基于分形理论的非金属垫片泄漏机理与预测模型研究

发布时间：2020-08-26 00:11

【摘要】：随着各行业中的设备向着大型化、操作工况严苛化发展,设备的连接与密封面临着愈加巨大的挑战。垫片作为气体密封中的常用密封件,其泄漏机理与泄漏预测的研究显得愈加重要。尽管垫片密封有着十分简单的工作原理,但是对其气密性的控制却并不容易,想要准确有效的预测其在特定工况下的泄漏率是十分难以实现的。现有的垫片研究更多集中在金属垫片,对于非金属垫片的泄漏研究往往没有区分界面泄漏与渗透泄漏的区别,且模型中的参数往往依赖于实验条件下得到的经验性参数,这不利于从机理上分析垫片的泄漏情况。因此非金属垫片的泄漏机理研究与预测模型的建立有着十分重要的意义。本文则主要针对非金属垫片的泄漏情况进行了机理研究与泄漏预测模型的建立。为了对非金属垫片的微观形貌进行有效的描述,本文选择对垫片材料切片进行电镜扫描(SEM),在对SEM图像进行二值化过程中,通过对多种自动阈值分割方法进行比较讨论,本文认为现有阈值分割方法中,最大类间差方法(Otsu法)对非金属垫片这种具有微纳米孔隙结构的材料有更好的适用性。结合分形多孔介质输运理论,本文对SEM图像的二值化图像采用盒计数法测定其重要分形几何参数:孔隙率、分形维数与迂曲度;并通过无标度区间与图像分割方法,对多孔材料的孔隙直径进行了测定。在渗透泄漏的研究中,由于非金属材料具有微纳米孔隙结构,其渗透泄漏的流道直径尺寸非常小,其流动滑移效应的讨论不可避免。同时考虑到垫片具有载荷消除后能保持原始形状的工作特性,本文假设非金属垫片材料在受压过程中为弹性形变,也即Hook定律适用,建立了考虑滑移效应的非金属垫片应力敏感模型。通过与已有柔性石墨垫片的实验结果进行对比,模型的有效性得以验证。由于考虑了孔隙尺寸分布,该模型的参数具有明确的物理意义,对于有效讨论非金属垫片的渗透泄漏机理是非常有价值的。此外,该模型还可用于其他具有复杂结构的致密多孔介质在应力变形下的渗流研究。在界面泄漏的研究中,本文首先借助W-M函数对粗糙表面进行了分形模拟,并讨论了粗糙表面的分形维数与尺度系数对其形貌的影响。在界面泄漏的微孔通道建立中,本文将两个粗糙表面间的接触等效为刚性理想光滑平面与等效粗糙表面间的接触,并通过ABAQUS进行了载荷下的应力位移模拟,借助分形多孔介质输运理论建立了有效的载荷条件下界面泄漏预测模型。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH136
【图文】：

泄漏事故

毒的气体或液体，这给设备的连接与密封带来了巨大的挑战。而设备泄漏的事故更频频发生：1986 年 1 月 28 日，美国挑战者号在升空后的第 73 秒解体，机上 7 名宇员全部罹难，事故是其右侧固体火箭助推器的 O 型环密封圈失效因而外部燃料仓温过高导致的；2008 年 12 月 24 日，河北省遵化市港陆钢铁有限公司 44 人煤气中毒，中 17 人死亡、27 人受伤，这全是因为高炉泄爆板崩裂后煤气从中泄漏而导致的；2年 8 月 31 日 11 时许，上海宝山区丰翔路 1258 号翁牌冷藏实业有限公司发生液氨泄事故，事故造成 15 人死亡、26 人受伤，其中 6 人危重；2011 年 3 月，福岛县两座电站因里氏 9.0 级地震而发生反应堆故障，其中一座反应堆震后发生核蒸汽泄漏，此泄漏导致了大量的人员死亡和设备损坏，此次泄漏事故中放射性物质的泄漏是最为重的，这对该电站周围的人、动物、植物以至于整个生态环境都有着长期深远的影响正是由于气体密封涉及多个科学和工业应用领域，在许多情况下，其直接关系到设的安全性和可靠性错误!未找到引用源。[1][2]，因此对于泄漏机理与预测的研究显得十分有意义价值。

示意图,垫片,示意图,法兰垫片

这与目前缺少有效的垫片泄漏机理模型针对垫片漏率的预测机理模型展开[2][5][6][7][8][9]，但有未有提出。因此，一个广泛适用，且准确有效的理论。烯、柔性石墨等非金属材料，因具有较好的弹性变静密封结构中。在法兰垫片的密封结构中，密封介1-2 所示：其中一种是介质直接从法兰与垫片的接触一种是介质直接从垫片内部固有的孔隙结构泄漏流面泄漏是法兰垫片密封结构的主要泄漏形式，大约的相关研究对于法兰垫片密封结构的应用至关重要金属垫片被用到了更多的高压力、高载荷的工况之到了有效的减小，而渗透泄漏则显得尤为突出，因此到了更广泛的重视。

示意图,模型,示意图,非金属垫片

图 1-3.非金属垫片表面形貌及内部孔隙结构图法能够用仅含有较少参数的简单数学公式对十分复杂的几何结构泛应用到复杂的形貌描述中，非常适用于非金属垫片的几何形择分形几何理论作为研究非金属垫片形貌的基础。研究现状预测模型研究现状滑的理想表面对于任何精密的制造都是无法完成的，想要实现接密封件内部的孔隙完全阻塞是不可能实现的事情。所以，在密供工质流通的细微间隙或通道，界面泄漏与渗透泄漏是不可避与预测垫片的泄漏现象，相关的泄漏模型很早就有被提出。平行型和多孔介质模型[10]是现有的三种主要泄漏模型形式。

【参考文献】