罐車液相法蘭密封性能影響因素研究*

陳躍虎 錢鈺延 韓 進 覃澤森 鄭逸翔 張 洋 王啟立

(1.中國礦業大學化工學院 江蘇徐州 221116; 2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 江蘇徐州 221007)

罐體上的復雜氣液相管路、安全附件和承壓器件等常采用螺栓法蘭結構實現連接或密封。罐體長時間受溫度變化和罐內液體沖擊的相互作用，螺栓法蘭密封系統可能出現變形、蠕變和應力松弛等變化，影響法蘭結構的密封性能，造成罐車泄漏事故。罐車運載的介質多為石化產品，極易發生火災和爆炸等事故。

法蘭結構的密封性能一直是國內外學者研究的熱點。ZHU等[1]利用非線性有限元模型確定每個螺栓的初始預緊載荷，并進行實驗驗證。BORTZ和WINK[2]考慮法蘭內部的壓力作用，利用有限元模型分析內壓作用對法蘭泄漏的影響，推導出評估法蘭泄漏的簡易規則。ALJUBOURY等[3]用ANSYS中壓力滲透準則模擬螺栓法蘭的泄漏，得到螺栓載荷和泄漏點內部壓力之間存在線性關系，螺栓載荷對泄漏點的影響隨著內部壓力的增加而減少的結論。ABID和KHAN[4]對螺栓法蘭接頭進行非線性有限元分析，研究了法蘭結構在內壓、軸向和彎曲載荷下的密封性能，并將分析結果和實驗結果進行了比較，以驗證所開發的數值分析方法。ABID等[5]采用有限元模型分析了螺栓連接法蘭在內壓載荷和溫度載荷下的強度和密封性能，確定了法蘭可以承受的聯合載荷范圍。RINO NELSON等[6]指出單雙墊片法蘭接頭承受內壓載荷的能力隨溫度的升高而降低，在給定的螺栓預緊載荷和溫度下，雙墊片法蘭接頭的密封性能優于單墊片。孫杰等人[7]對高溫工況下的墊片蠕變效應進行了研究，結果表明，當溫度急劇變化時，墊片的蠕變效應會加劇，從而使法蘭密封失效提前發生。羅從仁等[8]通過有限元模擬研究了溫度對墊片應力的影響，結果表明，溫度升高墊片應力會降低，且溫度升高過快會對墊片密封性造成不可逆的破壞。

上述關于法蘭密封的研究，僅分析法蘭在簡單環境中的失效情況，缺乏在復雜生產實際中的應用。本文作者將法蘭失效分析方法和生產實際緊密貼合，將其應用在罐車領域，拓寬其應用范圍。文中以某型號液氨罐車為研究對象，分析該罐車液相法蘭的密封原理和影響密封性能的相關因素，并對其數值模擬分析，為罐車液相法蘭密封的設計和優化提供了參考。

1 液相法蘭密封原理和影響因素

該型號液氨罐車液相密封的螺栓法蘭由螺栓、墊片和法蘭盤組成，采用凹面/凸面(MFM)的密封面型式。法蘭密封系統承受預緊載荷、介質內壓載荷、溫度熱載荷以及其他載荷。這些載荷影響螺栓密封性能，其中預緊載荷可使法蘭墊片在密封面上獲得墊片預緊應力，墊片受壓后產生的變形量可以堵住密封表面的泄漏孔隙，實現密封；介質壓力變化會引起密封結構發生變形從而破壞密封條件；溫度波動產生的熱應力會使法蘭密封結構發生變形伸縮，當變形不一致時可能會引起泄漏。

罐車液相法蘭結構中起主要密封作用的是墊片，在液相法蘭中非金屬墊片使用較多，但其抗蠕變松弛性差，是導致法蘭系統密封性能失效的主要原因[9]。文中以常用的聚四氟乙烯(PTFE)墊片為例研究罐車液相法蘭的密封和泄漏，該墊片密封性能優于其他墊片，但易出現蠕變冷流現象[10]。通常采用改性技術來提高PTFE墊片的綜合性能，但不可忽視改性后的蠕變松弛性[11]。在實際安裝過程中法蘭盤的密封面之間會產生部分凹陷區域，墊片的有效密封面積將會減少，影響法蘭密封性能。基于以上考慮，文中從墊片失效變形、介質內壓載荷和溫度變化三方面研究其對法蘭密封系統的影響。

2 液相法蘭的有限元模型及模擬

2.1 液相法蘭物理模型

該型號液氨罐車的罐體設計壓力為1.91 MPa，設計溫度為50 ℃，工作溫度范圍為-40～50 ℃。其液相法蘭密封系統主要結構部件及幾何參數見表1。根據法蘭具體尺寸對液相法蘭建模，幾何模型如圖1所示。法蘭各部件選用材料及特性參數見表2。

表1 液相法蘭系統各部件參數Table 1 Parameters of various components of liquid phase flange system

圖1 液相法蘭三維模型Fig.1 3D model of liquid phase flange

表2 液相法蘭的相關材料參數Table 2 Relevant material parameters of liquid phase flange

2.2 邊界條件

物體的面和面相切時即形成接觸，在罐車液相法蘭中存在很多接觸，在模擬過程中需要對其進行初始設置。文中模型中，法蘭各部分的接觸和對應約束如表3所示，在模擬過程中墊片的接觸設置非常重要，模擬時需要對其設為粗糙[12]，墊片的上表面和下表面設定為接觸面(Contact)、法蘭盤及凸緣的對應表面設定為目標面(Target)。液相法蘭凸緣外側與罐體相焊接，法蘭盤內安裝液相緊急切斷閥后再焊接管路，模擬過程中需要對凸緣外側和法蘭內側壁面分別施加固定約束(Fix Support)和位移約束(Displacement)。

表3 法蘭系統中接觸類型Table 3 Types of contact in the flange system

由前文分析可知液相螺栓法蘭所受載荷主要是螺栓預緊載荷、介質內壓載荷、溫度熱載荷，結合模型具體尺寸，用預緊工況時螺栓預緊載荷公式(1)[14]計算出理論預緊載荷為6.3 kN。查液氨對應溫度下的蒸汽壓數據[13]，可知，在0、26、36、42 ℃時液氨的蒸汽壓值分別為0.43、1.03、1.39、1.64 MPa。結合當地氣溫設置最低溫、正常和最高溫分別為-15、25、45 ℃。

Wa=πbDGy

(1)

式中：Wa為螺栓預緊載荷；DG為墊片載荷作用中心直徑；y為墊片預緊比壓；b為墊片的有效密封寬度。

2.3 網格劃分

墊片的網格劃分利用Workbench材料庫中墊片模型(Gasket Model)，再使用掃掠(Sweep)在其厚度方向上劃分一層網格，從而獲得墊片在后續模擬中的變形量和對應的殘余壓應力值。對液相法蘭凸緣、法蘭盤等其他部件采用六面體主導(Hex Dominant)劃分網格。以預緊工況下模擬結果中墊片的最大應力為指標進行網格無關性驗證，當單元數為89 475、118 253和134 874時，最大應力分別為17.35、19.55、20.12 MPa。綜合考慮計算時間與仿真誤差近似認為網格數118 253可滿足網格無關性要求，最終設置全局尺寸大小為1.5 mm，對應的節點數465 538個。建立的液相法蘭有限元模型如圖2所示。

圖2 液相法蘭有限元模型Fig.2 Finite element model of liquid phase flange

3 模擬結果和分析

3.1 預緊工況下密封墊片的變形失效

液氨罐車液相法蘭的緊急切斷閥安裝完成后，閥體的根部內芯平面與法蘭盤密封面之間會形成如圖3所示的凹陷區域。為分析墊片此時的變形特征，對模型中的螺栓依次施加6.3 kN的預緊載荷，模擬時將預緊載荷設置為鎖定(Lock)，打開大變形(Large Deflection)選項，模擬結果如圖4所示。分析計算結果，密封墊片在凹陷區域出現屈曲變形，從外邊緣開始出現明顯的變形，沿螺栓的預緊方向(Y軸方向)有最大變形量0.94 mm，凹陷區域的徑向距離為6.80 mm，造成墊片損失20.9%的有效密封面積。此時墊片不能將密封表面存在的變形和間隙全部堵住，容易發生泄漏。模型計算的結果和圖5所示的失效密封墊片樣品的內側屈曲凹陷變形一致，驗證模型計算的正確性。

圖3 切斷閥閥體與密封面之間的凹陷Fig.3 The depression between the shut-off valve body and the sealing surface

圖4 密封墊片凹陷區域變形模擬結果Fig.4 Simulation results of deformation in depression area of sealing gasket

圖5 失效密封墊片Fig.5 Failed sealing gasket in actual situation

前述模擬分析表明，液氨罐車液相法蘭的緊急切斷閥安裝完成后，閥根的內芯平面與法蘭盤密封面之間會有凹陷區域，易造成法蘭密封失效。為此，可采取以下改善措施：一是在切割PTFE墊片內徑時，應參照法蘭密封面內徑，保證墊片與密封面參數匹配；生產切斷閥時應結合液相法蘭盤結構調整閥體的幾何尺寸，保證閥體安裝后根部與法蘭盤密封面處于同一平面度，增加墊片的密封面積，提高液相法蘭的密封性能；法蘭在預緊過程中應使用扭矩扳手按交叉預緊方法，加載至少1.5倍的理論計算預緊載荷進行預緊操作。施加的預緊載荷，由螺栓擰緊扭矩公式[15]計算，即

T=1.5kWaDB/n

(2)

式中：k為擰緊力矩系數；DB為螺栓公稱直徑；n為螺柱個數。

k按經驗取為0.29，Wa=6.3 kN，DB=16 mm，n=8個，計算得T=43.84 N·m，即每個螺母用扭矩扳手至少施加43.84 N·m的預緊扭矩，保證液相法蘭接頭的穩定密封。

3.2 內壓載荷對密封特性的影響

液氨是液化氣體，其飽和蒸汽壓受溫度影響較大，選取液氨在0、26、36、42 ℃時的蒸汽壓值作為內壓載荷，即將內壓載荷分別設置為0.43、1.03、1.39、1.64 MPa后進行模擬分析，得到介質內壓載荷對應的墊片殘余壓應力云圖如圖6所示。殘余壓應力沿墊片徑向方向不是平均分布，在徑向方向上創建路徑(Path)后，提取的墊片殘余壓應力的最大值、最小值和平均值如表4所示。可見，隨著介質內壓載荷增大，墊片的最大殘余應力略微下降，平均殘余應力和最小殘余應力基本保持不變。當墊片系數m與介質內壓載荷p的乘積小于墊片的殘余壓應力時，滿足密封條件[16]。墊片最小殘余壓應力值是決定密封條件的最小壓力值，根據表4結果，墊片所獲得的最小殘余壓應力為6.99 MPa，最大的內壓載荷p=1.64 MPa，所使用的PTFE墊片系數m=2.5，計算結果滿足密封條件。因此，表面液氨蒸汽壓的波動，不會對罐車液相法蘭系統的預緊狀態和密封性能產生明顯影響。

圖6 不同介質內壓下殘余壓應力云圖(MPa)Fig.6 Residual compressive stress cloud chart of sealing gasket under different internal pressure load(MPa):(a)0.43 MPa;(b)1.03 MPa;(c)1.39 MPa;(d)1.64 MPa

表4 不同介質內壓條件下的應力計算結果Table 4 Stress calculation results for internal pressure load

3.3 環境溫度對密封特性的影響

環境溫度變化時法蘭材料發生熱脹冷縮，在環境溫度與預緊載荷的耦合作用下，法蘭系統的初始變形協調關系會發生改變，影響法蘭系統的密封特性。結合當地氣溫設置最低溫度、正常溫度和最高溫度分別為-15、25和45 ℃，不同溫度下對應的墊片殘余壓應力云圖如圖7所示。同理提取各項應力值如表5所示。以環境溫度25 ℃為基準，隨著溫度降低到-15 ℃時，墊片的殘余壓力應力值平均降低11.0%，決定密封條件的最小壓力值降低19.7%；隨著溫度升高到45 ℃，墊片的殘余壓應力值平均增加7.9%，決定密封條件的最小壓力值增加14.4%。溫度的升高和降低帶來的溫度載荷變化對法蘭的密封特性影響較大，因此當工作溫度較基準環境溫度明顯變化時，應檢查法蘭密封狀態，或考慮對法蘭重新預緊，也可采取適當增加預緊力。

圖7 不同溫度下墊片殘余壓應力云圖(MPa)Fig.7 Residual compressive stress cloud chart of sealing gasket under different ambient temperature condition(MPa): (a)25 ℃;(b)-15 ℃;(c)45 ℃

表5 不同溫度條件下的應力計算結果Table 5 Stress calculation results for different temperature conditions

4 結論

以某型號的液氨罐車為對象，建立有限元模型分析預緊工況下墊片的失效變形，以及內壓載荷和環境溫度對罐車液相螺栓法蘭封頭的密封性能的影響，得到如下結論：

(1)罐車液相法蘭的緊急切斷閥根部內芯平面和法蘭密封墊片之間存在部分凹陷，模擬結果表明墊片沿螺栓的預緊方向有最大變形量為0.94 mm，凹陷區域的徑向距離為6.80 mm，墊片的有效密封面積減少20.9%，大大降低法蘭接頭的密封性能。

(2)隨著罐車液相法蘭系統內壓載荷的增大，墊片的最大殘余應力略微下降，平均殘余應力和最小殘余應力基本保持不變。殘余壓應力一直滿足密封條件，故介質內壓載荷的波動對罐車液相法蘭系統的預緊狀態和密封性能幾乎不產生影響。

(3)環境溫度由25 ℃降低到-15 ℃時，墊片的殘余壓力應力值平均降幅為11.0%，最小壓力值降低19.7%；由25 ℃升高到45 ℃，墊片的殘余壓應力值平均增幅7.9%，最小壓力值增加14.4%。溫度變化對殘余壓應力值的影響較大，進而影響法蘭的密封性能。因此當溫度波動時，應檢查液相法蘭的密封狀態。