基于有限元的高壓法蘭密封性能研究

林國軍

（西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠忠縣分廠，重慶 404300）

基于有限元的高壓法蘭密封性能研究

林國軍

（西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠忠縣分廠，重慶 404300）

利用ANSYS軟件建立了高壓法蘭接頭的有限元模型，對影響法蘭接頭連接性能的因素進行了研究。重點分析了摩擦系數、螺栓預緊力、螺栓預緊力不均勻對高壓法蘭密封性能的影響。結果表明，隨著摩擦系數增加，高壓法蘭的密封性能先減弱后增強，在f=0.2時金屬墊環的接觸應力最小，密封性能最差。螺栓預緊力越大，高壓法蘭的密封性能越好；預緊力大于80kN時，金屬墊環將發生塑性變形。不同的螺栓預緊力不均勻的方式，對高壓法蘭密封的影響程度不同。

法蘭；預緊力；金屬密封；ANSYS

法蘭接頭是由法蘭、墊片和螺栓連接件構成的獨立組件，其作用是將容器或管道的各承載體組合在一起，抵抗內部載荷的作用，并保證連接部位的密封性［1］。該連接方式主要用于壓力高于10MPa的管道或設備，廣泛應用于石油天然氣工業、核電、航空航天等高風險性領域。一旦連接失效，輕則造成財產損失，重則導致人員傷亡、環境污染等事故［2］。因此，法蘭接頭除了滿足基本的結構強度外還應具有良好的密封性能［3］。

金屬八角墊密封屬于金屬密封的一種，通常被應用于油氣輸送管、壓力容器等系統。其密封機理是：在螺栓預緊力作用下，金屬墊圈被法蘭擠壓并發生彈塑性變形，與法蘭面形成初始密封。工作過程中由于高壓流體的作用，法蘭受到與預緊力方向相反的工作壓力，致使金屬墊圈與法蘭間接觸應力減小。如果法蘭密封面上接觸應力大于介質壓力，就能實現良好密封；否則，將導致連接失效，介質泄漏。

法蘭接頭由多個零件組成，因此考察其密封性能時，必須將連接結構作為一個整體綜合考慮［4］。傳統的理論解析法對結構做了大量簡化，忽略了面接觸等非線性因素的影響，計算結果誤差較大［5］。本文采用有限元軟件建立了用于高壓氣田地面輸送管道的法蘭接頭有限元模型，分析了螺栓預緊與工作情況下接頭的應力應變特征，著重研究了摩擦系數、螺栓預緊情況對接頭密封性能的影響。

1　法蘭接頭模型建立

本文采用API 6A標準法蘭，規格型號為6BX69MPa（10000psi），尺寸41/16〃，與之配合的八角墊環型號為BX155，雙頭螺柱為M30，個數8個，建立的法蘭接頭三維模型如圖1所示。

圖1　法蘭接頭三維模型

采用ANSYS有限元軟件對所建立的模型進行數值分析。法蘭、螺栓以及墊圈所對應的材料及力學性能參數如表1所示。同時，為了提高計算精度，對模型進行六面體網格劃分，所得有限元模型如圖2所示。首先，在模型對稱面上施加對稱約束，為避免計算過程中出現剛體位移，在法蘭上端面施加固定約束，法蘭與墊圈接觸添加摩擦接觸約束，螺栓上施加預緊力載荷。

表1　零件力學性能參數

圖2　法蘭接頭有限元模型

2　接頭應力分布特征

2.1無內壓工況下

預緊力為F=10kN，摩擦系數為0.2，無內壓時，計算得到法蘭的應力法蘭接頭的應力和金屬墊環的接觸應力云圖，如圖3所示。可以看出，接頭的最大應力出現在金屬墊環的密封面上，法蘭接頭最大應力達到54.75MPa。金屬墊環的密封面上，最大接觸應力達到68.8MPa。且與外圈接觸面相比，內圈的接觸應力稍大。

a法蘭接頭Von-Mises應力圖

圖3　法蘭接頭應力圖

2.2內壓工況下

預緊力為F=10kN，摩擦系數為0.2，介質壓力為30MPa時，計算得到法蘭的應力法蘭接頭的應力和金屬墊環的接觸應力云圖，如圖3所示。此時法蘭接頭的最大應力達到75.22MPa，最大應力出現在法蘭的接頭處，這是因為法蘭兩端壁厚較小，加之建模時沒有考慮實際連接管件對接頭的約束，但是根據圣維南原理，其對密封的影響可忽略。同時，內圈接觸壓力仍大于外圈。與無內壓情況下相比（圖3），介質壓力具有一定的助封作用。

3　表面粗糙度對密封影響

在仿真中不同的表面粗糙度對應不同的摩擦系數，在預緊力為F=10kN，無內壓情況下分別取摩擦系數f= 0.01、0.05、0.1、0.15、0.2，所得金屬墊圈Von-Mises應力與接觸應力值如表2所示。可以看出，隨著摩擦系數的增加，Von-Mises應力和接觸應力均減小。其他摩擦系數對應的接觸應力相比，摩擦系數為0.2時，接觸應力變化幅度最大。故推薦使用摩擦系數為0.15。

表2　不同摩擦系數下墊環結果

4　螺栓預緊方案對密封影響

4.1預緊力對密封性影響

螺栓的預緊力的大小直接影響法蘭與墊圈的接觸應力大小，影響密封性能。因此，在介質壓力為30MPa，摩擦系數f=0.15的情況下，分別分析了預緊力為F=10kN、20kN、40kN、60kN、80kN、100kN時，金屬墊環的Von-Mises應力和墊環與法蘭的接觸力的情況。所得結果如表3所示。預緊力越大，墊環的Von Mises應力值越大，當預緊力F=100kN時，墊環的應力值超越了材料的屈服強度480MPa。金屬墊環與法蘭的接觸應力也隨預緊力的增大而增大，且接觸應力值均大于介質壓力30MPa，如果螺栓的預緊力過小，則可能導致密封面的接觸應力過小，當低于介質壓力時就會引起密封失效。

表3　不同預緊力下墊環計算結果

4.2預緊力不均勻對密封影響

在實際安裝過程中，由于人為因素等原因，每個螺栓的預緊力不可能完全相同（未上緊的螺栓預緊力F= 1kN，其他的螺栓預緊力F=10kN），繼而引起法蘭與金屬墊圈接觸面上的接觸壓力分布不均勻，影響密封性能。為了方便表示，對螺栓按1-8進行編號，如圖4所示。在摩擦系數f=0.25，介質壓力為30MPa的情況下，研究各種預緊力不均勻的情況，計算得到在各種情況下，金屬墊環Von-Mises應力和墊環與法蘭的接觸應力，如圖5所示。

a法蘭接頭Von-Mises應力圖

圖4　法蘭接頭應力圖

圖5　螺栓編號

可以看出，當有兩根螺栓未預緊時，比單根螺栓未預緊時對法蘭密封性的影響要大，但同時它們之間的相對位置對金屬墊環的Von-Mises應力和接觸應力影響完全不同，總體趨勢是：兩根未上緊螺栓相對位置越遠時，對于金屬墊環的Von-Mises應力和接觸應力影響越大；而兩根未上緊螺栓相對位置越近，對于金屬墊環的Von-Mises應力和接觸應力影響越小，但在螺栓未上緊處的應力減小越大。

圖6　5種情況下墊環Von-Mises和接觸應力云圖

5　結論

通過對法蘭接頭有限元建模以及影響密封性能因素的詳細分析，可以得出以下主要結論：

①金屬墊圈的內圈接觸壓力始終大于外圈，與無內壓工況相比，介質壓力具有一定的助封作用。

②隨著摩擦系數的增加，接頭的接觸應力減小。推薦使用摩擦系數為0.15。

③應合理地選擇預緊力，預緊力過大會導致接觸面發生塑性變形；若過小則無法起到密封作用。

④未完全預緊螺栓的相對位置對墊環Von-Mises應力和接觸應力影響程度不同。

［1］王等旺，李捷，王昭，等.爆炸容器法蘭變形試驗研究與數值模擬［J］.壓力容器，2014（04）：25-30.

［2］廖傳軍，滿滿，王洪銳，等.徑向受載型金屬墊片法蘭密封結構的力學特性研究［J］.壓力容器，2014（03）：40-44.

［3］王和慧，盧均臣，關凱書，等.帶接管組合法蘭的強度和密封有限元分析［J］.壓力容器，2012（02）：22-29.

［4］范淑玲.金屬與金屬接觸型螺栓法蘭接頭完整性的研究［D］.上海：華東理工大學，2013.

［5］徐學真，黃建冰，孫偉明.帶金屬O型環法蘭的密封性能有限元分析［J］.浙江工業大學學報，2014（06）：686-689.

Research on the Sealing Performance of High Pressure Flange based on Finite Element Method

Lin Guojun
（Southwest Oil and Gas Field Branch Company Chongqing Natural Gas Purification Plant Zhongxian Branch，Chongqing 404300）

The finite element model of the high pressure flange joint was established by using ANSYS software，and the factors affecting the connection performance of the flange joints were studied.The influence of friction co?efficient，the pre tightening force of the bolt and the uneven force of the bolt on the sealing performance of the?high pressure flange were analyzed.The results show that with the increase of the friction coefficient，the sealing?performance of the high pressure flange is weakened and then strengthened，and the contact stress is minimum and the sealing performance is the worst when f=0.2.The greater the pre tightening force of the bolt，the better sealing performance of the high pressure flange，and the plastic deformation of the metal pad ring will appear when the force is greater than 80kN.Different bolt pre tightening force is not uniform，their impact onthe high pres?sure flange sealing is different.

flange；pre tightening force；metal seal；ANSYS

TG455

A

1003-5168（2015）05-0029-4

2015-4-20

林國軍（1986—），男，本科，工程師，研究方向：天然氣凈化廠設備（容器、管道、轉動設備等）檢維修。