螺栓法蘭連接系統的熱應力場

鄭小濤，陳 瑤，喻九陽，徐建民，王成剛

化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室(武漢工程大學)，湖北 武漢 430205

0 引 言

法蘭連接由一對法蘭、墊片和螺栓組成，借助螺栓把兩部分設備連接在一起，并壓緊墊片使連接處緊密不漏.在壓力容器應力分析中，法蘭具有特殊性，因為法蘭本身就是一個承受外載荷的結構部件，而且法蘭連同螺栓和墊片一起成為一個承受初始預緊力的裝配結構(也稱為螺栓法蘭系統)，而失效主要表現為泄露，因此要解決法蘭連接的問題，需要對整個系統的特性進行分析.文獻[1]是比較二維軸對稱力學模型和三維實體模型在螺栓法蘭系統中的差別，文獻[2]采用了接觸有限元方法計算螺栓法蘭墊片三者之間的相互作用，指出法蘭接頭密封時管道內壓是一個不可忽略的計算因素，文獻[3]通過三維建模軟件與ANSYS workbench有限元軟件實現無縫對接，直接將Inventor建立的三維模型導入ANSYS workbench中進行有限元單元網格的劃分與受力分析，其中拉桿的等效應力最大達到1 428 MPa，文獻[4]的結果表明接觸設置方式對應力集中系數影響最大.

1 螺栓法蘭幾何模型及參數

選擇DN=100 mm，PN=6 MPa的法蘭，上下法蘭相同，材料為1.25Cr1Mo；螺栓型號為M16，4個，材料為25Cr2MoVA；墊片選擇金屬纏繞墊，材料為00Cr17Ni14Mo2，螺母型號為M16，4個，材料為35CrMoA.對計算模型進行如下簡化：

(1)螺紋牙型為三角型.

(2)忽略螺旋角的存在.

(3)在100 ℃內所有材料的屈服應力不發生變化.

法蘭及墊片具體尺寸如圖1和圖2所示.材料參數如表1所示.

圖1 法蘭幾何尺寸Fig.1 Geometrical model of flange

圖2 墊片幾何尺寸Fig.2 Geometrical model of Gasket

表1 螺栓法蘭系統材料參數Table 1 Material parameters of bolted flanged system

2 螺栓法蘭系統有限元模型

2.1 網格模型

有限元模型是基于軟件ABAQUS建立的，其網格劃分模型如圖3所示.

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 邊界條件

2.3 接觸條件

螺栓與螺母設置接觸，螺栓及螺母與法蘭設置面面接觸.

2.4 加載次序

(1)施加少量的預緊力5 N.

(2)施加所有的預緊力19 265 N，該預緊力由F0=(0.5～0.6)σsAs(σs是螺栓材料屈服點，MPa，As是螺栓公稱應力截面積，mm2).

(3)保持螺栓預緊時的長度不變，添加溫度場.

3 分析結果

采用熱力順序耦合的方法計算螺栓法蘭系統的應力場，主要進行三個分析，首先分析螺栓法蘭系統的溫度場，接著研究螺栓法蘭系統施加預緊力與溫度時的應力場.

3.1 溫度場結果

分析螺栓法蘭系統的溫度場，螺栓法蘭系統的對流換熱系數參考文獻[6],當工作溫度為100 ℃時，系統的溫度場由圖4有，管道以及法蘭內側溫度均為100 ℃，最低溫度為81 ℃位于螺栓底側，法蘭最外側溫度為86 ℃.在沒有特別散熱情況下，螺栓法蘭整體溫度都在80 ℃以上，說明工作溫度對法蘭整體溫度有較大影響.

圖4 螺栓法蘭系統溫度場Fig.4 Temperature field of bolted flanged system

3.2 施加預緊力時的應力分布

分析的目的是比較在預緊力作用時溫度場的存在與否對于整個應力場的影響大小，且主要研究對象為螺栓與螺母.于是根據需要定義幾條研究路徑，路徑如圖5所示，這幾條路徑都是設置在螺栓的軸向方向.重點分析路徑1上的mises等效應力、切向應力、軸向應力、徑向應力以及路徑2、3上的mises等效應力.

圖5 研究路徑圖Fig.5 Analysis path

圖6至圖9是路徑1上的應力分析，圖6是路徑1上的mises應力，其中一條線是未施加溫度場，僅施加預緊力的一個應力分布，另外一條是同時作用預緊力以及溫度場的一個應力場結果.由該結果發現溫度場對螺栓螺母接觸部位和螺栓法蘭接觸部位影響大，對于螺栓中間部位影響小.圖7是路徑1上的切向應力，由該圖可知螺栓中部切向應力近似為0 MPa，切應力在螺栓與法蘭接觸部位受溫度場影響明顯.圖8是路徑1上的軸向應力，兩條線幾乎重合，表明溫度場不影響螺栓路徑1處的軸向力.圖9是路徑1上的徑向應力，其趨勢與切向應力一致，螺栓中部的徑向應力也是近似為0 MPa.圖10是路徑2上的Mises應力，圖11是路徑3上的Mises應力.比較圖6、圖10、圖11，可知螺栓靠近法蘭內側的等效應力是大于螺栓法蘭外側的等效應力.

圖6 路徑1上的mises應力Fig.6 Mises stress on path1注：

圖7 路徑1上的切向應力Fig.7 Tangential stress on path1注：

圖8 路徑1上的軸向應力Fig.8 Axial stress on path1注：

圖9 路徑1上的徑向應力Fig.9 Radial stress on path1注：

圖10 路徑2上的mises應力Fig.10 Mises stress on path2注：

圖11 路徑3上的mises應力Fig.11 Mises stress on path3注：

4 結 語

(1)螺栓靠近法蘭一側的螺紋受力更大，應力增加值最大超過100 MPa.

(2)螺栓中部只受軸向力，不受切向力與徑向力，并且溫度場也不影響螺栓中部的應力.

(3)溫度場影響螺栓兩端的應力，對螺栓頭的影響更為明顯，應力增加值最大為250 MPa.

致 謝

感謝國家自然科學基金委員會和湖北省教育廳的資助！

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