內壓和溫度對螺栓法蘭接頭緊密性的影響*

魏明福劉美紅

(昆明理工大學機電工程學院)

墊片螺栓連接廣泛應用在管道和壓力容器中需要周期性拆除維護的部件上，墊片法蘭系統使得拆除這些部件變得方便快捷。墊片法蘭接頭的失效機制有材料失效和泄漏兩種，因此，其接頭的設計必須預防這兩種失效機制。當前，許多的研究僅僅考慮內壓[1～3]，Abid M在內壓、軸向和彎曲載荷下展開了廣泛的實驗研究，得出法蘭接頭的強度和泄漏失效機制[4]。當前法蘭接頭的設計規范中并沒有考慮溫度的影響，為了研究在內壓和溫度載荷作用下墊片法蘭系統的密封性能，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，同時允許流體在墊片和法蘭接觸壓力損失處發生滲透。

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標準中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，許用應力為248.2MPa，導熱系數為47W/(m·℃)，熱膨脹系數為1.25×10-5。螺栓數目為8，規格為M16，材料為A197-B7，許用應力為723.9MPa，彈性模量和泊松比分別為16.822GPa和0.3，導熱系數為37W/(m·℃)，熱膨脹系數為1.41×10-5。墊片材料為無石棉紙金屬纏繞墊片，其規格為φ106.4mm×φ157.5mm×3mm，墊片系數m為3.6，墊片材料的應力-應變關系呈非線性關系，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的對稱性，選取1/16結構建立有限元模型，如圖2所示。熱分析時螺栓、法蘭、墊片選用的單元均采用C3D8T單元來模擬，該單元是一個具有8節點的三維實體熱單元。當采用結構分析時，螺栓、法蘭采用的是C3D8單元來模擬，墊片采用的是三維實體單元GK3D8N，該單元能很好地模擬墊片的非線性行為，并進行接觸分析。采用小滑移公式來模擬螺母和法蘭之間的接觸。劃分單元時采用手動分塊劃法，該模型最終的節點數為22 647，單元數量為18 822。

圖2 1/16螺栓法蘭墊片連接系統有限元模型

熱分析時，管道、法蘭和墊片的內側受介質溫度的影響，需施加對流換熱系數；同樣，外側受到環境溫度的影響也需要施加對流換熱系數。穩態熱邊界條件下，不同內部溫度(100～400℃)的對流換熱系數為150W/(m2·℃)；外部溫度為20℃時的對流換熱系數為20W/(m2·℃)。

結構分析時，假設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、螺栓橫截面、法蘭和管道的兩側施加對稱邊界條件，限制其法向的轉動和移動；螺栓徑向和切線方向的位移被限制。

熱結構分析時采用順序耦合法，首先進行熱分析，得到節點溫度分布，其次進行熱-結構耦合分析。加載順序為：施加螺栓預緊力；施加內部壓力p=5MPa在模型的內表面上，為了模擬由于內壓而產生的軸向拉伸應力，需在管道的端面上施加一個等效的當量應力Peq=pR/s；把熱分析得到的節點溫度作為體載荷直接施加在應力分析中。

2 熱結構耦合時墊片的應力和緊密性分析

圖3為螺栓預緊力25kN，內壓5MPa，內部溫度分別為100、400℃時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，環狀密封帶變窄。在墊片的外緣處壓緊力最大，且比施加的內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的密封要求，防止泄漏的產生，模擬對象所適用的金屬纏繞墊片系數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力分布也是不均勻的，靠近螺栓側的墊片應力要大些，這與實際情況很相符。

圖3 三維墊片接觸壓力分布

圖4為螺栓預緊力25kN，內壓5MPa，內部溫度分別為100、200、300、400℃時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，墊片的接觸壓力與其保持緊密性所需的最小壓力不相交，說明此時密封效果很好。當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，此時說明流體已經開始滲透，但是沒有達到平均值，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規范中明確規定，保持墊片緊密性的最小墊片壓力是mp,且比平均計算壓力低，在圖4中得到很好的印證。ASME墊片設計計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]，因為ASME墊片壓力mp僅僅作用在墊片的外半面。然而計算得到的有限元結果損失比例為75%，那是因為模擬時考慮了內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規范要大，這些結果表明用ASME墊片設計公式計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，主要是因為允許壓力滲透，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 結論

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

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帶，它對接頭的緊密性有著非常關鍵的作用。隨著溫度的提高其密封閉合環帶不斷變窄，墊片的接觸壓力不斷降低，而介質也不斷由內向外滲透到墊片密封面中。當墊片接觸壓力降低到ASME規范中規定的平均接觸壓力時，說明介質已達墊片外側，法蘭接頭發生泄漏。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的墊片應力分析[J].機械設計與制造,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測[J].機械工程材料,2013,37(4):75～77.