基于有限元方法的螺栓法蘭連接密封性能分析

王立滿 邵松林

（遼寧瑞興化工集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

1 前言

螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)由法蘭、螺栓及墊片組成，依靠螺栓預(yù)緊力把兩部分設(shè)備或管道的法蘭環(huán)連接在一起，同時(shí)壓緊墊片，使連接處達(dá)到密封。由于操作工況下介質(zhì)壓力、溫度以及管道產(chǎn)生的附加彎矩和附加軸向力等載荷作用，法蘭連接頭處易發(fā)生泄漏，導(dǎo)致密封失效[1-2]。

本文選取滁州瑞興化工有限公司CS2反應(yīng)爐出口處的連接法蘭作為分析對(duì)象，分析在預(yù)緊狀態(tài)下墊片的比壓力分布，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的管道布局和工作狀況，計(jì)算管道在熱膨脹等因素下對(duì)法蘭的作用力，進(jìn)而分析法蘭在外力作用下的連接密封性能。

2 螺栓法蘭密封機(jī)理

法蘭安裝時(shí)，對(duì)螺栓進(jìn)行逐個(gè)預(yù)緊，法蘭環(huán)的密封面通過(guò)緊固螺栓所施加的壓力而緊密接觸。當(dāng)墊片被壓緊后，墊片開(kāi)始變形，隨著比壓的增大，墊片的變形變大，開(kāi)始逐漸將墊片表面擠壓到法蘭密封面的波谷中去，當(dāng)墊片單位面積上的壓緊力達(dá)到墊片密封比壓時(shí)，墊片就填滿整個(gè)波谷，阻止介質(zhì)從界面滲透出來(lái)，達(dá)到密封效果。在操作狀態(tài)下，介質(zhì)壓力、溫度升高，因而一方面使緊固螺栓受拉伸，導(dǎo)致法蘭密封面和墊片相接觸的壓緊面產(chǎn)生分離趨勢(shì)，墊片在預(yù)緊時(shí)所形成的壓縮量減小，壓緊面上的密封比壓下降；另一方面，墊片在預(yù)緊時(shí)，壓縮變形中的彈性變形部分隨著壓緊面的分離趨勢(shì)必然要恢復(fù)而產(chǎn)生回彈作用，其壓縮變形的回彈量補(bǔ)償因螺栓的伸長(zhǎng)所引起的壓緊面分離。只要作用在密封面墊片上的密封比壓仍能達(dá)到墊片的密封比壓時(shí)，就能阻止介質(zhì)從界面泄漏出來(lái)，滿足密封的要求。[3-4]

3 管道作用力分析

根據(jù)實(shí)際管道布局，采用CAESAR 管道應(yīng)力分析軟件建模，建立模型如圖1 所示。

圖1 管道應(yīng)力模型

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況，進(jìn)行管道熱應(yīng)力分析，提取管道對(duì)法蘭的作用力和作用力矩，統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 熱應(yīng)力分析結(jié)果

由表1 可見(jiàn)，操作工況下，管道對(duì)法蘭的作用力和作用力矩最大。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，選取操作工況(OPE)下的作用力和作用力矩進(jìn)行分析。

4 螺栓法蘭結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度，初步選用法蘭的壓力等級(jí)為Class 600。采用三維建模軟件Solidworks 建立螺栓法蘭連接的三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench 平臺(tái)中，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，實(shí)體模型和有限元模型如圖2，3 所示。

法蘭材質(zhì)：2520；法蘭代號(hào)：WN DN150-Class 600-RF；墊片形式：金屬纏繞墊片；螺柱規(guī)格：12-M27x185。

圖2 實(shí)體模型

圖3 有限元模型

5 螺栓預(yù)緊力計(jì)算

根據(jù)GB 150-2011《鋼制壓力容器》，計(jì)算法蘭預(yù)緊力如下[3][5]：（1）法蘭密封面外徑d=216mm；（2）D 型纏繞墊內(nèi)徑D2=174.8mm，纏繞墊外徑D3=209.6mm，墊片寬度N=17.4mm，D3＜d；（3）查墊片系數(shù)m=3，比壓力y=68MPa，管線設(shè)計(jì)壓力(PC)1.45MPa；每個(gè)螺栓需要的預(yù)緊力為F=29 156N。

6 有限元分析求解

利用ANSYS Workbench 平臺(tái)進(jìn)行螺栓——法蘭連接結(jié)構(gòu)的有限元分析，必須要設(shè)定二個(gè)載荷步（Loadstep）：

（1）第一載荷步（Loadstep 1）施加螺栓預(yù)緊力：在每個(gè)螺柱處建立局部坐標(biāo)系，對(duì)每個(gè)螺柱施加預(yù)緊載荷，作為結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)。

（2）第二載荷步（Loadstep 2）施加外載荷：根據(jù)管道應(yīng)力分析的計(jì)算結(jié)果，施加外部作用載荷；同時(shí)，施加操作狀態(tài)下的工作壓力。

預(yù)緊狀態(tài)下墊片的比壓力分析如圖4 所示。由圖可見(jiàn)，在預(yù)緊狀態(tài)下，墊片的比壓力沿環(huán)向分布均勻，由外緣向內(nèi)逐漸遞減，外緣承受的比壓力最大，為97.385MPa，大于墊片的預(yù)緊比壓力68MPa，從而在墊片外緣形成一條環(huán)形的預(yù)緊密封帶，可以滿足密封要求。

圖4 預(yù)緊狀態(tài)墊片的比壓力分布

圖5 外力作用下墊片的比壓力分布

圖6 比壓大于68MPa的區(qū)域分布

圖7 壓大于68MPa 的區(qū)域分布

工作狀態(tài)，在管道外力作用下，墊片的比壓力分析如圖5所示。由圖可見(jiàn)，在外力的作用下，墊片的比壓力分布不再沿環(huán)向均勻，沿X 軸負(fù)半軸外緣比壓力最大，為136.54MPa。對(duì)應(yīng)的X 軸正半軸比壓力較小。這是由于外力（矩）的作用下，墊片的X軸負(fù)半軸部分受壓而正半軸部分受拉，分析結(jié)果和力的作用效果一致。圖6 是墊片比壓力大于68MPa 的區(qū)域分布，可以看出，X 軸正半軸部分出現(xiàn)了一個(gè)缺口，這表示此區(qū)域內(nèi)墊片的比壓力均小于68MPa，法蘭的密封失效。

上述計(jì)算表明，在此種管道布置下，工作狀態(tài)時(shí)由于管道對(duì)法蘭的作用力，法蘭無(wú)法滿足密封要求，需要對(duì)法蘭的選型進(jìn)行修改。

本文對(duì)壓力等級(jí)為Class 900 的法蘭進(jìn)行了重新計(jì)算，根據(jù)螺栓的屈服強(qiáng)度，可施加的最大預(yù)緊力為40 338N，在同樣的外載荷作用下，墊片的比壓力分布如圖7 所示。由圖可見(jiàn)，墊片比壓大于68MPa 的區(qū)域形成一個(gè)封閉的環(huán)，表明墊片剛好形成一個(gè)封閉的環(huán)形密封帶，法蘭的密封有效。

7 結(jié)論

計(jì)算表明，選用Class 600 等級(jí)的法蘭，在預(yù)緊狀態(tài)及只受內(nèi)壓時(shí)，墊片的比壓力大于最小密封比壓，可以滿足密封要求。但是在實(shí)際工況下，由于管道熱膨脹及管道壓力等外力的作用，Class 600 等級(jí)的法蘭墊片的比壓小于最小密封比壓，法蘭密封失效。改用Class 900 等級(jí)的法蘭，可以滿足密封要求。

利用ANSYS Workbench 平臺(tái)進(jìn)行螺栓預(yù)緊力模擬時(shí)，需要設(shè)定為二個(gè)載荷步（Loadstep），在第一載荷步（Loadstep 1）中施加螺栓預(yù)緊力，并作為結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)，在第二載荷步（Loadstep 2）中施加外力的作用。利用Workbench 平臺(tái)可以對(duì)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的密封系能進(jìn)行模擬分析，對(duì)工程實(shí)際具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]宋兆哲.靜密封過(guò)程中墊片的密封機(jī)理及失效分析[D].昆明理工大學(xué)，2011.

[2]杜鵑.螺栓法蘭的三維有限元及緊密性能分析[D].東北石油大學(xué)，2011，3.

[3]沈躍輝.HU871 熔體熱媒熱交換器封頭法蘭密封的失效分析及處理[J].金山油化纖，2003，3.

[4]陸秉權(quán)，王海龍，周小飛.應(yīng)用有限元技術(shù)計(jì)算螺栓聯(lián)接的方法研究[J].黑龍江電力，2004，4.

[5]GB150-2011 壓力容器，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[S].