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A principios de la década de 1980, se desarrollaron rápidamente nuevos materiales de carbono que desempeñaron un papel vital en muchas producciones industriales. Se les conoce como los materiales con mayor valor de investigación en el campo de la ciencia de materiales en el siglo XXI. Hay cuatro tipos comunes de materiales de carbono:: (1) Productos de carbono ； ⑵pasta de carbono ； ⑶Productos de grafito ； ⑷Productos especiales de grafito. Estos materiales tienen las propiedades especiales de la cerámica, los metales y los materiales poliméricos. Desde una perspectiva macroscópica, son fibrosos, granulares, diáfanos y masivos (la mayoría son cuerpos densos, algunos cuerpos porosos, como: Bloque de grafito expandido) y otras estructuras tridimensionales, bidimensionales y de baja dimensión, por lo que tienen propiedades más especiales. Con el avance y el desarrollo de la ciencia y la tecnología, los campos industriales modernos han impuesto requisitos más estrictos para los materiales, como: Resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, peso ligero, resistencia a la oxidación, buenas propiedades mecánicas, alta estabilidad, etc. Los materiales de carbono porosos se refieren a materiales de carbono con diferentes estructuras de microporos. El tamaño de sus poros varía desde poros superfinos nanométricos hasta poros de tamaño micrométrico que solo son adecuados para la proliferación y actividad microbiana. Esta microestructura única le confiere propiedades especiales que son superiores a otros materiales y responde bien a los requisitos de la tecnología moderna. Además, el método de preparación de materiales de carbono porosos es extremadamente sencillo. Como precursores se utilizan carbón, cáscaras de coco, asfalto, etc., que pueden convertirse en materiales de carbono ricos en poros mediante métodos de activación física y química, por lo que tienen una amplia aplicabilidad. En la producción industrial, los materiales de carbono porosos se utilizan a menudo como portadores de activadores y adsorbentes, y se utilizan ampliamente en la separación por adsorción, el blindaje electromagnético, el sellado y otros campos. El grafito expandido, también conocido como grafito flexible, es un material de grafito blando con una forma microscópica como un gusano, que se prepara mediante el tratamiento de oxidación de escamas de grafito natural y luego la expansión a alta temperatura. También se le llama gusano de grafito (las imágenes SEM de su apariencia y estructura de poros superficiales se muestran en la Figura 1-1 y la Figura 1-2). Fue desarrollado con éxito por primera vez por la American Union Carbide Corporation (UCC) en 1963, producido en 1968 y comercializado en 1970. Tiene sólo unas pocas décadas de historia. Aunque la investigación sobre algunas de sus características aún se encuentra en etapa exploratoria y aún no se han demostrado todas sus excelentes propiedades de aplicación, ha despertado un gran interés entre los investigadores desde su exitoso desarrollo. Países de todo el mundo compiten para invertir en la investigación y el desarrollo de grafito expandido. Mi país comenzó a investigar, producir y aplicar materiales de grafito expandido en 1978, pero existe una gran brecha con los países extranjeros, tanto técnica como teóricamente. Su investigación tiene como objetivo principal mejorar la estructura y el rendimiento del grafito expandido. Con la aceleración del proceso de industrialización de mi país, seguramente proporcionará una mejor base de desarrollo para la investigación sistemática y la producción a gran escala de grafito expandido. El grafito expandido es un producto de grafito de alta pureza. El grafito natural pertenece al sistema cristalino hexagonal. Los cristales tienen forma de placas y escamas hexagonales. Los agregados tienen forma de escamas y una estructura típica en capas. Los enlaces covalentes se forman entre átomos de carbono en la misma capa (llamada dirección α). La energía de enlace es 586 KJ/mol, y entre capas (la dirección perpendicular a α, llamada dirección c), combinada con una fuerza débil de van der Waals, la energía de enlace es 16,7 KJ/mol. Esta disposición ordenada tridimensional en capas provoca diferencias estructurales en la dirección de la capa y la dirección entre capas de la estructura cristalina, lo que a su vez hace que el cristal de grafito tenga características anisotrópicas, como la anisotropía de las propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas. Por lo tanto, el grafito expandido, una estructura policristalina de grafito, también tiene esta característica anisotrópica, que debe considerarse durante el análisis. La estructura especial suelta y porosa del grafito expandido lo hace altamente compresible y resistente. Se ha convertido en un nuevo material de sellado cada vez más popular y se utiliza ampliamente en sellos dinámicos y estáticos de diversos dispositivos mecánicos, especialmente en los países desarrollados. * * Desde la década de 1990, el amianto, un carcinógeno tradicional para los sellados, está prohibido, lo que ha acelerado la aplicación de materiales de sellado de grafito expandido. En cinco años, mi país ha introducido tres líneas de producción continua desde Estados Unidos y Japón para invertir en investigación y producción de este nuevo material de sellado. Sin embargo, debido al alto contenido de azufre, la alta volatilidad, la baja resistencia y la tecnología de producción atrasada del grafito expandido producido, el producto no es muy competitivo en el mercado internacional. Para superar su debilidad de baja resistencia y fácil oxidación en el aire, se están estudiando internacionalmente nuevos métodos de preparación y productos compuestos de grafito expandido. El grafito expandido se combina con HB03 (o sales), H3PO4 (o sales), silicio orgánico, resina y otros adhesivos. Algunos también están empapados en ácido (o BaMoO3), líquido de PTFE, etc. para mejorar su lubricidad y resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Aplicación y desarrollo del rendimiento de sellado con grafito expandido A finales de la década de 1960, American Union Carbide Company utilizó grafito expandido para fabricar materiales de sellado, dando origen así a la segunda generación de materiales de sellado. En 1971, para resolver el problema de las fugas de las válvulas de energía atómica, el Centro de Diseño de Ingeniería de Válvulas de Rockwell en los Estados Unidos llevó a cabo un estudio comparativo de varios tipos de estructuras de sellado producidas por nueve empresas nacionales en 64 lugares de prueba preestablecidos. Los resultados muestran que el material de grafito expandido tiene el mejor efecto de sellado. Por lo tanto, algunos desarrollaron * * Estados Unidos, Japón, Francia, etc. han llevado a cabo investigaciones más profundas sobre este material de sellado, acelerando el desarrollo de materiales de grafito expandido en el campo de los sellados, haciendo de este nuevo material de carbono poroso altamente eficiente y que ahorra energía un material de sellado que ha atraído mucha atención en el mundo. Mi país recién ha comenzado a estudiar materiales de grafito expandido y productos compuestos desde 1978, y se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Huang Zhuoming et al. estudió la aplicación de grafito flexible en sellos dinámicos de bombas y demostró que los sellos de empaque de grafito flexible son mejores que los velos sumergidos en aceite, los sellos de empaque de asbesto y los sellos de empaque de caucho, y que el grafito flexible es resistente a la corrosión y tiene buena estabilidad química en álcali, ácido sulfúrico diluido, ácido sulfúrico concentrado y solventes orgánicos. ； Jiang Fang estudió la distribución de la presión del fluido en sellos de empaque de grafito expandido y concluyó la influencia del número, estructura, tamaño y rigidez de los anillos de empaque en la curva de distribución de presión de fuga de fluido de todo el sello del empaque. También propuso que el uso de anillos de empaque de las mismas especificaciones con diferentes densidades ensamblados en el mismo prensaestopas puede hacer que la distribución de la presión de fuga de fluido sea más razonable. ； Gu Boqin et al. Estudió el rendimiento a altas temperaturas de las juntas flexibles en espiral de grafito de acero inoxidable. Los resultados experimentales muestran que la cantidad de compresión aumenta con el aumento de la temperatura de prueba y la tensión de compresión de la junta. La energía de rebote de la junta disminuye con el aumento de la temperatura. Su curva de rebote de compresión no es lineal ni conservadora. Además, este tipo de junta se compone de metal y no metal. La fluencia también ocurre a temperatura ambiente y la cantidad de fluencia aumenta con el aumento de la temperatura. ； Zhou Tingnian y otros utilizaron grafito expandido impregnado con una solución acuosa de sacarosa para lograr la carburación en la estructura de la capa intermedia de grafito mediante un tratamiento a alta temperatura. Mejoraron el rendimiento de compresión del material de grafito expandido y propusieron que el material carburizado se usara como matriz y luego se combinara con alambre de acero inoxidable para hacer un material compuesto tipo sándwich que podría aumentar la resistencia a la tracción en aproximadamente un 40%. ； Después de varios años de investigación, Henan Metallurgical Equipment Associated Company ha logrado nuevos avances en la tecnología de cuerpos de sellado planos de grafito expandido, que ha mejorado la confiabilidad del sellado, logró el reemplazo de materiales de sellado de alta temperatura y logró el propósito de aumentar la producción y el ahorro. Como nuevo tipo de material de carbono funcional, el grafito expandido (EG) es una sustancia parecida a un gusano suelta y porosa que se obtiene intercalando, lavando, secando y expandiendo a alta temperatura escamas de grafito natural. Además de las excelentes propiedades del grafito natural, como resistencia al calor y al frío, resistencia a la corrosión y autolubricación, EG también tiene propiedades como suavidad, resistencia a la compresión, adsorción, coordinación del entorno ecológico, biocompatibilidad y resistencia a la radiación que el grafito natural no tiene. Ya a principios de la década de 1860, Brodie descubrió el grafito expandido calentando grafito natural con reactivos químicos como el ácido sulfúrico y el ácido nítrico. Sin embargo, su aplicación no se inició hasta cien años después. Desde entonces, muchos * * La investigación y el desarrollo del grafito expandido se han llevado a cabo uno tras otro y se han logrado importantes avances científicos. Desde que Union Carbide Corporation (UCC) desarrolló con éxito el método de preparación del grafito expandido en los Estados Unidos en 1963, el grafito expandido ha atraído una amplia atención de académicos nacionales y extranjeros por sus excelentes propiedades. Para reflejar y mejorar su rendimiento, se ha ido mejorando paulatinamente su método de preparación. El proceso de preparación se ha vuelto cada vez más simple y la contaminación generada durante el proceso de preparación es cada vez menor. Se está desarrollando en la dirección de ser libre de contaminación, libre de azufre y de alta resistencia. A continuación se presentan brevemente varios métodos de preparación comúnmente utilizados: (1) Método de oxidación química El método de oxidación química es un método tradicional para sintetizar químicamente grafito expandible en el proceso de producción industrial. Cuando la temperatura de calentamiento alcanza aproximadamente 100°C, el oxidante y el ácido sulfúrico concentrado se mezclan en una solución de ácido oxidante en una cierta proporción, y el grafito en escamas natural se empapa en la solución preparada, de modo que los iones de sulfato en la solución se insertan en las capas de grafito y se combinan con los átomos de carbono oxidados. Después de un período de reacción, se lava y se seca para obtener grafito expandible, que luego se expande a alta temperatura para obtener grafito expandido. Sin embargo, al aplicar este método, se debe tener en cuenta que el tiempo de remojo, la proporción de oxidante a agente de intercalación, la cantidad de oxidante y la temperatura utilizada durante la expansión afectarán el efecto de expansión. como: Si la cantidad de oxidante utilizada es demasiado pequeña, la reacción entre capas del grafito será insuficiente y no se alcanzará el grado de oxidación necesario para una expansión completa. Sin embargo, si la cantidad es demasiado grande, el grafito se oxidará excesivamente y no se logrará el efecto de expansión esperado. La ecuación de reacción de este método es: (2) Método electroquímico La Universidad de Tsinghua y la fábrica química Nangong Guanghua utilizan métodos electroquímicos para producir grafito expandible, lo que no solo reduce los costos de producción y la contaminación ambiental, sino que también mejora la calidad del producto. Este método consiste en combinar el material del ánodo auxiliar seleccionado con grafito para formar una cámara de ánodo y luego sumergirlo en un electrolito que contiene un agente de intercalación, pasar una corriente adecuada y sacarlo después de oxidarse durante un cierto período de tiempo. Después del lavado y secado, se fabrica grafito expandible y luego se expande a alta temperatura para producir material de grafito expandido. El grafito expandido producido mediante este método tiene generalmente un bajo contenido de azufre. No es necesario añadir otros oxidantes. La reacción se puede controlar ajustando parámetros electroquímicos como la corriente y el voltaje. Este método es simple y controlable, lo que permite sintetizar grafito expandido en grandes cantidades. Sin embargo, también tiene deficiencias. Por ejemplo, la reacción tarda más y el coste es mayor. (3) Método de reemplazo de líquido de remojo Como se muestra en la ecuación de reacción (1-1), se puede ver que el grafito expandido producido por el proceso tradicional, es decir, el método de oxidación química, contiene un alto contenido de azufre, y el contenido de azufre afectará la vida útil del material, por lo que el contenido de azufre en el material debe reducirse tanto como sea posible. Dun Huijuan y otros empaparon el material de grafito expandible preparado con tecnología tradicional en una solución mezclada con ácido oxálico y ácido nítrico, y se produjo la siguiente reacción: Se puede observar que después de la reacción anterior, parte de los iones ácidos y moléculas de ácido oxálico se insertan en el grafito, reemplazando parte de los iones sulfato y moléculas de sulfato, por lo que * * Se reduce el contenido de azufre del material de grafito expandible. (4) Agregar agentes intercalantes de ácidos no fuertes Los agentes intercalantes de ácidos no fuertes en las capas de grafito pueden reemplazar parcialmente el ácido sulfúrico, reduciendo así el contenido de azufre del grafito expandible. Wang Shenmin et al. utilizaron una pequeña cantidad de ácido sulfúrico concentrado y permanganato de potasio como oxidantes mixtos y una pequeña cantidad de cloruro férrico como agente intercalante para encontrar las condiciones ideales para preparar grafito expandible con bajo contenido de azufre. El proceso de preparación es simple, la velocidad de reacción es rápida y la contaminación ambiental es pequeña. Sus propiedades mecánicas, tasa de pérdida de peso térmica y contenido de azufre son superiores a productos similares nacionales y extranjeros. Song Kemin et al. utilizó permanganato de potasio como oxidante y una mezcla de ácido concentrado y ácido propiónico como agente intercalante para preparar grafito expandible sin azufre. F·Kang sintetizó grafito expandible sin azufre en una solución de ácido fórmico. Este grafito expandible solo contiene carbono, hidrógeno, oxígeno y otros elementos entre las capas. Después de la expansión, se convierte en material de carbono casi puro. Este método proporciona un método viable para fabricar grafito flexible no corrosivo de alta pureza. Rendimiento del grafito expandido El grafito expandido está hecho de escamas de grafito natural que se tratan químicamente y se modifican mediante expansión instantánea a altas temperaturas. No solo tiene las excelentes propiedades químicas del grafito natural, sino que también tiene propiedades mecánicas más singulares. Actualmente es un material de sellado ideal con una amplia gama de aplicaciones y buen rendimiento de sellado. La actuación principal se presenta de la siguiente manera.: (1)Densidad: Después de que las escamas de grafito se expanden a altas temperaturas, se produce grafito expandido con una microestructura suelta y porosa. Su densidad aparente es generalmente de 0,002~0,005 g/cm3, y la densidad del producto terminado es de 0,8~1,8 g/cm3, por lo que es más liviano y tiene mejor plasticidad. ； (2) Pureza: Los productos de grafito expandido contienen la mayor cantidad de elemento carbono y el contenido de carbono fijo puede alcanzar aproximadamente el 98%. El contenido de carbono de algunos materiales de grafito expandido especialmente tratados puede superar el 99%, lo que puede cumplir con los requisitos de alta pureza de los sellos en muchos sectores industriales. (3)Estabilidad: En teoría, los productos de grafito expandido se pueden usar a -200 ℃ ~ 3000 ℃, y como rellenos selladores se pueden usar de manera segura a -200 ℃ ~ 800 ℃. Puede garantizar que no se vuelva quebradizo ni envejezca a bajas temperaturas y que no se ablande, deforme ni se descomponga a altas temperaturas. Además, el grafito expandido también tiene un coeficiente de expansión térmica más pequeño, lo que lo hace más estable y capaz de sellar bien bajo altas temperaturas y cambios drásticos de temperatura. (4)Radiorresistencia: No se producirán cambios significativos bajo una exposición prolongada a rayos de neutrones, rayos gamma, rayos alfa, rayos beta, etc. (5)Impermeabilidad: La estructura especial suelta y porosa hace que su superficie sea muy grande y es fácil formar películas de gas y líquido extremadamente delgadas para evitar la penetración del medio. Tiene buena impermeabilidad a muchos gases y líquidos. (6)Propiedad autolubricante: El grafito expandido aún mantiene la estructura de capas planas de las escamas de grafito natural. Bajo la acción de una fuerza externa, las capas planas se deslizan fácilmente entre sí para producir autolubricación, evitando eficazmente el desgaste del eje o del vástago de la válvula. (7) Resistencia a la corrosión: el grafito expandido tiene una inercia química estable. Además de algunos medios específicos, como oxidantes fuertes como agua regia, ácido nítrico, ácido sulfúrico y halógeno, puede adaptarse a la mayoría de los ácidos, álcalis, soluciones salinas, agua de mar, disolventes orgánicos de vapor y otros medios. (8) Compresibilidad y resiliencia: Los productos de grafito expandido tienen muchos pequeños espacios comprimibles cerrados microscópicamente, que pueden comprimirse mediante fuerza externa. Al mismo tiempo, tienen buena resiliencia debido a la tensión que genera el aire en los pequeños huecos. (9)Suavidad: El grafito expandido es liviano y suave, fácil de procesar, se puede cortar con herramientas comunes, se puede enrollar y doblar a voluntad y tiene muchas formas terminadas. Investigación y progreso del grafito expandido y sus materiales de sellado compuestos El grafito expandido se obtiene procesando grafito natural mediante ciertos métodos físicos y químicos. Su estructura cristalina microscópica es la misma que la del grafito ordinario, por lo que tiene todas las propiedades del grafito. También tiene una gran superficie específica y una alta actividad superficial. Se puede prensar y formar sin añadir ningún agente de asentimiento ni sinterización a alta temperatura. Las partículas de grafito expandido se presionan en tiras o tiras largas en un dispositivo presurizado, y luego estas tiras o tiras largas de grafito expandido se enrollan y se prensan en un molde para formar cajas de cartón de grafito flexible, anillos de empaque de grafito flexible, láminas de bobinado de acero inoxidable de grafito expandido, láminas compuestas corrugadas de grafito expandido y otros tipos de sellos mecánicos. Al mismo tiempo, el grafito expandido también se puede convertir en placas o equipos de grafito. Sin embargo, debido a la baja resistencia mecánica del grafito expandido, estará sujeto a ciertas restricciones en determinados campos de aplicación, lo que también ha acelerado el desarrollo de sus materiales compuestos. A medida que los países de todo el mundo tienen restricciones cada vez más estrictas sobre los materiales de sellado que contienen amianto, el grafito expandido y sus materiales de sellado compuestos, como material sin amianto con excelente rendimiento, tienen perspectivas de aplicación y desarrollo extremadamente altas, atrayendo cada vez más atención. La aplicación del grafito expandido y sus materiales compuestos en el sellado. Debido a la resistencia a altas y bajas temperaturas, resistencia a la corrosión, impermeabilidad y excelente resistencia a la compresión del propio grafito expandido, se usa ampliamente en sellos dinámicos y sellos estáticos en diversas ocasiones. Las juntas de sellado de grafito flexible puro, los anillos de grafito flexible, los rellenos trenzados de grafito flexible y diversos materiales compuestos de grafito flexible preparados como una matriz se han utilizado ampliamente en sistemas de sellado elástico y no elástico en varias ocasiones. Por ejemplo, sellado a alta temperatura de tuberías, puertas anchas y bridas de equipos de diversos hornos en la industria metalúrgica. ； Sellos de vela resistentes a la corrosión y sellos resistentes a la radiación en maquinaria, electrónica, química, industria aeroespacial, industria nuclear, petróleo, industria química y otras industrias. ； Sellado de larga duración de motores de combustión interna de ferrocarriles, automóviles y diversas juntas de cilindros de motores de combustión interna, juntas de tubos de admisión y escape, etc. Los productos comunes de grafito expandido actualmente en el mercado se muestran en la siguiente figura.: Las principales formas de grafito expandido y sus materiales compuestos son las siguientes: (1) Junta de sellado. Como junta de sellado estática, el grafito expandido se puede perforar a partir de láminas o en forma de moldeo, y su preparación es relativamente sencilla. Como junta de sellado sin asbesto que se usa ampliamente actualmente, ya sea una junta de grafito flexible puro o su junta compuesta, puede desempeñar un muy buen papel de sellado y puede usarse ampliamente para el sellado estático en juntas de bridas como tuberías, válvulas, recipientes a presión, bombas, etc. (2) Junta enrollada de grafito expandido La junta enrollada de grafito expandido es una junta de sellado compuesta hecha de tiras de grafito flexibles y tiras de metal en forma de V o W. Tiene excelente resistencia a altas y bajas temperaturas, resistencia a la corrosión y buen efecto de sellado. Actualmente es uno de los materiales de sellado más eficaces en condiciones de trabajo de alta temperatura y alta presión. Hay muchos estudios experimentales al respecto, pero pocos estudios sobre simulación numérica. Por lo tanto, este artículo optó por realizar una investigación del rendimiento de esta junta compuesta en diferentes condiciones de trabajo. (3) Relleno de grafito flexible El relleno de grafito flexible está hecho principalmente de relleno de grafito flexible enrollado alrededor de un mandril y moldeado. Actualmente, existen muchos tipos estructurales de relleno de grafito flexible en el mercado, incluidos anillos de relleno de grafito flexible, empaquetaduras de grafito flexible, almohadillas de relleno de grafito, empaquetaduras de grafito reforzado y otros productos, que se utilizan ampliamente en sistemas de sellado dinámicos y estáticos en diversas industrias. El relleno trenzado de grafito flexible es un material compuesto hecho de fibras como esqueleto y una capa de alambres de grafito flexibles en la periferia. Básicamente mantiene las características originales del grafito expandido y no se ve afectado por ácidos y bases. Tiene alta resistencia a la tracción, buen rendimiento de compresión, buena conductividad térmica y es fácil de montar y desmontar. Es el material de sellado preferido para sectores industriales como motores de vapor de alta temperatura y alta presión y equipos de refinación y refinación de petróleo. Preparación y formación de materiales compuestos de grafito expandido Las propiedades únicas y excelentes del grafito expandido lo hacen popular entre los investigadores, pero sus debilidades inherentes que no pueden ignorarse también limitan su aplicación en un rango más amplio. Por ejemplo, la estructura especial suelta y porosa del grafito expandido hace que absorba agua y aceite hasta cierto punto. Si se utiliza grafito expandido puro como material de sellado de juntas para automóviles, provocará fugas graves debido a la absorción de agua y aceite. ； El grafito expandido se obtiene mediante el tratamiento a alta temperatura del grafito natural. Su enlace interno depende únicamente de fuerzas débiles de Van der Waals, por lo que su fuerza es baja. ； Tiene poca resistencia al desgaste y no es resistente a la erosión, por lo que no puede usarse directamente como material de sellado para algunos molinos y válvulas. Por lo tanto, la búsqueda de materiales compuestos de grafito flexibles se ha convertido en la principal dirección de los investigadores nacionales y extranjeros que participan en la investigación ampliada del grafito, y se han logrado grandes avances. Materiales compuestos de grafito expandido con metal. Muchos materiales metálicos tradicionales tienen buena plasticidad, propiedades primarias, propiedades de unión, resistencia a las velas, etc., y su alta rigidez y buena resistencia a la erosión son muy efectivas para compensar algunas de las debilidades de los propios materiales de grafito expandido puro. Por lo tanto, la fabricación de materiales compuestos de grafito expandido con metal es muy popular en la industria del sellado. Actualmente, existen los siguientes dos tipos.: (1) Las láminas compuestas de grafito expandido sujetas con metal también se denominan láminas de plástico de grafito reforzado o juntas de grafito de alta resistencia. Los materiales de refuerzo de la capa interna comúnmente utilizados incluyen acero inoxidable 304, 316 o hojalata, etc., en forma de refuerzo de placa sprint, refuerzo de placa plana, refuerzo de placa de malla, etc. El grafito reforzado 304 se usa ampliamente en el sistema de sellado de recipientes a presión, bombas, tuberías, válvulas, generadores y otros equipos. Tiene buena resistencia a altas y bajas temperaturas, alta resistencia y buena resistencia a la compresión. (2) El tipo de metal ferrita recubre la superficie del material base con una película protectora. Este siempre ha sido el método más simple y práctico utilizado en muchas industrias para mejorar el rendimiento de los materiales colectivos. Naturalmente, ha atraído el interés de los investigadores del grafito expandido. Al recubrir una capa de cromo, molibdeno, tungsteno y otros metales sobre la superficie de láminas de grafito flexibles, han desarrollado muchos productos de grafito especiales resistentes a la corrosión y de alta resistencia. El método es muy sencillo. Solo necesita desgasificar la superficie de la placa de grafito en condiciones de vacío, luego remojar la placa de grafito con las soluciones salinas correspondientes, como cromato de sodio, molibdato de sodio y tungstato de sodio, y secarla después de un cierto período de tiempo para obtener un material compuesto de grafito flexible. Debido a que este método es simple y operable, también es relativamente común en la producción diaria. Sin embargo, cómo mejorar la controlabilidad de su desempeño y lograr el efecto de ahorrar materiales y tiempo sigue siendo una dirección de investigación científica que los investigadores se esfuerzan por avanzar. Mecanismo de sellado de juntas y ecuación de deformación Los equipos mecánicos se pueden dividir en sellado estático y sellado dinámico según el movimiento relativo de la superficie de sellado. El sellado estático es una forma de sellado comúnmente utilizada en la producción diaria, como bridas de tuberías, conexiones roscadas, recipientes y cubiertas a presión, etc. Según el principio de funcionamiento, el sellado estático se puede dividir en sellos de junta de conexión de brida atornillada, sellos autoajustables, sellos de junta de conexión roscada y sellos selladores. Entre ellos, los sellos de junta de conexión de brida atornillada son actualmente la forma de sellado estático más utilizada. Los trabajos de investigación sobre esta estructura de sellado se centran principalmente en dos aspectos:: Por un lado, se trata de pruebas de rendimiento de materiales de sellado, centrándose en los métodos de preparación de materiales y la cientificidad y precisión de los instrumentos y métodos experimentales. ； Por otro lado, se han realizado muchos trabajos de análisis sobre diversas causas de fallos de sellado del sistema. Para juntas de diferentes materiales y diferentes formas, los factores que afectan sus tasas de fuga se han estudiado por separado. Para evitar fugas de fluido, el método básico utilizado es aumentar la resistencia al flujo de fluido en el puerto de sellado. Cuando la resistencia del medio que pasa a través del puerto de sellado es mayor que la diferencia de presión entre los medios en ambos lados del puerto de sellado, el medio está sellado. La resistencia del medio a pasar a través del puerto de sellado se logra mediante la presión específica ejercida sobre la superficie de presión. Cuanto mayor sea la presión específica de sellado que actúa sobre la superficie de presión, mayor será la resistencia del medio para pasar a través del puerto de sellado y más propicio para el sellado. Fallo por resistencia Para el sistema de conexión de brida atornillada, si se produce el fallo por resistencia, el análisis de resistencia debe realizarse por separado para la brida, los pernos y las juntas que la constituyen. (1) Falla por resistencia de la brida La selección del material y el diseño estructural de la brida afectan directamente su resistencia. Al seleccionar materiales, se deben considerar plenamente factores como la corrosividad del medio interno, la temperatura aplicable del material y la tensión máxima que puede soportar. Este es el requisito básico para la selección de materiales. El diseño estructural y la comprobación de resistencia de la brida se llevan a cabo según GB150. Básicamente se puede garantizar la resistencia de la brida diseñada de esta manera y se reduce la probabilidad de falla por resistencia de la brida. (2) Fallo por fuerza de los pernos El fallo por fuerza de los pernos se debe en gran medida a las siguientes razones: Resistencia insuficiente del material, corrosión del medio, relajación por fluencia a alta temperatura, defectos internos de los pernos y fuerza excesiva de preapriete. Por estas razones, los pernos están doblados o retorcidos y no pueden apretarse, lo que provoca la falla de la estructura de conexión. Debido a que la probabilidad de que falle la resistencia del perno es alta y el impacto es grande, los diseñadores deben prestarle mucha atención. (3) Falla en la resistencia de la junta La junta es el elemento de sellado más importante en toda la conexión sellada y su desempeño afecta directamente la estanqueidad de la estructura de la conexión. La capacidad de deformación y las características de rebote de la junta son factores importantes que determinan su efecto de sellado. Por lo general, las juntas con gran capacidad de deformación requieren una fuerza de preapriete de pernos muy pequeña para llenar los espacios irregulares en la superficie de presión, formando fácilmente un sello inicial. ； Es más probable que las juntas con mejores características de rebote se adapten a las fluctuaciones causadas por la presión interna y la temperatura del medio en condiciones de funcionamiento. Y debido a que la junta está en contacto directo con el medio, también debe tener resistencia a la corrosión, resistencia al impacto, resistencia a la fatiga y otras características para garantizar que aún tenga un buen rendimiento de sellado y una larga vida útil cuando resista las condiciones de trabajo reales. Fallo de sellado: El fallo de sellado de las conexiones de bridas atornilladas se manifiesta principalmente como fugas. Una vez que se produzca una fuga, provocará un accidente. Al menos provocará un desperdicio de energía y equipos, afectará las operaciones normales de producción y provocará pérdidas económicas. En el peor de los casos, puede causar explosiones y causar víctimas personales, provocando una contaminación inconmensurable al medio ambiente. Por lo tanto, es más importante reducir las fugas tanto como sea posible y mejorar los requisitos de sellado para sistemas de sellado como contenedores y tuberías. Al analizar las causas de las fugas en la producción real, se descubrió que generalmente hay dos formas de fuga de fluido en el sello. Uno es la "fuga de penetración". Esta fuga se debe principalmente al hecho de que el propio material de la junta tiene muchos capilares y el fluido puede provocar fugas por penetración a través de estos capilares. Generalmente, cuanto mayor es la presión interna del medio, mayor es la temperatura y cuanto menor es la viscosidad del medio, mayor es la probabilidad de fuga de penetración. Además, además de la influencia de estas propiedades del fluido y las condiciones de trabajo, el tipo de estructura de la junta y las propiedades del material también son los factores más importantes. Esto ocurre principalmente cuando se sellan juntas no metálicas. Esto se debe a que estos materiales tienen muchos espacios pequeños, tejido suelto y poca estanqueidad. Cuando se ejerce una pequeña presión sobre él, el medio puede filtrarse fácilmente a través de una gran cantidad de capilares. Generalmente esto se puede lograr añadiendo ciertos rellenos a estos materiales de junta permeables. Por ejemplo, se puede mejorar sumergiéndolo en ácido silícico, ácido fosfórico y otras soluciones, o combinándolo con ciertos materiales impermeables para fabricar materiales compuestos, que también pueden reducir las "fugas de penetración". La segunda es la "fuga de interfaz", es decir, la fuga a lo largo del espacio entre la junta y la superficie de presión de la brida. La cantidad de fuga está relacionada principalmente con el tamaño del espacio entre las interfaces. Hay dos factores principales que causan esta fuga.: (1) La superficie de sellado es desigual durante el procesamiento o la fuerza al presionar es demasiado pequeña y desigual, lo que genera espacios en la superficie de sellado. (2) Hay una diferencia de presión o diferencia de concentración en ambos lados de la superficie de sellado. En funcionamiento real, la diferencia de presión y la diferencia de concentración en ambos lados de la superficie de sellado son inevitables. Para reducir esta fuga en la interfaz, es necesario mejorar la precisión del procesamiento y, al mismo tiempo, aplicar una fuerza de compresión razonable a la junta y aprovechar al máximo la deformación por rebote de compresión generada por la junta para llenar los espacios desiguales en el sello. Ecuación de coordinación de deformaciones del sistema de conexión de brida atornillada. Actualmente, los métodos de diseño y cálculo de sistemas de conexión de bridas basados en el análisis de resistencia elástica incluyen principalmente la teoría de Waters y la teoría de Timosenko. Este último es más adecuado para el sistema general de conexión de bridas que el primero. La razón es que además de considerar las condiciones que necesitan atención en la teoría de Waters, la teoría de Timosenko también tiene en cuenta la presión media, la temperatura interna y externa, el módulo elástico del material, el coeficiente de expansión lineal y otros parámetros característicos que cambiarán con los cambios de temperatura y otros factores que pueden afectar la tasa de fuga del sistema de conexión. Este artículo toma el sistema de conexión de brida-perno en su conjunto y utiliza la teoría de Timosenko para analizarlo. Los supuestos básicos son:: (1) Simplifique la carcasa del ala en una viga de cimentación elástica infinitamente larga y trate el anillo del ala como una placa plana anular, que no se tuerce bajo la acción de momentos externos, sino que solo se desvía en un cierto ángulo; (2) Trate la brida y los pernos como elasticidad lineal, que no produce fluencia plástica ni fluencia, y no considera la influencia de los orificios de los pernos en la deformación de la brida. ； (3) Independientemente del desplazamiento radial de la brida generado en la conexión entre la brida y el cilindro y la tensión de la película generada por la presión interna, se considera que el ángulo de rotación de la carcasa y la brida y el desplazamiento radial resultante son iguales. La elección de la estructura de conexión de brida atornillada se basa en las necesidades del proceso de producción y la instalación del equipo. Los equipos químicos o las conexiones de tuberías utilizan principalmente estructuras de conexión desmontables, como: La conexión roscada, la conexión por enchufe, la conexión por brida, etc., y la conexión por brida son las conexiones desmontables más utilizadas, por lo que el estudio de la tensión y la deformación de la estructura de la conexión por brida se ha convertido en el foco de atención. Según la presión interna del medio y el tipo de medio, se deben seleccionar razonablemente los materiales y tipos estructurales de bridas, pernos y láminas. La siguiente figura muestra el tipo general de estructura de conexión de brida. Las almohadillas dentadas de metal generalmente se mecanizan con tornos de precisión para formar ranuras concéntricas en ambos lados de la junta plana de acero inoxidable. Dependiendo del medio, se pueden seleccionar y pegar en ambos lados de la junta grafito flexible, PTFE, placas sin amianto u otros metales blandos. También se puede utilizar directamente sin una capa selladora y puede lograr un buen efecto de sellado, pero es fácil dañar la superficie de la brida en situaciones de alta presión. Simulación del rendimiento de sellado y optimización estructural de juntas compuestas dentadas de metal Descripción general de juntas dentadas de metal En la producción real, la preparación de juntas dentadas de metal es extremadamente simple, es decir, utilizar un torno de precisión para procesar muchas ranuras concéntricas en ambos lados de una junta plana de acero inoxidable para producir un esqueleto de metal dentado. La estructura especial del diente determina su mecanismo de sellado.: Cuando se aplica presión, la porción de la punta del diente producirá una concentración de tensión y una tensión elevada, formando un sello de línea metálica. Puede lograr un alto efecto de sellado, es relativamente seguro y tiene una alta confiabilidad. Sin embargo, la selección de materiales, el diseño estructural, el procesamiento del producto y otras condiciones tienen un gran impacto en el rendimiento de sellado de las juntas dentadas metálicas. Además, si dichas juntas dentadas se utilizan directamente en situaciones de alta presión, es fácil provocar daños en la superficie de la brida. Por lo tanto, en la industria actual, pocas personas simplemente utilizan este esqueleto metálico y se utilizan más juntas compuestas. Este tipo de esqueleto de metal se utiliza como base. Según los diferentes medios de trabajo, se seleccionan grafito flexible, PTFE, tableros sin asbesto u otros metales blandos, y las láminas fabricadas pegando en ambos lados del esqueleto son almohadillas compuestas de metal en forma de dientes. En los últimos años, con el continuo desarrollo de la tecnología de sellado, el rendimiento de los materiales de grafito expandido se ha vuelto cada vez más popular. Como nuevo material de sellado, ha ido reemplazando constantemente a los materiales de sellado de asbesto y a los materiales de sellado de metal tradicionales. Por lo tanto, para los investigadores que se dedican a juntas metálicas compuestas con forma de diente, utilizar el cuerpo base de una junta con forma de diente y pegar grafito flexible en sus superficies de contacto superior e inferior para hacer una junta compuesta de grafito metálico flexible con forma de diente es una dirección de investigación candente. Una gran cantidad de estudios experimentales han demostrado que esta junta compuesta no solo conserva la confiabilidad del esqueleto corrugado de la estructura general de la junta dentada original y mantiene el sellado multilínea en sus dientes, sino que también tiene las características del material de grafito expandido con resistencia a altas y bajas temperaturas, buen rendimiento de rebote de compresión, etc., y tiene un doble efecto de sellado. El mecanismo de sellado de esta junta combinada es que, bajo una fuerza de preapriete baja, la capa de grafito suave y flexible en la superficie de la junta se presiona en la ranura del esqueleto metálico. Las superficies superior e inferior del esqueleto metálico no están en contacto directo con la brida, evitando daños al cuerpo de la brida. Cuando la tensión aumenta aún más, el esqueleto metálico produce una deformación elástica y comprime el grafito expandido, sellándolo en el espacio anular cerrado entre el esqueleto metálico y la superficie de contacto de la brida. Esto crea un doble efecto de sellado combinando múltiples materiales metálicos y grafito flexible. Las láminas compuestas dentadas de metal de grafito flexible son particularmente adecuadas para situaciones en las que se producen altas temperaturas, altas presiones y condiciones de trabajo alternas. Se utilizan ampliamente en conexiones bridadas de intercambiadores de calor, recipientes a presión, reactores y otros equipos. Son un sustituto ideal de las tradicionales juntas recubiertas de metal. El tipo estructural de juntas dentadas metálicas se divide en dos tipos básicos según los diferentes tipos de superficies de sellado de la brida.: Uno es el plato dentado con anillo de posicionamiento para brida plana. ； El segundo es un plato dentado sin anillo de posicionamiento para bridas cóncavas y convexas. La Figura 4-1 muestra la apariencia y estructura del anillo de posicionamiento de junta compuesta dentada de metal de grafito flexible en producción real. El modelo de simulación del rendimiento de compresión y el tipo de material de la junta compuesta dentada de metal de grafito flexible se basan en la norma de la industria química de mi país "Junta compuesta dentada con capa de cobertura para bridas de tuberías de acero" implementada en julio de 2009 (Norma No.: HG/T20623-2009), este artículo utiliza juntas dentadas metálicas DN80. La estructura del esqueleto metálico y la forma estructural general se muestran en la Figura 4-2 y la Figura 4-3 respectivamente. Las dimensiones de las juntas estándar son las que se muestran en la tabla. Este artículo estudia principalmente la influencia del número de dientes N del esqueleto metálico y el espesor S de la capa de cobertura de grafito expandido sobre las propiedades mecánicas de la junta compuesta bajo la condición de que el diámetro nominal permanezca sin cambios. Durante el proceso de preprocesamiento, el material del esqueleto metálico es acero inoxidable 304, con un módulo elástico de 2,0x10＾11 Pa, una relación de Poisson de 0,313, un módulo de corte de 7,45x10＾11 Pa y un límite elástico de 2,05X 10＾8 Pa, la densidad es 7850 kg/m3 y el tipo de unidad. es "planel83” ； El material de la capa de cobertura es grafito expandido con una densidad de 1000 kg/m3. Su módulo elástico es 1,0x10＾10 Pa, la relación de Poisson es 0,01, el módulo de corte es 1,0x10＾7 Pa, el límite elástico es 6,0x10＾7 Pa y el tipo de unidad es "planel82". Dado que la estructura de la junta es una figura simétrica con respecto al eje central y se ignora la tensión en la dirección circunferencial, simplificamos el modelo geométrico tridimensional a un modelo bidimensional para el análisis de tensiones axiales. (1) Unidad Plane182 La unidad Planel82 es una unidad sólida 2D de 4 nodos utilizada para modelos 2D. Cada unidad tiene 4 nodos y cada nodo tiene dos grados de libertad, es decir, traslación a lo largo de las direcciones xey. Esta unidad se puede utilizar como unidad plana (tensión plana, deformación plana o deformación plana generalizada) o como unidad axialmente simétrica. Tiene las capacidades de plasticidad, superelasticidad, fortalecimiento de tensiones, gran deformación, gran capacidad de deformación y una fórmula híbrida de fuerza-desplazamiento. Se puede utilizar para simular la deformación de materiales subelásticos casi incompresibles y materiales superelásticos completamente incompresibles. (2) Unidad Plane183 La unidad Planel83 es una unidad sólida bidimensional de 8 nodos de alto orden con una función de desplazamiento cuadrático y es adecuada para simular el mallado de modelos irregulares. El elemento está definido por 8 nodos, cada nodo tiene dos grados de libertad en la dirección. Al igual que el elemento PAnel82, también está disponible como elemento plano y elemento simétrico. Tiene las capacidades de plasticidad, deformación, rigidez a la tensión, gran deformación y gran deformación. También tiene la capacidad de una fórmula híbrida de fuerza-desplazamiento, que se puede utilizar para simular la deformación de materiales plásticos elásticos casi incompresibles y respalda la opción de tensión inicial. y proporciona diferentes opciones de impresión. División de malla Teniendo en cuenta la forma irregular del esqueleto metálico, este artículo elige una división de malla libre relativamente simple. La forma de la unidad es un cuadrilátero y la longitud del lado de la unidad es 0,1 mm. Para los modelos de juntas de varios tamaños utilizados en esta simulación, cuando se mallan, la cantidad de nodos generados es de aproximadamente 20 000 y la cantidad de celdas generadas es de aproximadamente 7600. La Figura 4-4 muestra la división de malla unitaria de una junta compuesta en forma de diente con un paso de corrugación de 12 dientes y una capa de cobertura de grafito expandido con un espesor de 0,4 mm. Grados de libertad de acoplamiento El software ANSYS incluye la función de grados de libertad de acoplamiento y ecuaciones de restricción, que pueden describir con precisión detalles como áreas rígidas, conexiones de bisagra de ciertas estructuras, límites deslizantes relativos simétricos, condiciones periódicas y otras conexiones de nodos internos especiales. Los grados de libertad de acoplamiento típicos aplicados a partes del modelo incluyen: La simetría estructural, bisagras, pasadores, juntas universales y conexiones deslizantes entre dos nodos repetidos dan a una parte del modelo el comportamiento de un cuerpo rígido. En la simulación de esta sección, para mostrar mejor la coordinación de deformación de la capa compuesta de grafito expandido, no se puede lograr simplemente conectando los nodos con elementos convencionales. En lugar de ello, la operación de grado de libertad de acoplamiento debe realizarse en la superficie superior de la capa compuesta. La dirección X se utiliza como grado de libertad principal, y los desplazamientos en las direcciones X e Y de cada nodo repetido en la superficie superior están obligados a ser consistentes para garantizar las características del cuerpo rígido de la superficie superior. Después de cargar y resolver el tipo de análisis de la estructura definida como análisis estático, para obtener la curva de rendimiento de rebote de compresión de la estructura general de la almohadilla compuesta con forma de diente de metal de grafito flexible, se debe utilizar un método de carga de varios pasos. Primero, es necesario aplicar condiciones de contorno al modelo. En esta simulación, el grado de libertad axial de la superficie inferior de la capa compuesta inferior de todos los modelos está restringido, es decir, UY=0 ； Luego aplique una carga uniforme de 60 MPa en la superficie superior de la capa compuesta superior. Configurar las opciones del paso de carga incluye configurar la hora de finalización del paso de carga en 10 segundos, el número de subpasos en 100 y el método de lectura del paso de carga para leer los resultados de cada subpaso. Luego escriba el paso de carga y regístrelo como 1 ； Finalmente, aplique una carga de 0MPa en la superficie superior de la capa compuesta superior. Configurar las opciones del paso de carga incluye configurar el tiempo de finalización del paso de carga en 20 segundos. Otros valores están predeterminados. Escriba el paso de carga y regístrelo como 2. La función del paso de carga 1 es realizar la carga gradual del modelo, y el efecto del paso de carga 2 es realizar el proceso de descarga del modelo. Una vez establecidas las condiciones límite y los pasos de carga, se puede iniciar el cálculo. Seleccione "Solución—Slove—De archivos LS" para completar la solución de la carga de varios pasos. Ver los resultados del cálculo. En el posprocesamiento general de ANSYS, elija leer el paso especificado, luego seleccione aproximadamente diez pasos de tiempo en el proceso de carga y diez pasos de tiempo en el proceso de descarga para un determinado nodo, y lea el valor de desplazamiento y el valor de tensión del nodo en el paso de tiempo correspondiente. Las siguientes tres imágenes son almohadillas compuestas dentadas de metal de grafito flexible estándar (P = 1,0 mm ； S=0.5mm, N=12) El diagrama de nube de tensiones y diagrama de desplazamiento del modelo de lámina en ciertos momentos durante el proceso de carga y descarga. (1) Diagrama de nube de tensiones (2) Diagrama de desplazamiento Dado que la deformación de la junta compuesta durante la carga y descarga es muy pequeña, el diagrama de desplazamiento durante la descarga no se incluye aquí. Se puede ver en las tres figuras anteriores que durante el proceso de carga, a medida que aumenta el paso de carga, es decir, el valor de carga aumenta, el valor de tensión y el valor de desplazamiento de la estructura de la junta continúan aumentando, mientras que durante el proceso de descarga, el valor de tensión del nodo disminuye a medida que disminuye la carga. Esto es consistente con la ley actual de carga y descarga. En la experiencia real en el postprocesador POST26, el cambio del valor de tensión de este nodo durante el proceso de carga y descarga se expresa como una polilínea. El valor de tensión y el valor de desplazamiento general del paso de carga seleccionado correspondiente al nodo se introducen en el software de origen para su procesamiento y se obtiene el metal de grafito flexible estándar a temperatura normal. Para la curva de cierre de presión de la almohadilla compuesta con forma de diente, de acuerdo con el método de simulación anterior, los valores propios de cierre de presión de la almohadilla compuesta de diente corrugado de metal de grafito flexible con características estructurales se resuelven sucesivamente, y estos valores propios se llevan al software de origen para su procesamiento. Los resultados del procesamiento se muestran en la Figura 4-10. Se puede observar que las curvas de compresión de las juntas compuestas estándar (12 dientes) y de las juntas compuestas de 10 dientes son casi lineales. Las curvas de rendimiento de compresión de las juntas estándar (la capa de cobertura de grafito expandido es de 0,5 mm) y las juntas compuestas con espesores de capa de cobertura de 0,4 mm y 0,6 mm son casi lineales. La Figura 4-10 (a) muestra los valores característicos de cierre por presión correspondientes de juntas compuestas con un espesor de junta de S = 0,5 mm, una profundidad de diente corrugado de h = 0,32 mm y diferentes pasos de dientes y diferente número de dientes. ； La Figura 4-10(b) muestra los valores característicos de cierre por presión correspondientes a juntas compuestas con un paso de diente de P=1,0 mm, un número de dientes de N=12, una profundidad de diente corrugado de h=0,32 mm y diferentes espesores de junta (solo como referencia para futuros análisis numéricos).: Simulación de la tasa de fuga de una junta compuesta dentada de metal de grafito flexible. Para juntas de sellado, el valor de su tasa de fuga determina directamente la calidad de su rendimiento de sellado. En la actualidad, la mayor parte de la investigación sobre juntas compuestas con forma de diente de metal de grafito flexible se limita a la investigación experimental, e incluso si hay simulaciones numéricas del rendimiento de las juntas, todas son estudios de rendimiento estructural en su esqueleto metálico, mientras que casi no hay análisis de simulación numérica sobre el análisis de la tasa de fuga de toda la junta compuesta. En este artículo, para las juntas compuestas de cada una de las estructuras anteriores, la presión interna del medio se establece en 0,98 MPa, 1,568 MPa, 2,45 MPa, 4 MPa, 6 MPa y 8 MPa, y la fuerza de pretensado del perno correspondiente se calcula de la siguiente manera:: En la etapa de preprocesamiento, los parámetros del material de la junta se ingresan en los valores de compresión y descarga lineal de acuerdo con los valores de rebote de compresión correspondientes a las curvas cerradas de tensión debajo de cada estructura que se muestran en la Figura 4-10. Otros métodos de selección de unidades, establecimiento de modelos, condiciones de contorno, carga y solución son consistentes. La siguiente figura muestra el diagrama de nube de tensiones de una junta compuesta estándar con forma de diente de metal de grafito flexible en diez condiciones de trabajo. Independientemente de las condiciones de trabajo, la distribución de tensiones de la junta tiene la misma ley, es decir, se distribuye de manera desigual a lo largo de la dirección del diámetro y aumenta gradualmente desde el interior hacia el exterior. ； A medida que aumenta la presión interna del medio, aumenta la tensión residual de la junta. ； Cuando la presión interna del medio permanece constante, la tensión residual de la junta aumenta con el aumento de la fuerza de pretensión del perno aplicada, lo que es consistente con las características mecánicas del sistema de conexión de brida roscada. Se verificó nuevamente la exactitud del método de análisis numérico de simulación. Los valores de tensión y deformación bajo cada condición de trabajo calculados en el software ANSYS se incluyen en consecuencia en la fórmula para calcular la tasa de fuga de la junta compuesta con forma de diente de metal de grafito flexible en estas condiciones de trabajo, y el mismo análisis se realiza en las juntas de varios otros tipos estructurales. Es decir, el gran software comercial de análisis de elementos finitos ANSYS se utiliza primero para calcular el valor de tensión y la cantidad de deformación en cada condición de trabajo, y luego se incorpora a la ecuación de tasa de fuga del modelo de medio poroso para calcular la tasa de fuga correspondiente. Finalmente, los valores de la tasa de fuga de las juntas de los distintos modelos utilizados en el cálculo en diez condiciones de trabajo se importaron al software de procesamiento de datos de origen para su comparación y análisis. Los resultados del procesamiento se muestran en la Figura 4-12. La Figura (a) muestra la comparación de las tasas de fuga de juntas compuestas con diferentes pasos de dientes y diferente número de dientes bajo diferentes presiones internas medias con un espesor de junta de S = 0,5 mm y una profundidad de diente corrugado de h = 0,32 mm. ； La Figura (b) muestra la comparación de la tasa de fuga de juntas compuestas con un espesor de junta S = 0,5 mm, una profundidad de diente corrugado h = 0,32 mm, diferentes pasos de dientes y diferente número de dientes bajo diferentes fuerzas de pretensado de pernos bajo una presión interna media de 2,45 MPa. ； La Figura (C) muestra la comparación de las tasas de fuga de juntas compuestas con un paso de dientes de P==1,0 mm, un número de dientes de N=12 y diferentes espesores de capa de cobertura de grafito expandido bajo diferentes presiones internas medias. ； La imagen muestra la comparación de las tasas de fuga cuando el paso de los dientes es P=1,0 mm, el número de dientes es N=12 y la presión interna media es 2,45 MPa bajo la acción de diferentes fuerzas de pretensado de pernos (solo como referencia para futuros análisis numéricos): Se puede ver en la Figura (a) que el efecto de la presión interna del medio sobre las juntas compuestas con forma de diente de metal de grafito expandido con diferente número de dientes es consistente. Es decir, a medida que aumenta la presión interna del medio, aumentan las tasas de fuga de las juntas compuestas con diferente número de dientes. ； Bajo la misma presión interna del medio, la tasa de fuga de la junta compuesta con N=10 dientes es la más pequeña, mientras que la tasa de fuga de la junta compuesta estándar (N=12) es la mayor. Se puede ver en la Figura (b) que la influencia de la fuerza de pretensión del tornillo en las juntas compuestas con forma de diente de metal de grafito expandido con diferentes números de dientes también es consistente. Es decir, a medida que aumenta la fuerza de pretensión del perno, disminuyen las tasas de fuga de las juntas compuestas con diferentes números de dientes. ； Bajo la acción de la fuerza de pretensado de pernos del mismo tamaño, la tasa de fuga de la junta compuesta con N=10 dientes es la más pequeña, y la tasa de fuga de la junta compuesta estándar (N=12) sigue siendo la mayor. Se puede saber a partir del resumen de la Figura (a) y la Figura (b). Para las juntas compuestas de metal de grafito flexible DN8, la estructura de esqueleto metálico estándar no es la mejor, pero cuando el espesor de la junta es S=0,5 mm, la profundidad del diente corrugado es h=0,32 mm, el espacio entre dientes es p=1,0 mm y el número de dientes es N=10, la junta compuesta diseñada tiene la tasa de fuga más pequeña, es decir, el mejor rendimiento de sellado. El efecto de la presión interna del medio sobre las juntas compuestas en forma de dientes de metal de grafito expandido con diferentes capas de cubierta de grafito expandido es consistente. Es decir, a medida que aumenta la presión interna del medio, aumentan las tasas de fuga de las juntas compuestas con diferentes capas de cobertura de grafito expandido. ； Bajo la misma presión interna media, la tasa de fuga de la junta compuesta con el espesor de la capa de cubierta de grafito expandido es la más pequeña, y la tasa de fuga máxima sigue siendo el valor de la tasa de fuga de la junta compuesta estándar. Se puede ver en la Figura (d) que la fuerza de pretensión del perno tiene el mismo efecto en las juntas compuestas con forma de diente de metal de grafito expandido con diferentes capas de cobertura de grafito expandido. Es decir, a medida que aumenta la fuerza de pretensión del perno, disminuye la tasa de fuga de las juntas compuestas con diferentes capas de cubierta de grafito expandido. ； Bajo la acción de la fuerza de pretensado de pernos del mismo tamaño, la tasa de fuga de las juntas compuestas con un espesor de capa de cobertura de grafito expandido S=0,4 mm es la más pequeña, y la tasa de fuga de la misma junta compuesta estándar (S=0,5 mm) sigue siendo la más grande. Resumiendo las figuras (c) y (d), se puede ver que para la junta compuesta de metal de grafito flexible DN80, cuando el espesor de la junta es S=0,4 mm, la profundidad del diente corrugado es h=0,32 mm, el espacio entre dientes es P=1,0 mm y el número de dientes es N=12, la tasa de fuga de la junta compuesta diseñada es la más pequeña, logrando el propósito de optimización estructural de la junta. Resumen de este artículo Este artículo presenta un tipo de junta que actualmente está atrayendo más atención en la comunidad de investigación: la junta compuesta con forma de diente de metal de grafito expandido. Este tipo de junta utiliza un esqueleto metálico corrugado como base y está cubierta con una capa de grafito expandido de cierto espesor. No solo tiene las ventajas de alta rigidez, seguridad y confiabilidad del esqueleto metálico, sino que también tiene el buen rendimiento de rebote de compresión y la resistencia a altas y bajas temperaturas del grafito expandido. Tiene un doble efecto de sellado y se usa ampliamente en muchas estructuras de sellado de equipos. En la actualidad, la mayoría de los análisis que se realizan sobre él se limitan a la investigación experimental y existen muy pocos análisis de simulación numérica. Por lo tanto, este artículo utiliza el software ANSYS para realizar un análisis de simulación numérica del rendimiento de sellado de esta junta y realizar la optimización estructural de la junta. Las conclusiones extraídas incluyen: (1) Durante el proceso de carga, a medida que aumenta el paso de carga, es decir, el valor de carga aumenta, el valor de tensión y el valor de desplazamiento de la estructura de la junta continúan aumentando, mientras que durante el proceso de descarga, el valor de tensión del nodo disminuye a medida que disminuye la carga, lo cual es consistente con la ley de carga y descarga real. ； (2) Cuando el espesor de la capa de cobertura de grafito expandido es de 0,5 mm, las curvas de compresión de la junta compuesta estándar (12 dientes) y la junta compuesta de 10 dientes son casi lineales. ； (3) Cuando el número de dientes del esqueleto metálico es 12, las curvas de rendimiento de compresión de las juntas estándar (S=0,5 mm) y las juntas compuestas con espesores de capa de cobertura de 0,4 mm y 0,6 mm son aproximadamente lineales. ； (4) Cuando el espesor de la capa de cobertura de grafito expandido es de 0,5 mm, la tasa de fuga de la junta compuesta con N=10 dientes es la más pequeña, mientras que la tasa de fuga de la junta compuesta estándar (N=12) es la mayor. ； (5) Cuando el número de dientes del esqueleto metálico es 12, la tasa de fuga de la junta compuesta con el espesor de la capa de cubierta de grafito expandido es la más pequeña, y la tasa de fuga máxima sigue siendo el valor de la tasa de fuga de la junta compuesta estándar.