卡箍法蘭的熱應力耦合分析

摘 要：復雜環境下卡箍法蘭系統工作的穩定性和安全性是研究過程中至關重要的一個環節，為研究高溫高壓對卡箍法蘭性能的影響，該文采用SolidWorks軟件建立物理模型，基于ANSYS Workbench軟件分析熱應力耦合對結構的影響。研究結果表明，①卡箍孔板法蘭的內壁面溫度最高，且由內而外，溫度逐漸減低，最低溫度位于螺柱上。②卡箍孔板法蘭整體最大應力位于球面螺母與卡箍的接觸面上，為739.73 Mpa。密封環上的唇部應力大于密封比壓，符合密封環的密封性能的要求。③密封環的線性等效應力模擬結果對比許用應力準則，強度滿足安全要求，不會發生塑性垮塌。

關鍵詞：卡箍法蘭；安全性；穩定性；SolidWorks；ANSYS Workbench；熱應力耦合

中圖分類號：TH136 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0077-04

Abstract： The stability and safety of the clamp flange system in complex environment is a very important link in the research process. In order to study the influence of high temperature and high pressure on the performance of the clamp flange， the physical model is established by using SolidWorks software， and the influence of thermal stress coupling on the structure is analyzed based on ANSYS Workbench software. The results show that，①the inner wall temperature of the clamp orifice plate flange is the highest， and from the inside to the outside， the temperature decreases gradually， and the lowest temperature is on the stud. ②The maximum stress of the clamp orifice plate flange is located on the contact surface between the spherical nut and the clamp， which is 739.73 Mpa. The lip stress on the sealing ring is greater than the sealing specific pressure， which meets the requirements of the sealing performance of the sealing ring. ③Compared with the allowable stress criterion， the linear equivalent stress simulation results of the sealing ring show that the strength meets the safety requirements and plastic collapse will not occur.

Keywords： clamp flange; safety; stability; SolidWorks; ANSYS Workbench; thermal stress coupling

卡箍法蘭是由法蘭、卡箍、螺栓、球面螺母和密封環5部分構成，是油氣行業管道連接的關鍵結構部件[1-2]。相比于傳統的法蘭連接方式[3-5]，在結構和經濟方面有相對優勢，具體的，卡箍法蘭只有4套螺栓且法蘭可以360°旋轉，無需像傳統法蘭對正螺栓孔，大大節省了安裝成本。另外，卡箍法蘭尺寸較小，重量僅有ANSI和API法蘭的25%左右，節約了空間資源，降低了成本。此外，卡箍連接方式承壓大，在內壓及附加載荷（扭矩、彎矩、軸向力）的作用下，其結構的特殊性使產品不會泄露或者螺栓松動，維護成本低，使用壽命長。

由于卡箍法蘭優化了傳統法蘭的結構，已廣泛應用于各行各業的管道系統，如石油化工、船舶、航空和冶金等，尤其是工作環境惡劣的場合[5-6]。法蘭系統的失靈可能會發生嚴重性事故，進而威脅到人類的身心健康和生命安全，在經濟效益、環境、能源等方面將會直接受損[7-8]，因此，對法蘭系統工作的穩定性和安全性要求極高。

目前，國內還未普及應用卡箍法蘭，依舊著重于使用傳統法蘭，只有歐美發達國家主要采用Grayloc、Vector等高壓自緊式法蘭來連接[9]。本文利用SolidWorks軟件建立了卡箍孔板法蘭的三維模型，基于有限元分析軟件ANSYS Workbench探究了熱應力耦合對卡箍孔板法蘭結構的影響，為卡箍法蘭進一步研發提供參考。

1 卡箍法蘭模型建立

1.1 幾何模型的建立

卡箍孔板法蘭的物理模型（規格6″）如圖1所示。法蘭的內徑為118.06 mm，壁厚為25.12 mm，圖中的法蘭與管道焊接連接，密封環、法蘭直接與管道內的流體接觸。為避免ANSYS計算過程中的重復計算，由于卡箍法蘭整體模型的對稱性，將模型簡化為1/2的結構。

1.2 仿真模型的搭建

為了避免端部效應，將與管道連接的法蘭延伸到不連續之外的足夠距離，由圣維南原理[10]：當管道長度 L=2.5■時（其中R為管道內徑，mm；t為管道壁厚，mm），邊緣效應就能忽略不計。經計算，本文的法蘭端部延伸距離取整為150 mm。

1.2.1 材料屬性設置

本文中卡箍孔板法蘭系統的運行溫度為430 ℃，該條件下的材料及其屬性[11]見表1。

1.2.2 網格劃分及邊界條件

1/2卡箍孔板法蘭的網格劃分結果如圖2所示，網格質量良好，劃分的單元總數為86 430個。

該卡箍孔板法蘭連接系統的為穩態傳熱，取管道內壁面溫度為430 ℃，自然環境溫度設置為22 ℃，對于裸露在空氣中的表面（卡箍、法蘭外壁、螺柱螺母）施加對流換熱系數20 W/（m2·K）。另外，該卡箍孔板法蘭為整體模型的1/2，因而在該系統的切割面施加無摩擦約束。在法蘭管道的下端面Y方向施加固定約束以限制該對象的軸向位移。

管道內流體的壓力為22 Mpa，由此產生的端部軸向力可由式（1）計算

F=D2·P，（1）

式中：F為管道內壓產生的端部軸向力，D為管道內徑，P為管道內流體壓力。

卡箍法蘭最小需要的螺栓載荷[12]可由式（2）確定

Wg=（H+HP）tan（φ+μ），（2）

式中：H為總的端部靜壓力，HP為連接接觸面的總的壓縮載荷，φ為卡箍凸尖角，μ為摩擦角。

卡箍法蘭操作狀態的螺栓載荷[12]可由式（3）確定

WO=（H+HP）tan（φ-μ）。（3）

據調查，自緊式卡箍法蘭的螺栓預緊力一般為同規格標準法蘭的20%～30%[9]。

由熱應力分析需要將溫度分布結果加載入靜力學模型，由此，需優先進行熱分析，熱邊界條件如圖3所示。

靜力學模型的邊界條件如圖4所示。

2 卡箍法蘭熱應力耦合分析結果

2.1 溫度分布結果

卡箍孔板法蘭整體的溫度分布情況如圖5所示。

從圖5中可以看出，卡箍孔板法蘭的內壁面溫度最高，達430 ℃，且由內而外，溫度逐漸減低，最低約81 ℃，位于螺柱上。此外，卡箍孔板法蘭的兩端溫度分布一致，呈左右對稱分布。

2.2 熱應力耦合結果

卡箍孔板法蘭整體的應力分布情況如圖6所示。

從圖6中可以看出，最大應力位于球面螺母與卡箍的接觸面上，為739.73 Mpa。主要是由于螺栓預緊力的作用，球面螺母壓緊于卡箍上。

卡箍孔板法蘭整體的應變分布情況如圖7所示。

從圖7中可以看出，卡箍孔板法蘭的各零部件均發生了不同程度的形變，最大值僅有0.005 5 mm/mm。為了驗證該形變下是否導致卡箍孔板法蘭系統密封失效，需要校核密封環上的應力與內部壓力下的密封比壓，圖8顯示了密封環的應力強度。

密封比壓計算公式如下

y=（3.5+p）/，（4）

式中：y為密封比壓，p為內部壓力，bm為密封面寬度。

從圖8中可以看出，密封環最大應力為197.16 Mpa，唇部應力為97～189 Mpa，密封比壓經計算約為45.3 Mpa，密封環上的唇部應力大于密封比壓。因此，密封環在該工況下能滿足密封的要求。

應力強度判定。由文獻[11]可知，對于高于室溫的螺栓材料許用應力準則見表2。

其中，Sy為室溫下規定的最小屈服強度，ST為室溫下規定的最小抗拉強度，Ry為與平均溫度有關的屈服強度走向曲線值和室溫下屈服強度的比值。

由文獻[12]可知，許用應力值取表2計算的值的較小者。另外，對于防止塑性垮塌的評定如式（5）至式（7）所示

Pm≤S，（5）

PL≤SPL，（6）

（PL+Pb）≤SPL，（7）

式中：Pm為總體一次薄膜當量應力，PL為局部一次薄膜當量應力，PL+Pb為一次薄膜（總體或局部）加一次彎曲當量應力。SPL為一次局部薄膜應力和一次局部薄膜加彎曲應力分類的許用極限。

當最小屈服強度Sy與最小抗拉強度ST的比值超過0.7時，SPL=1.5 S，否則SPL=S。

密封環路徑1線性等效應力分布情況如圖9所示。

Pm=107.19 MPa≤Sm=368 MPa，

PL=107.19 MPa≤Sm=368 MPa，

PL+Pb=113.1 MPa≤Sm=368 MPa。

因此該路徑下密封環滿足強度要求。

密封環路徑2線性等效應力分布情況如圖10所示。

Pm=83.27 MPa≤Sm=368 MPa，

PL=83.27MPa≤Sm=368 MPa，

PL+Pb=95.945 MPa≤Sm=368 MPa。

因此該路徑下密封環滿足強度要求。

3 結論

本文采用ANSYS Workbench對卡箍孔板法蘭連接系統進行熱應力耦合分析，在規定載荷作用下的收斂分析結果表明，該卡箍孔板法蘭在載荷作用下是穩定的。針對卡箍孔板法蘭模擬結果中可以得出如下結論：

1）在430 ℃的操作工況下，卡箍孔板法蘭的內壁面溫度最高，且由內而外，溫度逐漸減低，最低溫度位于螺柱上，其值為81 ℃。此外，卡箍孔板法蘭的兩端溫度分布一致，呈左右對稱分布。

2）從卡箍孔板法蘭整體應力分布情況看，最大應力位于球面螺母與卡箍的接觸面上，為739.73 MPa。密封環上的唇部應力大于密封比壓，符合密封性能的要求。

3）根據應力判定的結果，在430 ℃的操作工況下，密封環的強度滿足安全要求，不會發生塑性垮塌。

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