочность на растяжение примерно на 40% ； После нескольких лет исследований компания Henan Metallurgical Equipment Joint Venture добилась новых прорывов в технологии плоских уплотнителей на основе расширяемого графита. Благодаря этому повысилась надежность уплотнений, произошла замена старых материалов для уплотнения на более современные, что позволило повысить объем производства и сократить затраты. Как новый тип функционального углеродного материала, расширенный графит (Expanded Graphite, сокращенно EG) представляет собой пористое, рыхлое вещество червеобразной формы, получаемое путем интерлейсинга листов природного графита, их промывки, сушки и расширения при высоких температурах. Помимо превосходных свойств натурального графита, таких как устойчивость к низким и высоким температурам, коррозии и способность к самообразованию смазки, EG обладает также такими качествами, которых нет у натурального графита: мягкостью, способностью к упругому восстановлению после сжатия, адсорбционными свойствами, совместимостью с экологической средой, биосовместимостью и устойчивостью к излучению. Ещё в начале 1860-х годов Броди, подвергнув натуральный графит действию химических реагентов, таких как серная и азотная кислоты, при нагревании, обнаружил расширяемый графит. Однако его применение началось лишь спустя сто лет. С тех пор многие организации начали исследования и разработки в области расширенного графита, добившись значительных научных прорывов. С момента того, как в 1963 году компания UCC из США впервые разработала способ получения расширенного графита, этот материал привлек большое внимание ученых по всему миру благодаря своим выдающимся свойствам. Для улучшения его характеристик постепенно совершенствовались методы его производства; процесс изготовления становился все более простым, а уровень загрязнения в процессе производства — все ниже. Сейчас существует тенденция к созданию материала без загрязнений, не содержащего серы и обладающего высокой прочностью. Ниже кратко описаны несколько распространенных способов получения: (1) Метод химического окисления. Метод химического окисления является традиционным способом синтеза раздуваемого графита в промышленном производстве. Когда температура нагрева достигает примерно 100°C, окислитель с концентрированной серной кислотой смешиваются в определенных пропорциях для получения раствора окислительной кислоты. Натуральный листовой графит замачивают в этом растворе; ионы сульфат-ионов из раствора проникают между слоями графита и соединяются с атомами углерода, подвергшимися окислению. После определенного времени реакции субстрат промывают и сушат; в результате получается расширяемый графит. Далее, путем нагревания при высоких температурах, получается графит, способный к дальнейшему расширению. Однако при применении этого метода необходимо учитывать, что такие технологические факторы, как время замачивания, соотношение окислителя и вещества для интерлейсинга, количество окислителя, а также температура, при которой происходит расширение, влияют на эффективность процесса расширения. Например, слишком малое количество используемого окислителя приводит к недостаточной реакции между слоями графита, в результате чего не достигается степень окисления, необходимая для полного расширения. Однако слишком большое количество окислителя вызывает чрезмерную окислюющую действие на графит, что также препятствует достижению желаемого эффекта расширения. Уравнение реакции этого метода: (2) Электрохимический метод. Университет Цинхуа и химический завод «Гуанхуа» в городе Нангун используют электрохимический метод для производства расширяемого графита. Это позволяет не только снизить производственные затраты и уменьшить загрязнение окружающей среды, но также улучшить качество продукта. В этом методе выбранный материал в качестве вспомогательного анода сочетается с графитом для формирования анодной камеры. Затем её погружают в электролит, содержащий вещества-интеркаляторы, подаётся ток соответствующей величины. После определённого времени процесса окисления образец извлекается, промывается и сушится; в результате получается расширяемый графит. Далее, путём нагрева, он преобразуется в графит с высокой степенью расширяемости. Графит, полученный с помощью этого метода, как правило, имеет низкое содержание серы; не требуется добавление других окислителей. Для контроля хода реакции достаточно регулировать такие электрохимические параметры, как ток и напряжение. Благодаря простоте и возможности контроля этот метод позволяет осуществлять массовое производство графита. Однако у него также есть свои недостатки. Например, время реакции довольно велико, а затраты — высоки. (3) Метод замены раствора: как показано в уравнении реакции (1-1), расширенный графит, получаемый традиционным способом — химическим окислением, содержит высокое количество серы. А содержание серы влияет на срок службы материала, поэтому необходимо максимально снизить его содержание. Дун Хуэйцюань и её коллеги замачивают материал из расширяемого графита, полученный с использованием традиционных методов производства, в растворе, полученном путем смешивания щавелевой кислоты и нитратной кислоты. В результате происходит следующая реакция: можно видеть, что в результате этой реакции часть ионов щавелевой кислоты и молекул щавелевой кислоты проникают в структуру графита, заменяя при этом часть ионов сульфатной кислоты и молекул сульфатной кислоты. Таким образом снижается содержание серы в материале из расширяемого графита. (4) Добавление вставок, не являющихся сильными кислотами. Вставки, не являющиеся сильными кислотами, могут проникать между слоями графита и частично заменять сульфаты, тем самым снижая содержание серы в расширяемом графите. Ван Шэньмин и его коллеги использовали небольшое количество концентрированной серной кислоты и перманганата калия в качестве смеси окислителей, а также небольшое количество треххлористого железа в качестве добавки. Таким образом им удалось найти оптимальные условия для получения графита с низким содержанием серы. Процесс производства является простым, скорость реакции высока, уровень загрязнения окружающей среды минимален. Кроме того, такой графит обладает лучшими механическими свойствами, показателями термической стабильности и содержанием серы по сравнению с аналогичными продуктами, производимыми в других странах. Сун Кэминь и его коллеги использовали пероксид калия в качестве окислителя, а смесь концентрированной серной кислоты и пропионовой кислоты – в качестве вещества, способствующего расширению структуры графита. Таким образом им удалось получить безсерный растяжимый графит. Ф. Канг синтезировал безсерный растяжимый графит в растворе муравьиной кислоты; в слоях этого растяжимого графита присутствуют только такие элементы, как углерод, водород и кислород. После растяжения он превращается практически в чистый углерод. Этот метод представляет собой эффективный способ получения высокочистого, неагрессивного гибкого графита. Характеристики расширенного графита. Расширенный графит получают путем химической обработки природных графитовых листьев с последующим мгновенным расширением при высоких температурах. Он обладает не только отличными химическими свойствами натурального графита, но и рядом уникальных механических свойств, что делает его идеальным уплотнительным материалом с широким спектром применения и высокими уплотняющими характеристиками. Основные характеристики представлены ниже: (1) Плотность: при нагревании графитовые луски расширяются, в результате чего образуется расширенный графит с пористой микроструктурой. Его плотность при упаковке обычно составляет 0,002–0,005 г/см³, а плотность готового изделия — 0,8–1,8 г/см³. Поэтому он имеет небольшую массу и хорошие пластичные свойства ； (2) Чистота: В изделиях из расширенного графита наибольшее содержание имеет углерод; его доля может достигать примерно 98%. В некоторых специально обработанных видах расширенного графита содержание углерода может превышать 99%, что позволяет удовлетворить высокие требования к чистоте уплотнительных материалов в различных промышленных отраслях. (3) Стабильность: теоретически изделия из расширенного графита могут использоваться при температурах от -200°C до 3000°C, а в качестве уплотнительного материала — при температурах от -200°C до 800°C. Обеспечивает стойкость при низких температурах: отсутствие хрупкости и старения, а при высоких температурах — отсутствие размягчения, деформации и разложения. Кроме того, у расширяемого графита низкий коэффициент теплового расширения, что обеспечивает его лучшую стабильность и позволяет ему эффективно выполнять функцию уплотнения даже при высоких температурах и резких изменениях температуры. (4) Устойчивость к радиации: не подвергается значительным изменениям при длительном воздействии нейтронного излучения, гамма-излучения, альфа-излучения, бета-излучения и т. д. (5) Непроницаемость: Благодаря своей специальной пористой структуре у него огромная площадь поверхности, что позволяет образовываться крайне тонкими газовыми и жидкостными пленками, препятствующими проникновению среды. Он обладает хорошей непроницаемостью по отношению к многим газам и жидкостям. (6) Самосмазываемость: расширенный графит сохраняет плоскостную слоистую структуру лусок натурального графита; под действием внешних сил слои могут относительно скользить друг относительно друга, что обеспечивает самосмазку и эффективно предотвращает износ вала или штока клапана. (7) Стойкость к коррозии: растягиваемый графит обладает стабильной химической инертностью; за исключением сильных окислителей, таких как раствор азотной кислоты в концентрированной серной кислоте, нитраты, серная кислота и галогены, а также некоторых других специфических сред, он может существовать в большинстве кислотных, щелочных и солевых растворов, морской воде, паре и органических растворителях. (8) Сжимаемость и упругость: в микроструктуре изделий из расширенного графита имеется множество сжимаемых закрытых пустот; под действием внешних сил они сжимаются. В то же время из-за напряжений, возникающих в воздухе, находящемся в этих пустотах, изделия обладают высокой упругостью. (9) Гибкость: расширенный графит легкий и гибкий, его легко обрабатывать; его можно резать с помощью обычных инструментов, а также сворачивать и гнуть, что позволяет получать изделия различной формы. Исследования и достижения в области расширяемого графита и его композитных уплотнительных материалов. Расширяемый графит получается путем обработки натурального графита с использованием определенных физико-химических методов. Его микрокристаллическая структура такая же, как у обычного графита; поэтому он обладает всеми свойствами графита. Кроме того, у него большая удельная поверхность и высокая поверхностная активность. Для его формования не требуется добавление каких-либо связующих веществ, а также высокотемпературной спекания. Гранулы расширенного графита помещают в устройство с давлением, где они прессуются в длинные пластины или ленты. Затем эти пластины или ленты из расширенного графита скручиваются и формируются под давлением в формах. Таким образом можно получить различные компоненты для механических уплотнений: картонные коробки из графита, уплотнительные кольца из графита, уплотнители из расширенного графита и нержавеющей стали, а также композитные пластины с зубчатой структурой из графита. Кроме того, расширенный графит может использоваться для изготовления пластин или оборудования из графита. Однако из-за недостатка в виде более низкой механической прочности расширенного графита он сталкивается с определёнными ограничениями в некоторых областях применения, что также способствовало развитию композитных материалов на его основе. По мере ужесточения ограничений в разных странах мира на использование уплотнительных материалов, содержащих асбест, экспандированный графит и соответствующие композитные уплотнительные материалы, являющиеся высококачественными незамещаемыми асбестом материалами, обладают огромными перспективами для применения и развития, что привлекает к ним все больше внимания. Применение расширяемого графита и его композитов в уплотнениях обусловлено теми свойствами, которыми обладает сам расширяемый графит: способностью выдерживать высокие и низкие температуры, стойкостью к коррозии, непроницаемостью, а также отличной способностью к восстановлению после сжатия. Поэтому он широко используется в различных системах динамических и статических уплотнений. На основе расширяемого графита изготавливаются гибкие уплотнительные прокладки, гибкие графитовые кольца, гибкие графитовые наполнители, а также различные композиты на основе графита. Все эти материалы находят применение в системах эластичных и неэластичных уплотнений в самых разных условиях. Например, высокотемпературная герметизация трубопроводов, клапанов и фланцев оборудования в различных печах металлургической промышленности ； Устойчивые к коррозии уплотнения и уплотнения, устойчивые к излучению, в таких отраслях, как машиностроение, электроника, химия, аэрокосмическая промышленность, ядерная промышленность, нефтегазовая промышленность и химическая промышленность ； Долговечная герметизация дизельных двигателей железнодорожного транспорта, автомобилей, а также прокладок цилиндров различных дизельных двигателей и прокладок впускно-выпускных труб. На рынке в настоящее время встречаются следующие изделия из расширенного графита, как показано на рисунке ниже: существует несколько основных форм расширенного графита и его композитов: (1) уплотнительные прокладки. Расширенный графит может использоваться в качестве уплотнительных прокладок; его можно получить путем обработки листового материала или с помощью литья. Его производство довольно простое. Являясь в настоящее время широко используемыми неасбестовыми уплотнительными прокладками, как чистые графитовые прокладки, так и их композитные аналоги обеспечивают отличную уплотнительную функцию. Их можно применять для создания статической уплотненности в местах соединения фланцев на трубопроводах, клапанах, сосудах под давлением, насосах и т. д. (2) Уплотнительная прокладка из расширяемого графита – это композитная уплотнительная прокладка, получаемая путем последовательного наматывания ленты из гибкого графита на металлические ленты в форме букв V или W. Он обладает отличной стойкостью к высоким и низким температурам, а также к коррозии; его уплотняющие свойства очень хорошие. Это один из наиболее эффективных уплотнительных материалов для использования в условиях высоких температур и давления. Проведено множество экспериментальных исследований этого материала, однако исследований, связанных с численным моделированием, сделано немного. Поэтому в данной статье рассматриваются характеристики этого композитного уплотнителя в различных условиях эксплуатации. (3) Наполнители из гибкого графита. Наполнители из гибкого графита в основном получаются путем намотки гибкого графита на сердечник с последующим прессованием. В настоящее время на рынке существует множество различных типов таких наполнителей: кольца из гибкого графита, уплотнительные материалы из графита, прокладки из графита, усиленные уплотнительные материалы из графита и т. д. Они широко используются в системах статического и динамического уплотнения в различных отраслях промышленности. Тканый уплотнитель из гибкого графита представляет собой композитный материал, в котором в качестве каркаса используются волокна, а по периметру располагает слой нитей, сделанных из гибкого графита. Этот материал сохраняет основные свойства обычного графита: он не подвержен воздействию кислот и щелочей, обладает высокой прочностью при растяжении, хорошими показателями компрессии и отличной теплопроводностью. Кроме того, его легко устанавливать и демонтировать. Поэтому он является отличным уплотнительным материалом для использования в промышленных устройствах, работающих при высоких температурах и давлениях, таких как паровые двигатели и оборудование для переработки нефти. Подготовка и формовка композитных материалов на основе расширяемого графита. Уникальные превосходные свойства расширяемого графита делают его популярным среди исследователей. Однако у него есть некоторые серьезные недостатки, которые ограничивают его использование в более широком спектре приложений. Например, благодаря своей специфической структуре — пористости и рыхлости — расширенный графит обладает определенной способностью поглощать воду и масло. Если использовать чистый расширенный графит в качестве уплотнительного материала для автомобильных двигателей, это может привести к серьезным утечкам из-за поглощения воды и масла ； Расширенный графит получают путем термической обработки натурального графита; в его структуре связи между атомами осуществляются лишь за счет слабых сил Ван-дер-Ваальса, поэтому прочность его невысока ； Плохая износостойкость, отсутствие устойчивости к эрозии, поэтому его нельзя использовать в качестве уплотнительного материала для некоторых клапанов и других узлов. Поэтому поиск композитных материалов на основе гибкого графита стал основной задачей для ученых, занимающихся исследованиями экспандированного графита как в стране, так и за рубежом. Уже достигнут значительный прогресс в этой области. Композитные материалы на основе металла и расширенного графита обладают многими преимуществами по сравнению с традиционными металлическими материалами: они имеют хорошую пластичность, устойчивость к износу, способность к соединению с другими материалами, а также высокую прочность и устойчивость к абразии. Эти свойства позволяют компенсировать некоторые недостатки самого расширенного графита. Поэтому использование композитных материалов на основе металла и расширенного графита в области уплотнения очень популярно. В настоящее время существует два основных типа таких материалов: (1) Композитные уплотнительные материалы с металлической основой, также называемые усиленными графитовыми пластинами или уплотнителями высокой прочности. В качестве внутреннего усиливающего материала часто используется нержавеющая сталь 304 или 316, а также латунь. Существуют различные формы таких уплотнителей: усиленные пластины, плоские уплотнители и уплотнители с сетчатой структурой. Уплотнители на основе нержавеющей стали 304 широко используются в системах уплотнения для резервуаров под давлением, насосов, трубопроводов, клапанов, генераторов и другого оборудования. Они обладают хорошей устойчивостью к высоким и низким температурам, высокой прочностью и отличной способностью к восстановлению после сжатия. (2) Нанесение на поверхность основного материала защитного слоя из металлов всегда было самым простым и практичным способом улучшения свойств данного материала во многих отраслях. Этот метод также привлек внимание исследователей, занимающихся графитом: они наносили на поверхность гибких графитовых пластин слои хрома, молибдена, вольфрама и других металлов, в результате чего получались графитовые изделия с высокой стойкостью к коррозии и высокой прочностью. Метод довольно прост: достаточно в вакуумных условиях освободить поверхность графитовой пластины от газов, затем замочить её в растворах соответствующих солей — натрия хромата, натрия молибдата, натрия танталата и т. д. После определённого времени пластину высушивают, и таким образом получается композитный материал на основе графита с высокой гибкостью. Поскольку этот метод прост в применении, он широко используется в повседневной производственной практике. Однако способы повышения контролируемости его работы с целью экономии материалов и времени остаются направлением исследований, над которым ученые продолжают работать. Механизм герметизации прокладок и уравнения их деформации. Машины и оборудование можно разделить на две категории в зависимости от относительного движения поверхностей герметизации: статическая герметизация и динамическая герметизация. Статическая герметизация является наиболее распространенной формой герметизации в повседневной производственной практике – например, при использовании фланцев для соединения труб, резьбовых соединений, а также для герметизации корпусов и крыш сосудов под давлением. В зависимости от принципа работы статическая герметизация может быть реализована с помощью прокладок в резьбовых соединениях, самозатягивающихся устройств, прокладок в фланцевых соединениях или с использованием герметиков. Среди этих методов прокладки в резьбовых соединениях считаются наиболее распространенной формой статической герметизации. Исследования такой конструкции уплотнения сосредоточены в основном на двух аспектах: с одной стороны, это тестирование характеристик уплотнительных материалов, при этом уделяется внимание способам их изготовления, а также научной обоснованности и точности используемых экспериментальных инструментов и методов ； С другой стороны, было проведено множество исследований различных причин, приводящих к нарушению герметичности системы, а также изучены факторы, влияющие на уровень утечек для прокладок разных материалов и форм. Для предотвращения утечки жидкости основным методом является увеличение сопротивления потоку жидкости в месте уплотнения. Когда сопротивление прохождения жидкости через уплотнитель превышает разницу давлений жидкости по обе стороны от него, жидкость остается в уплотненном состоянии. Сопротивление прохождению среды через уплотнительный отверстие обусловливается давлением, оказываемым на уплотняющую поверхность. Чем больше давление на уплотняющей поверхности, тем выше сопротивление прохождению среды через уплотнительное отверстие, что способствует лучшему уплотнению. Потеря прочности. В случае потери прочности у системы соединения с болтами и фланцами необходимо провести анализ прочности для каждого из её компонентов: фланцев, болтов и прокладок. (1) Потеря прочности фланца. Выбор материала и конструктивное решение фланца напрямую влияют на его прочность. При выборе материала необходимо учитывать такие факторы, как коррозионная активность внутренней среды, допустимая температура использования материала, а также максимальное напряжение, которое он может выдерживать. Это является основными требованиями при выборе материала. При проектировании фланцев и проверке их прочности согласно стандарту GB150 прочность таких фланцев может быть гарантирована, что снижает вероятность их неисправности. (2) Потеря прочности болтов. Потеря прочности болтов во многом обусловлена следующими причинами: недостаточная прочность материала, коррозия под действием среды, деформация при высоких температурах, внутренние дефекты болтов, а также чрезмерное усилие затяжки. Из-за этих причин болты могут изгибаться или искривляться, что препятствует их функции крепления, в результате чего нарушается работоспособность соединительной конструкции. Поскольку вероятность снижения прочности болтов велика, а последствия этого серьезны, это требует особого внимания со стороны проектировщиков. (3) Потеря прочности прокладки. Прокладка является самым важным уплотнительным элементом во всей уплотненной соединении; качество её работы напрямую влияет на степень герметичности соединения. Способность прокладки к деформации и её свойства восстановления являются важными факторами, определяющими эффективность герметизации. Обычно у прокладок с высокой способностью к деформации достаточно небольшой силы затяжки болтов, чтобы заполнить неровности на поверхности соприкосновения; это способствует образованию первоначальной герметизации ； Уплотнительные прокладки с хорошими свойствами упругости легче адаптируются к колебаниям давления и температуры среды в условиях эксплуатации. Поскольку прокладки находятся в прямом контакте со средой, они также должны обладать свойствами стойкости к коррозии, ударопрочности и усталостной прочности, чтобы сохранять высокую герметичность и долгий срок службы даже при действии реальных эксплуатационных нагрузок. Неисправность уплотнения в соединениях с болтами и фланцами проявляется прежде всего в утечках. При наступлении утечек может произойти авария: в легких случаях это приводит к расточительству энергии и оборудования, что сказывается на нормальной работе производства и вызывает экономические потери; в тяжелых случаях может произойти взрыв, что приводит к человеческим жертвам и неописуемому загрязнению окружающей среды. Поэтому становится ещё более важным максимально сокращать утечки и повышать требования к герметичности систем уплотнения контейнеров, трубопроводов и т. д. Анализируя причины утечек в реальном производстве, было выявлено, что утечки жидкости в местах уплотнения обычно происходят двумя способами. Один из них — это «проникновенная утечка». Такая утечка возникает из-за того, что сам материал прокладки содержит множество капилляров; жидкость может проникать через эти капилляры. Как правило, чем выше давление в среде, тем выше температура и тем меньше вязкость среды, тем выше вероятность проникновенной утечки. Кроме того, помимо влияния свойств этих жидкостей и условий их работы, на процесс уплотнения также оказывают значительное воздействие тип конструкции уплотнительных прокладок и свойства используемых материалов. Проблемы с уплотнением чаще всего возникают при использовании неметаллических уплотнительных прокладок; это связано с тем, что в этих материалах имеется множество мелких щелей, их структура щелочная, а способность к уплотнению низкая. При оказании на него небольшого давления среда может легко просачиваться через большое количество капилляров. Как правило, можно добиться этого путем добавления определенных наполнителей в материалы этих проницаемых прокладок. Например, улучшение можно достичь путем замачивания в растворах силикатов, фосфатов и т. д., либо путем создания композитных материалов в сочетании с непроницаемыми материалами, что также способствует снижению «проникновения и утечек». Во-вторых, это «утечка на границе соприкосновения», то есть утечка между прокладкой и поверхностью фланца, при сжатии. Величина утечки в основном зависит от размера зазора между этими поверхностями. Основными причинами такой утечки являются два фактора: (1) неровность поверхности уплотнения во время обработки или недостаточная и неравномерная сила зажима, что приводит к наличию зазоров на поверхности уплотнения. (2) Между двумя сторонами уплотнительной поверхности существует разница давления или концентрации. На практике неизбежны разницы в давлении и концентрации по обе стороны от герметичной поверхности. Чтобы уменьшить утечки на этой границе, необходимо повысить точность обработки, а также правильно приложить силу к прокладкам, чтобы полностью использовать их компрессионную упругую деформацию для заполнения неровностей на герметичной поверхности. Уравнения координации деформаций в системах соединения с болтовыми фланцами в настоящее время основываются на анализе упругой прочности. Основными методами проектирования таких систем являются теория Уотерса и теория Тимосенко. Последняя более подходит для описания целостных систем соединений с фланцами, поскольку, помимо условий, учитываемых в теории Уотерса, теория Тимосенко также учитывает такие факторы, как давление среды, температура внутри и снаружи, модуль упругости материала, коэффициент линейного расширения и другие параметры, которые могут изменяться с изменением температуры и влиять на степень утечки в системе соединения. В данной статье система соединения с болтами и фланцами рассматривается как единое целое, и для её анализа используется теория Тимосенко. Основные предположения заключаются в следующем: (1) корпус фланца упрощается до формы бесконечно длинной упругой балки, а сам фланец рассматривается как кольцевая плита, которая под действием внешних моментов не выгибается, а лишь отклоняется на определенный угол; (2) фланец и болты считаются линейно-упругими элементами, не подверженными пластическому сжатию и крепучести; кроме того, не учитывается влияние отверстий для болтов на деформацию фланца ； (3) Не учитывая радиальное смещение фланца в месте его соединения с корпусом, а также напряжения, возникающие под действием внутреннего давления, предполагается, что угол поворота корпуса и фланца, а также их радиальные смещения являются одинаковыми. Выбор конструкции соединения с помощью болтов и фланцев определяется требованиями производственного процесса и условиями монтажа оборудования. В химическом оборудовании и для соединения труб чаще всего используются разъемные способы соединения, такие как резьбовое соединение, соединение с использованием втулок, фланцевое соединение и т. д. Среди них фланцевое соединение является наиболее распространенным разъемным способом соединения. Поэтому важной задачей становится изучение условий нагрузки и деформации при использовании фланцевого соединения. В зависимости от давления в среде и типа среды необходимо разумно выбирать материалы и тип конструкции фланцев, болтов и прокладок. На рисунке ниже показана общая структура соединения с использованием фланцев. Металлические зубчатые прокладки обычно изготавливаются с помощью точных токарных станков путем создания концентрических канавок на обеих поверхностях металлической нержавеющей прокладки. В зависимости от среды, в которой будет использоваться прокладка, можно выбрать графит с высокой эластичностью, PTFE, асбестофрие плиты или другие мягкие металлы для их нанесения на обе поверхности прокладки. Его также можно использовать без уплотнительного слоя, и в этом случае будет достигнут хороший уровень герметичности. Однако в условиях высокого давления он может повредить поверхность фланца. Симуляция характеристик герметичности металлических прокладок с зубчатой структурой и оптимизация их конструкции. Обзор металлических прокладок с зубчатой структурой. На практике изготовление таких прокладок крайне просто: достаточно с помощью точного токарного станка сделать на обеих поверхностях металлической нержавеющей прокладки множество концентрических канавок, что позволяет создать зубчатую металлическую структуру. Особая структура зубцов определяет механизм герметизации: под действием давления в области вершин зубцов возникает концентрация напряжений, что приводит к высоким напряжениям и формированию линейной герметизации металла. Он обеспечивает высокий уровень герметичности, является безопасным и надежным. Однако выбор материала, конструкция и процесс изготовления сильно влияют на герметичность металлических прокладок с зубчатой структурой. Кроме того, применение таких прокладок в условиях высокого давления может привести к повреждению поверхности фланца. Поэтому в современной промышленности редко используются прокладки, состоящие исключительно из металлической основы; чаще применяются композитные прокладки, созданные путем их сочетания. Такая прокладка, состоящая из металлической основы, на которую с обеих сторон наносится гибкий графит, PTFE, асбестофобные плиты или другие мягкие металлы в зависимости от типа рабочей среды, называется металлической зубчатой композитной прокладкой. В последние годы, по мере развития технологий уплотнения, свойства материалов на основе расширяемого графита становятся всё более популярными среди специалистов. Как новый тип уплотнительного материала, он постепенно заменяет асбестовые уплотнители и традиционные металлические уплотнители. Поэтому для исследователей, занимающихся разработкой металлических прокладок с зубчатым узором, создание прокладок из гибкого графита путем нанесения его на основу в виде зубчатой поверхности по верхней и нижней сторонам является очень привлекательным направлением исследований. Множество экспериментальных исследований показали, что такая композитная прокладка не только сохраняет надежность волновидной структуры традиционных зубчатых прокладок, обеспечивая многорядную герметизацию в зонах наличия острых зубцов, но и обладает свойствами графита с высокой температурной стабильностью и хорошей способностью к восстановлению после сжатия, что позволяет ей обеспечивать двойную герметизацию. Механизм герметизации такой комбинированной прокладки заключается в том, что при низком усилии предварительного зажима мягкий слой графита на поверхности прокладки вдавливается в канавки металлической рамы. Верхняя и нижняя поверхности металлической рамы не соприкасаются напрямую с фланцем, что предотвращает его повреждение. При увеличении напряжения металлическая рама деформируется эластично, в результате чего графит сжимается и оказывается в кольцевом замкнутом пространстве между поверхностями металлической рамы и фланца. Таким образом, создается двойной эффект герметизации за счёт сочетания нескольких слоев металлического материала и гибкого графита. Композитные прокладки с гибким графитовым металлическим зубчатым слоем особенно подходят для условий высоких температур и давлений, а также при периодических изменениях рабочих условий. Они широко используются в местах соединения фланцев в таких устройствах, как теплообменники, резервуары под давлением, реакторы и т. д., и являются идеальной заменой традиционным металлическим прокладкам. Структурные формы металлических зубчатых прокладок разделяются на два основных типа в зависимости от формы уплотнительной поверхности фланца: первый тип — это зубчатые прокладки с фиксирующим кольцом, предназначенные для плоских фланцев ； Во-вторых, это зубчатые прокладки без кольца фиксации, используемые для выпуклых и вогнутых фланцев. На рисунке 4-1 показана внешняя структура кольца фиксации композитной прокладки с металлическими зубцами из гибкого графита, используемой в производстве. Модель для моделирования характеристик сжатия композитных прокладок с металлическими зубчатыми элементами из гибкого графита, а также типы материалов определяются в соответствии с отраслевым стандартом химической промышленности Китая, вступившим в силу в июле 2009 года, под названием «Композитные прокладки с зубчатыми элементами для стальных трубных фланцев с покрытием» (номер стандарта: HG/T20623-2009). В данной статье используется прокладка с металлическими зубчатыми элементами размера DN80; её металлическая каркасная структура и общая конструкция показаны на рисунках 4-2 и 4-3 соответственно. Размеры стандартных прокладок приведены в таблице. В данной статье в основном исследуется влияние количества зубцов N металлической каркасы и толщины слоя графита S на механические свойства композитных прокладок при неизменном номинальном диаметре. В процессе предварительной обработки в качестве материала для металлической каркасы используется нержавеющая сталь 304; её модуль упругости составляет 2,0×10¹¹ Па, коэффициент Пуассона — 0,313, модуль сдвига — 7,45×10¹¹ Па, предел пластичности — 2,05×10⁸ Па, а плотность — 7850 кг/м³. В качестве типа элемента используется «planel83»” ； В качестве материала для защитного слоя используется расширяемый графит с плотностью 1000 кг/м³. Его модуль упругости составляет 1,0×10¹⁰ Па, коэффициент Пуассона — 0,01, модуль сдвига — 1,0×10⁷ Па, а предел прочности — 6,0×10⁷ Па. Тип элемента — «planel82». Поскольку конструкция прокладки является центрально-симметричной, напряжения в окружном направлении можно игнорировать; поэтому мы упрощаем трехмерную геометрическую модель до двумерной для анализа осевых напряжений. (1) Ячейка Plane182 и ячейка Planel82 — это двумерные сущностные ячейки с 4 узлами, предназначенные для двумерных моделей. Каждый элемент содержит 4 узла, и каждый узел имеет два степени свободы, а именно смещение вдоль осей x и y. Этот элемент может использоваться как плоский элемент (с плоским напряжением, плоским деформированием или обобщенным плоским деформированием), так и как осесимметричный элемент. Он обладает способностью к пластическому деформированию, упругости сверхвысоких напряжений, усилению напряжений под действием нагрузки, большим степеням деформации и удлинения. Кроме того, он позволяет применять формулы, сочетающие в себе факторы силы и смещения. Его можно использовать для моделирования деформации почти несжимаемых субэластичных материалов и полностью несжимаемых сверхэластичных материалов. (2) Ячейка Plane183, или Planel83, представляет собой высокоуровневую двумерную сущностную ячейку с 8 узлами, имеющую квадратичные функции смещения; она подходит для моделирования сетки нерегулярных форм. Этот элемент определяется 8 узлами, каждый из которых имеет две степени свободы в направлении. Подобно элементу PIanel82, он также может использоваться в качестве плоского и осесимметричного элемента. Обладает способностью к пластичности, деформации, упругой жесткости, большим деформациям и большим деформациям; кроме того, имеет возможность использования смешанных формул для описания связи между силой и смещением. Может использоваться для моделирования деформаций почти некомпрессибельных эластопластических материалов; поддерживает параметры начального напряжения. И предоставляют различные опции вывода на печать. При разделении на сетку учитывалась нерегулярная форма металлической конструкции; в данной работе было выбрано более простое решение — свободное разделение на сетку, при котором элементы имеют форму четырехугольников, а длина их сторон составляет 0,1 мм. В данной симуляции использовались модели прокладок различных размеров. После формирования сетки количество узлов составило примерно 20 000, а количество элементов — примерно 7 600. На рисунке 4-4 показано, как выглядит сетка элементов для композитной прокладки с зубчатой структурой: расстояние между зубцами составляет 12 единиц, толщина слоя из расширенного графита — 0,4 мм. Программа ANSYS включает в себя функции для моделирования связанных степеней свободы и уравнений ограничений, что позволяет точно описывать такие детали, как жесткие участки, шарнирные соединения некоторых конструкций, грани с симметричным относительным скольжением, периодические условия и другие специальные типы соединений между узлами. Типичные степени свободы сцепления, применяемые в части модели, включают: симметрию конструкции, формирование шарниров между двумя повторяющимися узлами, штифты, карданные соединения и скользящие соединения, что позволяет определенной части модели проявлять свойства твердого тела. В целях более точного моделирования координации деформаций композитного слоя из расширенного графита в данном разделе недостаточно использовать обычные элементы для соединения узлов. Необходимо осуществить операции с свободными параметрами на верхней поверхности этого композитного слоя; направление X следует считать основным направлением свободы.Необходимо ограничить смещения всех узлов на верхней поверхности в направлениях X и Y, чтобы обеспечить статичные свойства этой поверхности. После загрузки и решения задачи статического анализа для определения свойств конструкции, необходимо использовать многократный метод нагружения с целью получения кривой характеристик упругости композитной прокладки из графита и металла при сжатии. Во-первых, необходимо задать граничные условия для модели. В данной симуляции ограничиваются осевые свободы на нижней поверхности нижнего слоя всех моделей, то есть устанавливается условие UY=0 ； Затем на верхнюю поверхность верхнего композитного слоя прикладывается равномерная нагрузка в 60 МПа. Параметры шагов нагрузки включают время окончания каждого шага, равное 10 секундам; количество подшагов — 100; способ считывания данных — считывание результатов для каждого подшага. После этого происходит запись информации о шагах нагрузки; это обозначается как 1 ； Наконец, на верхнюю поверхность верхнего композитного слоя прикладывается нагрузка величиной 0 МПа. Параметры шага нагрузки включают установку времени окончания шага нагрузки в 20 секунд; остальные значения заданы по умолчанию. Шаг нагрузки обозначается как 2. При этом функция шага нагрузки 1 заключается в постепенном приложении нагрузки к модели, а функция шага нагрузки 2 — в процессе снятия нагрузки с модели. После установки граничных условий и шагов нагрузок можно начинать расчеты. Для решения задачи с несколькими шагами нагрузок выберите опцию «Solution—Solve—From LS Files». Для просмотра результатов расчетов в стандартном модуле постобработки ANSYS необходимо выбрать нужный шаг времени. Затем для определенного узла выбираются примерно десять шагов времени в процессе нагрузки и еще десять шагов в процессе снятия нагрузки. При этом определяются значения смещения и напряжений у данного узла на соответствующих шагах времени. На трех следующих рисунках показаны характеристики стандартной композитной прокладки из гибкого графита и металлических зубцов (P=1,0 мм) ； S=0,5 мм, N=12): карты напряжений и смещений в модели пластины в некоторые моменты времени во время нагружения и разгрузки. (1) Карта напряжений (2) Карта смещений. Поскольку степень деформации этого композитного прокладочного материала при нагрузке и снятии нагрузки очень мала, карта смещений при снятии нагрузки здесь не приводится. Из трех приведенных выше диаграмм видно, что в процессе нагружения, по мере увеличения значения нагрузки, значения напряжений и смещений в структуре прокладки также увеличиваются. В процессе разгрузки же значения напряжений в этой точке снижаются по мере уменьшения нагрузки. Это соответствует реальным законам нагружения и разгрузки. В программе для обработки результатов моделирования POST26 изменения значений напряжений в этой точке в процессе нагружения и разгрузки отображаются в виде линий. Затем значения напряжений и общего смещения для выбранных значений нагрузки вводятся в программу Origin для дальнейшей обработки. Таким образом получается кривая сжатия стандартной композитной прокладки из графита при комнатной температуре. С помощью описанного метода моделирования можно определить значения характеристик сжатия для композитных прокладок с графитовыми зубцами различного количества зубцов. Эти значения затем вводятся в программу Origin для дальнейшей обработки. Результаты обработки показаны на рисунке 4-10. Как видно, кривые сжатия стандартных композитных прокладок (с 12 зубцами) и прокладок с 10 зубцами имеют линейный характер. У прокладок со слоем графита толщиной 0,5 мм, а также у прокладок с толщиной слоя 0,4 мм и 0,6 мм кривые сжатия также имеют линейный характер. На рисунке 4-10(a) показаны характеристики напряжений при сжатии для композитных прокладок с толщиной прокладки S=0,5 мм, глубиной зубцов h=0,32 мм, при различных расстояниях между зубцами и количестве зубцов ； На рисунке 4-10(b) показаны характеристики давления при использовании композитных прокладок с шагом зубьев P=1,0 мм, количеством зубьев N=12 и глубиной зубцов h=0,32 мм, при различных толщинах прокладок (эти значения приведены для дальнейшего анализа). Расчет уровня утечки для композитных прокладок из графита и металла показывает, что величина утечки напрямую влияет на качество герметичности прокладки. В настоящее время исследования композитных прокладок с гибким графитовым металлическим зубчатым слоем в основном ограничиваются экспериментальными методами. К тому же, даже при использовании численного моделирования для оценки характеристик таких прокладок, речь идет лишь о структурных свойствах металлической основы; анализ уровня утечек у всей композитной прокладки практически не проводится с помощью численного моделирования. В данной статье для композитных прокладок, состоящих из вышеупомянутых элементов, определяется сила предварительного растяжения болтов при давлении в среде, равном соответственно 0,98 МПа, 1,568 МПа, 2,45 МПа, 4 МПа, 6 МПа и 8 МПа. Эта сила рассчитывается по следующей формуле. На этапе предварительной обработки параметры материала прокладки вводятся в соответствии с значениями сжатия и линейного снятия нагрузки, указанными на кривых напряжений для различных конструкций на рисунке 4-10. Остальные параметры, такие как выбор элементов, построение модели, граничные условия, методы нагружения и решения, остаются прежними. На рисунке ниже показаны карты напряжений для стандартных композитных прокладок из графита и металлических зубцов в десяти различных условиях работы. В любых условиях работы распределение напряжений в прокладке имеет один и тот же закон: оно неравномерно по диаметру, увеличиваясь от внутренней части к внешней ； По мере повышения давления в среде увеличивается остаточное напряжение в прокладке ； При постоянном давлении в среде остаточные напряжения в прокладке увеличиваются по мере роста предварительной нагрузки от болтов, что соответствует механическим характеристикам системы соединений с фланцами с болтовым креплением. Еще раз была проверена корректность метода численного анализа моделирования. Значения напряжений и деформаций, полученные с помощью программы ANSYS для различных режимов работы, подставляются в соответствующие формулы для расчета коэффициента утечки у гибкопластинчатых композитных прокладок с металлическими зубцами в этих режимах. Аналогичный анализ проводится и для прокладок других типов конструкций: сначала с помощью профессиональной коммерческой программы для анализа с использованием элементов сечения ANSYS вычисляются значения напряжений и деформаций в различных режимах работы, после чего они подставляются в уравнения, описывающие коэффициент утечки для пористых материалов, чтобы определить соответствующий коэффициент утечки. В заключение значения коэффициентов утечки уплотнительных прокладок для различных моделей, использованных в расчетах, при десяти условиях работы, были введены в программу обработки данных Origin для сравнительного анализа. Результаты обработки представлены на рисунке 4-12. На рисунке (а) показано сравнение уровней утечки для композитных прокладок с толщиной прокладочного слоя S=0,5 мм и глубиной зубцов h=0,32 мм; при этом различается расстояние между зубцами и количество зубцов. Сравнение проводится при различном давлении в среде ； На рисунке (b) показано сравнение уровней утечки для композитных прокладок с толщиной прокладки S=0,5 мм и глубиной зубцов h=0,32 мм; при этом различается расстояние между зубцами и количество зубцов. Сравнение проводится при давлении в среде 2,45 МПа и различных значениях предварительной натяжения болтов ； На рисунке (C) показано сравнение уровня утечки у композитных прокладок с шагом зубцов P == 1,0 мм и количеством зубцов N = 12 при различных толщинах слоя расположенного сверху графита, в условиях различного давления в среде ； На рисунке показано сравнение уровней утечки при различных значениях предварительной натяжения болтов при давлении в среде 2,45 МПа; шаг зубьев составляет P=1,0 мм, а количество зубьев — N=12. Данные приведены исключительно для последующего численного анализа. Как видно из рисунка (а), давление в среде оказывает одинаковое влияние на свойства композитных прокладок с металлическими зубьями разного количества зубьев; то есть по мере увеличения давления в среде уровень утечки у всех таких прокладок повышается ； При одинаковом давлении в среде уровень утечки у композитных прокладок с количеством зубцов N=10 является наименьшим, тогда как у стандартных композитных прокладок (N=12) уровень утечки — наибольшим. Как видно из рисунка (b), влияние предварительной растягивающей силы болта на свойства композитных прокладок из графита с разным количеством зубцов также остается одинаковым: по мере увеличения предварительной растягивающей силы болта уровень утечки во всех композитных прокладках снижается ； При одинаковом усилии предварительного растяжения болтов наименьший уровень утечки наблюдается у композитных прокладок с количеством зубцов N=10, тогда как у стандартных композитных прокладок (N=12) уровень утечки остается самым высоким. Из обзорных диаграмм (а) и (б) можно сделать вывод. Для гибких графитово-металлических прокладок DN8 стандартная металлическая каркасная конструкция не является наилучшей; наименьший уровень утечек, а значит и лучшие характеристики герметичности, достигаются у прокладок, спроектированных при толщине прокладки S=0,5 мм, глубине зубцов h=0,32 мм, расстоянии между зубцами p=1,0 мм и количестве зубцов N=10. Влияние давления в среде на композитные прокладки из графита с различными покрытиями из расширяемого графита является одинаковым: по мере увеличения давления в среде уровень утечек в таких композитных прокладках также повышается ； При одинаковом давлении в среде минимальным уровнем утечки обладают композитные прокладки с покрытием из расширенного графита; максимальный уровень утечки при этом по-прежнему соответствует значению для стандартных композитных прокладок. Как видно из рисунка (d), влияние предварительной растяжки болтов на свойства композитных прокладок с зубчатыми поверхностями, покрытыми различными слоями графита, также остается одинаковым. То есть по мере увеличения предварительной растяжки болтов уровень утечек в таких композитных прокладках снижается независимо от типа используемого слоя графита ； При одинаковом усилии предварительного растяжения болтов наименьший уровень утечки наблюдается у композитных прокладок с толщиной слоя из расширенного графита S=0,4 мм; при этом у композитных прокладок со стандартной толщиной S=0,5 мм уровень утечки остается наивысшим. Из рисунков (c) и (d) следует, что для гибкого графитового металлического композитного прокладочного материала DN80 минимальный уровень утечек достигается при толщине прокладки S=0,4 мм, глубине зубцов h=0,32 мм, расстоянии между зубцами P=1,0 мм и количестве зубцов N=12. Таким образом, достигается оптимизация структуры прокладки. В данной статье рассматривается композитная прокладка, состоящая из экспандированного графита и металлических зубцов, которая в настоящее время привлекает значительное внимание исследователей. Такие прокладки получают путем использования металлической волнообразной основы, на которую наносится слой расширяемого графита определенной толщины. Они обладают преимуществами металлической основы — высокой прочностью и надежностью — а также хорошими свойствами расширяемого графита: способностью к упругому восстановлению после сжатия и стойкостью к высоким и низким температурам. Благодаря этому они обеспечивают двойную герметизацию и широко используются в конструкциях герметизации различного оборудования. В настоящее время анализ таких прокладок в основном ограничивается экспериментальными исследованиями; численных моделирований практически не проводится. Поэтому в данной работе для численного анализа характеристик герметичности таких прокладок был использован программный инструмент ANSYS, что позволило оптимизировать их структуру. Среди сделанных выводов: (1) в процессе нагружения по мере увеличения значения нагрузки показатели напряжений и смещений в конструкции прокладки также увеличиваются; в процессе разгрузки же значение напряжений в этом узле снижается по мере уменьшения нагрузки, что соответствует фактическим законам нагружения и разгрузки ； (2) При толщине защитного слоя из расширенного графита 0,5 мм кривые сжатия стандартных композитных прокладок (с 12 зубцами) и композитных прокладок с 10 зубцами близки к линейным ； (3) При количестве зубьев металлической рамы, равном 12, кривые характеристик сжатия стандартных прокладок (S=0,5 мм) и композитных прокладок с толщиной защитного слоя 0,4 мм и 0,6 мм имеют приблизительно линейный характер ； (4) При толщине защитного слоя из расширенного графита 0,5 мм у композитных прокладок с количеством зубцов N=10 уровень утечки минимален, в то время как у стандартных композитных прокладок (N=12) уровень утечки является максимальным ； (5) При количестве зубьев металлической рамы, равном 12, у композитных прокладок с покрытием из расширенного графита значение уровня утечки минимально; максимальное значение уровня утечки при этом остается на уровне, характерном для стандартных композитных прокладок.