一種工業汽輪機高溫蒸汽法蘭擰緊力矩的計算方法研究

馮照和 陳可軒 張軍輝 王紅梅 劉白蘭

摘要：法蘭連接在工業設備中運用極為廣泛，為了避免設備中介質泄漏，需要給法蘭提供合適的預緊力，預緊力是通過擰緊力矩來實現的。在高溫高壓工況下，合適的擰緊力矩顯得更加重要。鑒于此，通過對某汽輪壓縮機組中汽輪機新蒸汽入口法蘭進行分析，計算出所需的擰緊力矩，然后建立數學模型，通過有限元仿真分析，驗證方法的可行性。

關鍵詞：汽輪壓縮機;擰緊力矩;強度;仿真

0? ? 引言

法蘭螺栓連接是石油化工行業廣泛使用的連接形式之一，其因連接可靠性強，運用極廣。在工程安裝中，為了增加螺栓連接的可靠性，需要施加合適的預緊力，而預緊力的施加是通過緊固力矩來實現的。擰緊力矩過大，法蘭密封面雖然可以貼合緊密，但是過大的擰緊力矩也可能會拉斷螺栓，工程上一般按照墊片的比壓力來判斷，認為墊片所受的壓力大于比壓力并小于4倍比壓力時，密封可靠[1]。若擰緊力矩過小，法蘭間密封不可靠，則會發生泄漏。所以，合適的擰緊力矩顯得十分重要。

1? ? 擰緊力矩的計算

本文以某大型汽輪壓縮機組中新蒸汽法蘭連接為例，通過分析計算，給出擰緊力矩。然后建立數學模型，通過有限元仿真驗證在此擰緊力矩的作用下，法蘭連接安全可靠。

汽輪機新蒸汽參數為：設計壓力P0=11.1 MPa，設計溫度515 ℃。法蘭公稱直徑DN=200 mm。螺栓公稱直徑d=52 mm，螺距P=5 mm，材料為21CrMoV，數量N=12。法蘭與墊片的連接形式圖1所示。法蘭接觸面直徑D=279.4 mm，墊片寬度W=28.58 mm，常溫下螺栓的許用應力[σ]b=319 MPa，在設計溫度下螺栓的許用應力[σ]bt=95 MPa。墊片為橢圓墊，材料為不銹鋼。

根據標準《壓力容器 第3部分：設計》（GB 150.3—2011）[2]查得不銹鋼橢圓墊片比壓力y=179.3 MPa，墊片系數m=6.5，橢圓墊片基本密封寬度為b=W/8。法蘭連接工況分為預緊態和設計態，我們對其分別進行計算。

1.1? ? 預緊態

式中，K為扭矩系數。

計算得：T=3 685 Nm。

2? ? 有限元計算

為得知此載荷下螺栓及墊片的受力情況，進行有限元仿真計算[4]。為了減少計算機運算量，將模型簡化成1/12進行運算。簡化后的三維裝配模型如圖2所示。

在仿真過程中首先要根據設計溫度計算出模型的溫度場，然后將結果耦合到靜力場中，計算螺栓和墊片的強度。圖3為模型的網格劃分以及溫度場的分布。

將設計壓力以及上述計算得到的預緊力加載到螺柱上面，螺栓以及墊片的計算結果如圖4所示。

可以看到在此載荷下，除螺母和法蘭接觸部分應力集中以外，螺栓整體受力在200 MPa以內，小于此溫度下螺栓屈服極限275 MPa，螺栓安全。同時，墊片的受力（除了部分應力集中點之外）基本在400 MPa以內，按照工程經驗，密封可靠。

3? ? 結語

法蘭擰緊力矩在工程安裝中經常需要提供。相對于按照螺栓屈服強度計算方法得到的數值來說，基于上述理論得到的數值更加安全。

根據墊片的不同，相應更改計算參數，本文所述方法還能夠推廣應用到其他形式密封面的相關計算中。

[參考文獻]

[1] 宋新軍，甄繼夏.淺談金屬纏繞墊片[J].山東工業技術，2019（18）：33.

[2] 壓力容器 第3部分：設計：GB 150.3—2011[S].

[3] 普通螺紋 基本尺寸：GB/T 196—2003[S].

[4] 許京荊.ANSYS Workbench工程實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2015.

收稿日期：2020-01-10

作者簡介：馮照和（1987—），男，安徽池州人，工程師，研究方向：汽輪機設計。