內(nèi)壓和溫度對螺栓法蘭接頭緊密性的影響*

魏明福劉美紅

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

墊片螺栓連接廣泛應(yīng)用在管道和壓力容器中需要周期性拆除維護(hù)的部件上，墊片法蘭系統(tǒng)使得拆除這些部件變得方便快捷。墊片法蘭接頭的失效機(jī)制有材料失效和泄漏兩種，因此，其接頭的設(shè)計(jì)必須預(yù)防這兩種失效機(jī)制。當(dāng)前，許多的研究僅僅考慮內(nèi)壓[1～3]，Abid M在內(nèi)壓、軸向和彎曲載荷下展開了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，得出法蘭接頭的強(qiáng)度和泄漏失效機(jī)制[4]。當(dāng)前法蘭接頭的設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒有考慮溫度的影響，為了研究在內(nèi)壓和溫度載荷作用下墊片法蘭系統(tǒng)的密封性能，筆者利用ABAQUS建立了三維有限元模型，該模型充分考慮了墊片法蘭的接觸非線性，同時(shí)允許流體在墊片和法蘭接觸壓力損失處發(fā)生滲透。

1 有限元模型的建立

1.1螺栓法蘭連接的幾何模型

法蘭選用ASME/ANSI B 16.5標(biāo)準(zhǔn)中NPS4 Class150 帶頸對焊法蘭[5]，其材料為A105，彈性模量和泊松比分別為17.358GPa和0.3，許用應(yīng)力為248.2MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為47W/(m·℃)，熱膨脹系數(shù)為1.25×10-5。螺栓數(shù)目為8，規(guī)格為M16，材料為A197-B7，許用應(yīng)力為723.9MPa，彈性模量和泊松比分別為16.822GPa和0.3，導(dǎo)熱系數(shù)為37W/(m·℃)，熱膨脹系數(shù)為1.41×10-5。墊片材料為無石棉紙金屬纏繞墊片，其規(guī)格為φ106.4mm×φ157.5mm×3mm，墊片系數(shù)m為3.6，墊片材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈非線性關(guān)系，如圖1所示[6]。

圖1 墊片的壓縮回彈曲線

1.2有限元模型

由于螺栓法蘭墊片連接系統(tǒng)的對稱性，選取1/16結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖2所示。熱分析時(shí)螺栓、法蘭、墊片選用的單元均采用C3D8T單元來模擬，該單元是一個(gè)具有8節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體熱單元。當(dāng)采用結(jié)構(gòu)分析時(shí)，螺栓、法蘭采用的是C3D8單元來模擬，墊片采用的是三維實(shí)體單元GK3D8N，該單元能很好地模擬墊片的非線性行為，并進(jìn)行接觸分析。采用小滑移公式來模擬螺母和法蘭之間的接觸。劃分單元時(shí)采用手動(dòng)分塊劃法，該模型最終的節(jié)點(diǎn)數(shù)為22 647，單元數(shù)量為18 822。

圖2 1/16螺栓法蘭墊片連接系統(tǒng)有限元模型

熱分析時(shí)，管道、法蘭和墊片的內(nèi)側(cè)受介質(zhì)溫度的影響，需施加對流換熱系數(shù)；同樣，外側(cè)受到環(huán)境溫度的影響也需要施加對流換熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)熱邊界條件下，不同內(nèi)部溫度(100～400℃)的對流換熱系數(shù)為150W/(m2·℃)；外部溫度為20℃時(shí)的對流換熱系數(shù)為20W/(m2·℃)。

結(jié)構(gòu)分析時(shí)，假設(shè)法蘭上筒體端面為自由端，下端墊片中心面的軸向位移為零；墊片兩側(cè)、螺栓橫截面、法蘭和管道的兩側(cè)施加對稱邊界條件，限制其法向的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)；螺栓徑向和切線方向的位移被限制。

熱結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用順序耦合法，首先進(jìn)行熱分析，得到節(jié)點(diǎn)溫度分布，其次進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。加載順序?yàn)椋菏┘勇菟A(yù)緊力；施加內(nèi)部壓力p=5MPa在模型的內(nèi)表面上，為了模擬由于內(nèi)壓而產(chǎn)生的軸向拉伸應(yīng)力，需在管道的端面上施加一個(gè)等效的當(dāng)量應(yīng)力Peq=pR/s；把熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷直接施加在應(yīng)力分析中。

2 熱結(jié)構(gòu)耦合時(shí)墊片的應(yīng)力和緊密性分析

圖3為螺栓預(yù)緊力25kN，內(nèi)壓5MPa，內(nèi)部溫度分別為100、400℃時(shí)墊片的三維接觸壓力分布，可以看出墊片和法蘭的接觸面上超過3/4的墊片接觸壓力基本上是損失的，且隨著溫度的不斷升高其接觸壓力損失帶增加，環(huán)狀密封帶變窄。在墊片的外緣處壓緊力最大，且比施加的內(nèi)壓和墊片保持緊密性所需的最小壓力要大得多，這樣就能滿足法蘭系統(tǒng)的密封要求，防止泄漏的產(chǎn)生，模擬對象所適用的金屬纏繞墊片系數(shù)m為3.6，所以其緊密性所需的最小壓力為mp=18MPa[5]。從圖3中還可以看出墊片周向上的應(yīng)力分布也是不均勻的，靠近螺栓側(cè)的墊片應(yīng)力要大些，這與實(shí)際情況很相符。

圖3 三維墊片接觸壓力分布

圖4為螺栓預(yù)緊力25kN，內(nèi)壓5MPa，內(nèi)部溫度分別為100、200、300、400℃時(shí)墊片的接觸壓力分布曲線。圖4同樣表明超過3/4的墊片和法蘭接觸面的接觸壓力是損失的，和三維有限元分析結(jié)果保持一致。但是隨著溫度的不斷增加，墊片的接觸壓力呈下降趨勢。溫度為0℃時(shí)，墊片的接觸壓力與其保持緊密性所需的最小壓力不相交，說明此時(shí)密封效果很好。當(dāng)隨著溫度的不斷增加，接觸壓力不斷降低，與墊片保持緊密性所需的最小壓力有交點(diǎn)，此時(shí)說明流體已經(jīng)開始滲透，但是沒有達(dá)到平均值，所以仍能保持密封效果。

圖4 不同溫度下墊片的接觸壓力

ASME規(guī)范中明確規(guī)定，保持墊片緊密性的最小墊片壓力是mp,且比平均計(jì)算壓力低，在圖4中得到很好的印證。ASME墊片設(shè)計(jì)計(jì)算公式是假定墊片和法蘭的接觸壓力在墊片中間位置開始壓力滲透[5]，因?yàn)锳SME墊片壓力mp僅僅作用在墊片的外半面。然而計(jì)算得到的有限元結(jié)果損失比例為75%，那是因?yàn)槟M時(shí)考慮了內(nèi)壓和溫度的影響所致，但是通過有限元分析得到墊片接觸壓力的最大值和平均值要比ASME規(guī)范要大，這些結(jié)果表明用ASME墊片設(shè)計(jì)公式計(jì)算得到的螺栓載荷能保持墊片法蘭接頭的緊密性。通過有限元計(jì)算得到最大墊片接觸壓力位于墊片外緣1/4部分，主要是因?yàn)樵试S壓力滲透，一些螺栓載荷被作用在法蘭接觸面上的壓力平衡所致。因此可以通過有限元分析的方法來研究墊片的泄漏緊密性。

3 結(jié)論

3.1墊片徑向上的壓緊應(yīng)力是不均勻的，主要集中在靠近墊片外緣的1/4部分，墊片周向上的應(yīng)力分布也是不均勻的，靠近螺栓側(cè)的墊片應(yīng)力要大些，這與實(shí)際情況很相符。

3.2在墊片的外緣1/4部分存在著較高接觸壓緊力的閉合環(huán)帶，它對接頭的緊密性有著非常關(guān)鍵的作用。隨著溫度的提高其密封閉合環(huán)帶不斷變窄，墊片的接觸壓力不斷降低，而介質(zhì)也不斷由內(nèi)向外滲透到墊片密封面中。當(dāng)墊片接觸壓力降低到ASME規(guī)范中規(guī)定的平均接觸壓力時(shí)，說明介質(zhì)已達(dá)墊片外側(cè)，法蘭接頭發(fā)生泄漏。因此，可以通過有限元分析的方法來研究墊片的泄漏緊密性。

[1] Abid M, Nash D H. Comparative Study of the Behaviour of Conventional Gasketed and Compact Non-Gasketed Flanged Pipe Joints under Bolt up and Operating Conditions[J]. Int J Pressure Vessels Piping，2004，80(12):831～841.

[2] 杜坤, 劉美紅.基于螺栓法蘭連接系統(tǒng)的墊片應(yīng)力分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013，(5):88～90.

[3] 魏明福, 劉美紅，李遇賢，等.一種無石棉金屬纏繞墊片壓緊應(yīng)力的解析算法[J]. 潤滑與密封,2014,39(4):79～83.

[4] Abid M. Experimental and Analytical Studies of Conventional (Gasketed) and Unconventional (Non Gasketed) Flanged Pipe Joints(With Special Emphasis on the Engineering of ‘Joint’ and ‘Sealing’)[D]. Glasgow：University of Strathclyde，2000.

[5] ASME 1996, Boiler and Pressure Vessel Code, Section X[S]. New York: American National Standards Institution，1996.

[6] 孫巖, 劉美紅，李遇賢，等. 無石棉紙金屬纏繞墊片壓縮回彈曲線的擬合及預(yù)測[J].機(jī)械工程材料,2013,37(4):75～77.