法蘭結構中螺栓預緊力及墊片密封的有限元分析

趙登東

哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司 （河北秦皇島 066206）

影響法蘭密封的主要因素有螺栓預緊力、墊片密封性能、法蘭密封面特征、法蘭剛度和螺栓剛度、操作條件等。預緊力是影響密封的一個重要因素，合適的預緊力可保證墊片在工作時保留一定的密封比壓，預緊力過大則會把墊片壓壞或擠出，從而破壞密封。另外，當剛度不足時，法蘭會產生過大翹曲變形而導致密封失效。

利用ANSYS有限元分析軟件對法蘭結構進行三維有限元分析，找到合適的螺栓預緊力，既能滿足密封，又不會使法蘭結構產生過大的變形而導致密封失效或強度不足。

1 密封結構介紹

密封結構為某核電壓力容器人孔裝置，結構見圖1。該設備的技術參數為：設計壓力為3.0 MPa，設計溫度為300℃，工作介質為河水；水壓試驗壓力為4.03 MPa，溫度為20℃。墊片采用石墨纏繞墊片，螺柱螺紋規格為M36×3，材料為0Cr17Ni12Mo2，人孔內徑為448 mm。

2 螺栓預緊力的計算

一般情況下，在確定螺栓預緊力時應綜合考慮法蘭操作工況、外載荷、法蘭剛度、允許泄露率、墊片性能及螺栓上緊方式等因素，按法蘭當量計算壓力計算螺栓預緊載荷。單個螺栓最小和最大預緊力可

圖1 人孔裝置結構

式中：pe為等效壓力，MPa；

M為外部彎曲力矩，N·mm；

G為墊片負荷作用位置直徑，mm；

pr為徑向載荷，N；

p 為內壓，MPa；

Wa為墊片安裝所需最小螺栓載荷，N；

b為墊片有效密封寬度，mm；

y為墊片比壓力，MPa

F為內壓引起的總軸向力，N；參考如下方法進行計算：

Fp為操作狀態下需要的最小墊片壓緊力，N；

m為墊片系數；

Wp為操作狀態下初始要求的最小螺栓載荷，N。

密封要求總的預緊力W=Wa或Wp中的較大者。

考慮到螺栓緊固時的摩擦力和緊固工具的精度等因素，密封面在第一次擰緊后幾乎總是松弛的，初始預加載荷松弛10%～20%也非常普遍，因此，需要量W的額外預加載荷來補償密封面的這種“松弛”。螺栓預緊力建議取最大預緊力的上限，必要時可將預緊力提高10%；也有國外案例按螺栓屈服應力的50%作為螺栓預緊力計算。在確定預緊載荷的同時，還需考慮墊片在所提供螺栓預緊載荷的作用下應獲得適宜的壓縮量。

3 密封結構有限元分析情況

人孔裝置是一種可拆卸的密封結構，由人孔蓋、人孔法蘭，墊片及其緊固件組成，該結構具有軸對稱性，對其建立1/4模型，見圖2。

圖2 人孔裝置模型

螺栓、螺母、筒體、法蘭蓋和人孔法蘭都選用SOLID185單元，但各模擬元件具有不同的材料特性：墊片采用INTER195單元進行模擬，墊片材料彈性模量根據壓力容器設計手冊選取，纏繞墊片型號為N569；墊片、螺母與上下法蘭和法蘭蓋之間的接觸采用面面接觸單元TARGR170和CONTA175進行模擬，接觸面相對滑動摩擦系數取0.3；螺栓預緊力模擬采用螺栓預緊單元PRETS179。

在邊界處理上，由于人孔結構、載荷和約束都具有軸對稱性，因此，在有限元模型的三個對稱平面上施加對稱約束，同時在筒體的端部施加軸方向的位移約束。

人孔密封結構有預緊和加內壓兩種工況。預緊工況的載荷是給人孔螺栓施加螺栓預緊力，根據公式（1）～（4）計算得到最小螺栓預緊力，然后依次增加最小預緊力的10%，20%，30%以及選取屈服應力的50%作為螺栓預緊力。內壓按設計壓力3.0 MPa輸入計算。圖3和圖4是在操作工況下，螺栓預緊力為59 kN，內壓為3.0 MPa時的應力云圖和變形情況。圖3中：最大應力值在螺母與法蘭蓋的接觸處，為288 MPa；其次是接管與筒體連接處，應力值為285 MPa；法蘭環壓緊處有從內向外的閉合趨勢。圖4中：最大應力值在螺栓的一個側面上，為269.8 MPa；在內壓和螺栓預緊力共同作用下，法蘭環壓緊處從內向外有閉合變形，導致螺栓產生彎曲應力，在彎曲應力和拉應力的共同作用下，螺栓發生彎曲變形。圖5顯示了人孔結構在預緊工況下螺栓預緊力為59 kN時，墊片和螺母的接觸壓力分布。圖6顯示了人孔結構在操作工況下螺栓預緊力為59 kN時，施加內壓3.0 MPa后，墊片和螺母的接觸壓力分布。從圖5和圖6可看出：螺母的接觸壓力最大，預緊工況下為95.6 MPa，操作工況下為134 MPa；墊片的接觸壓力在預緊工況下為53 MPa，在操作工況下為21 MPa。這是因為操作工況下由于內壓軸向壓力的作用，墊片的壓緊力減小，螺母壓緊力增大。

圖3 操作工況下應力云圖

4 計算結果的對比分析

表1列出預緊工況和操作工況下不同預緊力（A～E）的墊片接觸壓力和操作工況下不同預緊力下密封結構最大應力值及其位置。

圖4 操作工況下變形情況

圖5 墊片和螺母的接觸壓力分布情況

圖6 操作工況下墊片和螺母的接觸壓力分布情況

從表1可看出，給螺栓施加最小的預緊力也能滿足操作工況墊片密封的最小壓力（12.5 MPa）要求，B～D組隨著預緊力的增大，人孔結構的最大應力值也增大，但不影響結構的強度和剛度要求。在石墨墊片壓緊力低于屈服強度壓緊力時，增大墊片壓緊力可使墊片回彈能力提高，進而使法蘭面與墊片密封面間有較大的彈性接觸，增加介質泄露的阻力，提高密封性能。如果選取屈服應力的50%作為螺栓預緊力，螺栓最高應力達到448 MPa，螺栓局部會造成屈服。從預緊力的松弛、結構強度和剛度方面綜合考慮，螺栓預緊力最小值選取C組對應的數據，最大值選取D組對應的數據，這樣既可以保證法蘭連接的密封性能，又可以防止法蘭或螺栓結構強度（或剛度）的不足。

表1 不同預緊力下墊片接觸壓力及量大應力位置

5 結語

預緊力是法蘭連接系統的關鍵參數之一。通過公式計算和有限元計算的對比分析，可以找到比較理想的螺栓預緊力范圍，既可以保證密封效果，又可以避免在預緊力過大的情況下造成法蘭局部應力過大或法蘭剛度不足而導致密封失效。墊片與螺母之間摩擦力的不同導致每個螺栓的預緊程度不同（即每個螺栓的受力狀態不同），引起螺栓孔周圍的受力情況不同，所以在保證預緊力的前提下，應盡量使每個螺栓的預緊力保持一致。