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

（遼寧瑞興化工集團有限公司，遼寧 遼陽 111000）

1 前言

螺栓法蘭連接結構由法蘭、螺栓及墊片組成，依靠螺栓預緊力把兩部分設備或管道的法蘭環連接在一起，同時壓緊墊片，使連接處達到密封。由于操作工況下介質壓力、溫度以及管道產生的附加彎矩和附加軸向力等載荷作用，法蘭連接頭處易發生泄漏，導致密封失效[1-2]。

本文選取滁州瑞興化工有限公司CS2反應爐出口處的連接法蘭作為分析對象，分析在預緊狀態下墊片的比壓力分布，同時結合實際的管道布局和工作狀況，計算管道在熱膨脹等因素下對法蘭的作用力，進而分析法蘭在外力作用下的連接密封性能。

2 螺栓法蘭密封機理

法蘭安裝時，對螺栓進行逐個預緊，法蘭環的密封面通過緊固螺栓所施加的壓力而緊密接觸。當墊片被壓緊后，墊片開始變形，隨著比壓的增大，墊片的變形變大，開始逐漸將墊片表面擠壓到法蘭密封面的波谷中去，當墊片單位面積上的壓緊力達到墊片密封比壓時，墊片就填滿整個波谷，阻止介質從界面滲透出來，達到密封效果。在操作狀態下，介質壓力、溫度升高，因而一方面使緊固螺栓受拉伸，導致法蘭密封面和墊片相接觸的壓緊面產生分離趨勢，墊片在預緊時所形成的壓縮量減小，壓緊面上的密封比壓下降；另一方面，墊片在預緊時，壓縮變形中的彈性變形部分隨著壓緊面的分離趨勢必然要恢復而產生回彈作用，其壓縮變形的回彈量補償因螺栓的伸長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到墊片的密封比壓時，就能阻止介質從界面泄漏出來，滿足密封的要求。[3-4]

3 管道作用力分析

根據實際管道布局，采用CAESAR 管道應力分析軟件建模，建立模型如圖1 所示。

圖1 管道應力模型

結合實際運行工況，進行管道熱應力分析，提取管道對法蘭的作用力和作用力矩，統計如表1 所示。

表1 熱應力分析結果

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

4 螺栓法蘭結構建模

根據設計壓力和設計溫度，初步選用法蘭的壓力等級為Class 600。采用三維建模軟件Solidworks 建立螺栓法蘭連接的三維模型，導入ANSYS Workbench 平臺中，進行有限元網格劃分，實體模型和有限元模型如圖2，3 所示。

法蘭材質：2520；法蘭代號：WN DN150-Class 600-RF；墊片形式：金屬纏繞墊片；螺柱規格：12-M27x185。

圖2 實體模型

圖3 有限元模型

5 螺栓預緊力計算

根據GB 150-2011《鋼制壓力容器》，計算法蘭預緊力如下[3][5]：（1）法蘭密封面外徑d=216mm；（2）D 型纏繞墊內徑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m=3，比壓力y=68MPa，管線設計壓力(PC)1.45MPa；每個螺栓需要的預緊力為F=29 156N。

6 有限元分析求解

利用ANSYS Workbench 平臺進行螺栓——法蘭連接結構的有限元分析，必須要設定二個載荷步（Loadstep）：

（1）第一載荷步（Loadstep 1）施加螺栓預緊力：在每個螺柱處建立局部坐標系，對每個螺柱施加預緊載荷，作為結構的初始狀態。

（2）第二載荷步（Loadstep 2）施加外載荷：根據管道應力分析的計算結果，施加外部作用載荷；同時，施加操作狀態下的工作壓力。

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

圖4 預緊狀態墊片的比壓力分布

圖5 外力作用下墊片的比壓力分布

圖6 比壓大于68MPa的區域分布

圖7 壓大于68MPa 的區域分布

工作狀態，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，在外力的作用下，墊片的比壓力分布不再沿環向均勻，沿X 軸負半軸外緣比壓力最大，為136.54MPa。對應的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軸負半軸部分受壓而正半軸部分受拉，分析結果和力的作用效果一致。圖6 是墊片比壓力大于68MPa 的區域分布，可以看出，X 軸正半軸部分出現了一個缺口，這表示此區域內墊片的比壓力均小于68MPa，法蘭的密封失效。

上述計算表明，在此種管道布置下，工作狀態時由于管道對法蘭的作用力，法蘭無法滿足密封要求，需要對法蘭的選型進行修改。

本文對壓力等級為Class 900 的法蘭進行了重新計算，根據螺栓的屈服強度，可施加的最大預緊力為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，墊片比壓大于68MPa 的區域形成一個封閉的環，表明墊片剛好形成一個封閉的環形密封帶，法蘭的密封有效。

7 結論

計算表明，選用Class 600 等級的法蘭，在預緊狀態及只受內壓時，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 等級的法蘭，可以滿足密封要求。

利用ANSYS Workbench 平臺進行螺栓預緊力模擬時，需要設定為二個載荷步（Loadstep），在第一載荷步（Loadstep 1）中施加螺栓預緊力，并作為結構的初始狀態，在第二載荷步（Loadstep 2）中施加外力的作用。利用Workbench 平臺可以對螺栓法蘭連接結構的密封系能進行模擬分析，對工程實際具有一定的指導意義。

[1]宋兆哲.靜密封過程中墊片的密封機理及失效分析[D].昆明理工大學，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，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，王海龍，周小飛.應用有限元技術計算螺栓聯接的方法研究[J].黑龍江電力，2004，4.

[5]GB150-2011 壓力容器，中華人民共和國國家標準[S].