閥門中法蘭瞬態溫度波動密封性能研究

姜 峰，楊 曦，趙維樂，周文海，陳 斐，俞瑞利

（1.蘭州理工大學 石油化工學院，蘭州 730050；2.四川新川航空儀器有限責任公司，四川德陽 618300）

關鍵字：法蘭；高溫；瞬態；熱-結構耦合；密封性

0 引言

由于螺栓法蘭密封系統便于拆卸，因此被廣泛應用于石油化工、能源、食品等行業的設備中。這些行業中的法蘭系統大多處于復雜多變的工況中，尤其是高溫以及變溫工況會對法蘭密封性能造成很大影響，因此研究高溫工況下的法蘭密封顯得尤為重要。由于法蘭密封失效極少數是由螺栓強度不足造成的，而大多數是都由于墊片泄漏而導致的［1-3］，并且高溫會影響墊片壓縮回彈性能［4］。經過多年研究，國內外學者在高溫下法蘭系統的密封問題上取得了相應進展，得出高溫工況下法蘭的密封與墊片有密切關系［5-8］，且法蘭在操作工況下的密封是一個瞬態問題。

目前，法蘭連接系統的密封研究主要以法蘭密封設計理論研究為基礎，通常采用理論計算方法與有限元模擬方法作為分析研究手段結合實驗與仿真模擬［9］，從而得出相關結論。羅從仁［10］通過模擬與試驗結合的方法，得出了在一定誤差范圍內穩態熱-結構耦合場代替瞬態熱-結構耦合場分析的條件，為研究溫度波動下的法蘭密封提供了方案。盛威等［11］對螺栓法蘭連接在低溫壓力工況下的穩態傳熱和緊密性進行了研究，分析了得出了低溫壓力工況下墊片接觸應力分布規律，為研究高溫壓力工況下的法蘭密封提供了參考。

但是目前針對高溫工況下法蘭密封的數值模擬中大多數都是采用穩態溫度場的熱-結構耦合，無法表現溫度升高這一瞬態過程中墊片的密封性能變化，并且進行瞬態溫度場模擬的大多針對一種升溫速度進行描述，未進行不同升溫速度的比較。因此本文針對這一類問題進行了兩種升溫速度的比較，并且補充研究了溫度波動工況下法蘭的應力應變影響。結果表明升溫速度越快，高溫對墊片密封性能的不良影響越大，法蘭密封可靠性越低。

1 模型建立

1.1 傳熱模型建立

高溫條件下，法蘭各部件之間溫度分布差異較大，進而產生溫差載荷引起螺栓應力變化。在進行法蘭溫度場模擬時需要運用傳熱學模型，對于傳導、輻射和對流3種熱傳遞方式［12-13］，輻射換熱與對流換熱都不方便進行直觀的計算求解。所以對法蘭溫度場模擬分析中運用的傳熱學模型進行一定簡化，忽略螺栓及螺栓孔間空氣層產熱［14］，根據傳熱學原理將上、下法蘭間空氣層、法蘭外表面與空氣的輻射換熱及對流換熱轉化為當量導熱，分別建立以下3個模型［15-16］。

（1）上、下法蘭間空氣層傳熱模型。該中法蘭的密封面形式為榫槽面，墊片不與周圍空氣接觸，此處只考慮墊片與法蘭環之間的熱傳導。由于墊片的存在，上、下法蘭環間存在一部分空氣層，忽略其對流換熱。計算上、下法蘭環間空氣層的當量導熱系數的公式如下：

式中λ——T1溫度下的空氣的導熱系數，W（/m·K）；

ε2——墊片的黑度，取ε2=0.8；

r1——墊片外半徑，mm；

C0—— 黑體的輻射系數，W/（m2·K4），C0=5.67 W/（m2·K4）；

r2——法蘭外半徑，mm；

T1——墊片的外側面溫度，K；

T2——法蘭的外側面溫度，K。

（2）法蘭外表面傳熱模型。止回閥中法蘭的閥蓋、下法蘭、螺栓與螺母外表面熱量傳遞主要有熱對流和熱輻射，由式（2）將對流和輻射轉換為統一的當量對流換熱系數。

式中 h —— 空氣表面自然對流換熱系數，取h=25 W/（m2·K4）；

ε ——黑度，取 ε =0.8；

T1——法蘭及螺栓螺母外表面的溫度，K；

T∞——環境溫度，取 T∞=293 K。

（3）螺母與法蘭面之間傳熱模型。在螺母與法蘭的接觸面存在熱阻，故二者之間存在溫差。在ANSYS中的接觸單元中設置TCC的值為10 000 W/（m2·K）。

閥蓋與下法蘭間空氣層當量導熱系數、法蘭外表面當量換熱系數值見表1。

表1 當量導熱系數及當量換熱系數Tab.1 Equivalent thermal conductivity and equivalent heat transfer coefficient

1.2 法蘭有限元模型建立

本文以某閥門企業工程上使用的Class600壓力等級閥門中法蘭為建模原型，公稱壓力6.3 MPa，公稱直徑600 mm，使用溫度-29～425 ℃，密封面采用榫槽面形式，法蘭幾何結構如圖1所示。幾何尺寸參數見表2。螺栓選用M33×235（GB/T 901—1998），材料為35CrMoA，數量共28個；螺母選用M33（GB/T 55），材料為35CrMoA；墊片尺寸為680×720×4.5，材料為無內外環的柔性石墨金屬纏繞墊片。螺栓螺母以及墊片性能數據，包括導熱系數、彈性模量、泊松比以及許用應力等數據見文獻［17］。

表2 法蘭尺寸Tab.2 Table of flange sizes mm

圖1 法蘭幾何結構Fig.1 The geometry of flange

1.3 法蘭網格劃分

由于整個法蘭結構為軸對稱結構，故選取1/28法蘭接頭來進行有限元模擬，忽略螺紋的影響，建立有限元模型，見圖2（a）；對選取的法蘭接頭模型進行網格劃分，法蘭及法蘭蓋部門、螺栓螺母部分以及墊片部分均用六面體網格劃分，其中法蘭及法蘭蓋部分網格大小經參數化優選為13 mm，螺栓螺母部分網格經參數化優選大小為8 mm，墊片部分根據需求控制網格大小為4 mm，網格劃分結果如圖2（b）所示。

圖2 1/28法蘭接頭模型及網格Fig.2 The model of 1/28 and integral meshing of flange joint

1.4 載荷與邊界條件

模擬只有螺栓預緊力的預緊工況，預緊力大小參照GB 150.1—2011《壓力容器第1部分：通用要求》計算得到總螺栓預緊力為2 551 164 N，單個螺栓預緊力為91 113 N。上、下法蘭間、法蘭外表面與空氣間以及螺母與法蘭面各部位施加相應的當量導熱系數以及當量換熱系數，上、下法蘭間當量導熱系數、法蘭外表面當量換熱系數以及螺母與法蘭面接觸導熱系數數值見表1。初始狀況下的法蘭溫度設置為環境溫度（25 ℃），法蘭內介質兩種溫度變化方式分別為：（1）500 s內溫度上升至 300 ℃，并保持 3 000 s；（2）1 000 s內溫度上升至300 ℃，并保持3 000 s。

2 瞬態溫度場模擬及熱—結構耦合分析

2.1 不同升溫速度瞬態墊片溫度場變化

對2種升溫速度分別進行模擬研究，通過觀察不同時刻墊片及法蘭溫度場分布情況發現：1 000 s升溫下熱量傳播規律以及法蘭與墊片上溫度分布隨時間變化規律與500 s升溫過程中的相關規律一致。墊片的周向溫度分布比較均勻，且外側溫度小于內側，升溫初期溫度傳播較快。法蘭與墊片上的溫度在升溫初期變化劇烈，隨著時間的推移升溫速度降低，溫度趨于穩定。

為了更加清晰地表示出溫度的變化，利用繪圖軟件繪出法蘭外側節點與墊片外側節點在兩種瞬時升溫過程中溫度隨時間的變化情況。經觀察得知，500 s與1 000 s兩種升溫速度下的所選節點溫度變化趨勢大致相同，均包括溫度迅速升高和逐漸趨于平穩2個過程，在升溫初期溫度變化較為劇烈，隨時間變化升溫速度逐漸減小并且都在升溫結束后500 s內趨于穩定。其中，500 s瞬時升溫過程中的所選節點升溫速度高于1 000 s瞬時升溫過程中所選節點升溫速度。由于傳熱速度不同以及離內壁距離不同，墊片外側的升溫速度快于法蘭外側的升溫速度，墊片外側節點溫度也始終高于法蘭外側節點溫度。

2.2 不同升溫速度熱-結構耦合分析

通過4個載荷步來進行瞬態熱—結構耦合的模擬計算，得出兩種升溫速度下墊片整體應力和變形量的相應云圖。觀察整個溫度變化過程中墊片的應力以及變形量變化，在整體變化過程中選取幾個具有代表性的時刻的應力云圖進行對比，如圖3，4所示。將墊片內側、外側上對稱點作為應力應變的考察點，可以得到2種瞬態升溫過程中墊片應力隨時間變化關系，如圖5所示。由圖3，4可知，在2種升溫速度下的墊片應力云圖變化規律大致相同，只是不同狀態的起始時間以及數值大小不同。由于升溫初期法蘭內側與介質直接接觸，法蘭溫度上升最快，熱量先傳遞至墊片內側還未傳達至墊片外側，法蘭和墊片發生相應熱膨脹。故墊片內側應力迅速增大，外側應力減小。在熱量傳遞過程中，墊片外側應力先增大后減小，墊片內側應力則先減小后增大。

圖3 500 s升溫墊片應力分布云圖Fig.3 Stress distribution nephogram of the gasket during 500 s heating up

圖4 1 000 s墊片應力分布云圖Fig.4 Stress distribution nephogram of the gasket during 1 000 s heating up

圖5 500，1 000 s瞬態升溫墊片應力對比Fig.5 Stress comparison diagram of gasket stress during 500 and 1 000 s transient heating up

結合應力云圖對比500 s與1 000 s對應相同節點應力變化曲線可知，升溫速度較快時，墊片應力的變化較劇烈。當介質溫度穩定后，由于各部件溫差逐漸減小，螺栓此時也發生較大的變形松弛，墊片內外側應力逐漸降低并達到最小值。法蘭中介質通過500 s與1 000 s升溫，并保持相同的傳遞時間后，墊片內側應力最終值分別為23.027，28.787 MPa，外側應力最終值分別為33.876，35.804 MPa。對比可得，1 000 s瞬態升溫過程墊片內外側壓應力曲線更為平緩，即升溫速度越慢，墊片應力降低幅度越小，升溫過程中墊片應力波動幅度也越小。

由EN13445-3附錄G中的墊片密封判定準則可知，300 ℃的溫度下，墊片最大允許壓縮應力Qmax=90 MPa，最小壓縮應力Qmin=20 MPa，由折線圖分析可得出2種升溫方式下，墊片應力均滿足密封要求，但是墊片內外側應力均呈減小趨勢，幾乎要接近最小壓縮應力，并且500 s升溫方式下的墊片應力更小，可見高溫以及升溫速度均會對墊片密封造成不良影響。

同理選取具有代表性的時刻的變形量云圖進行對比。2種瞬態升溫過程中墊片應變隨時間變化關系，如圖6所示。由變形量云圖結合折線圖可知，溫度瞬態變化會造成墊片上應變不均勻，2種瞬態升溫過程中墊片內、外側應變在升溫初期均有應變大幅度增大的現象。在溫度穩定后，墊片內、外側應變均有不同程度小幅度下降趨勢。墊片外側節點應變始終大于墊片內側節點應變，并且在2個瞬態升溫過程中，墊片內、外側應變均出現了小的突變現象。500 s瞬時升溫過程中應變變化速率大于1 000 s瞬時升溫過程中的應變變化速率。隨著溫度的上升，墊片內外側變形增大。墊片內外側變形小幅度下降趨于穩定后，500 s瞬時升溫后墊片的應變大于1 000 s瞬時升溫后墊片。最終500，1 000 s瞬態升溫下墊片內側應變分別穩定在0.906 03，0.891 27 mm，外側應變分別穩定在0.949 55，0.937 5 mm。

圖6 500，1 000 s瞬態升溫墊片應變對比Fig.6 Strain comparison diagram of gasket stress during 500 and 1 000 s transient heating up

由以上分析結果可知，升溫速度快會造成法蘭墊片內外側過度收縮，墊片應力降低幅度越大，墊片的變形也越大，同時在上升過程中應力應變的波動幅度也相對較大，使得墊片密封性能下降程度越大。

3 溫度波動工況下墊片數值模擬

止回閥在開車、停車、雨雪天氣及外界溫度急劇變化的環境下，溫度會受外界溫度變化而有所波動。溫度波動會影響墊片應力的穩定，嚴重會導致墊片密封失效。在此通過瞬態熱—結構耦合研究溫度波動對墊片應力的影響。

瞬態溫度波動工況下，介質溫度即內壁溫度變化設置如圖7所示，溫度由270 ℃上升到300 ℃后又下降到270 ℃，完成一次溫度波動。在此設置的溫度波動幅度相對實際工況較大，目的是為了更加清楚的觀察溫度對墊片應力的影響。

圖7 介質溫度變化Fig.7 Temperature changes of the medium

3.1 墊片溫度場分析

溫度波動工況下墊片內外側溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 墊片內外側溫度隨介質溫度變化曲線Fig.8 Change curve of gasket temperature at inner and outer side of the gasket with the medium temperature

由圖8可知，墊片內側由于與法蘭內壁接觸，溫度直線上升。而墊片外側的溫度是由熱傳導而上升的，不同于墊片內側的直線上升趨勢，墊片外側溫度變化趨勢與所設置的溫度場一致，均為先升高后降低，達到最高溫度的時間有約10 s的滯后。墊片內、外側溫度差逐漸減小，200，400，600 s時墊片內外側溫度差分別為62，48，15 ℃，可見溫度分布也逐漸均勻。

3.2 墊片熱-結構耦合分析

圖9，10分別示出了墊片外側節點應力以及應變隨溫度變化趨勢。

圖9 墊片內外側節點應力隨溫度變化Fig.9 Stress changes of nodes at inner and outer sides of the gasket with temperature

由圖9可知，200 s時溫度開始波動，此時墊片內側應力開始上升，外側應力卻小幅下降。其原因是波動初期，溫度傳遞的時效性導致法蘭、墊片內側溫度遠遠高于螺栓及法蘭外側溫度，法蘭及墊片內側發生熱膨脹導致墊片內側被壓緊。當溫度傳遞一段時間后，法蘭、墊片、螺栓上溫度相繼發生變化，墊片法蘭內側溫度已達到波動的最高溫度，此時墊片外側應力加速下降，內側則急劇下降。隨著溫度的再次降低，墊片應力下降趨勢逐漸減緩。由對溫度波動工況下墊片模擬分析可得，經過一次波動，溫度回到初始溫度時，墊片整體應力小于初始時的墊片應力。由圖10可知，溫度波動初期，法蘭螺栓發生膨脹導致墊片變形增大，隨溫度下降墊片變形有所減小。在一次波動結束后，墊片內外側變形均增大。綜合來看，溫度發生一次波動，墊片應力整體減小、相反應變增加，密封性能大大降低，間接說明溫度波動會對墊片密封性能造成破壞。

圖10 墊片內外側節點應變隨溫度變化曲線Fig.10 Strain changes of nodes at inner and outer sides of the gasket with temperature

4 結論

（1）溫度升高會使法蘭密封性發生變化，對采用榫槽型密封面的法蘭來說，墊片通過法蘭徑向傳熱，使得墊片上的溫度普遍低于法蘭內側溫度，墊片外側發生的熱膨脹相對較小。同理螺栓幾乎不發生熱膨脹，所以此時法蘭熱膨脹量相對較大從而壓緊墊片，使墊片應力有所上升，導致剩余預緊力下降，當剩余預緊力低于密封要求時，會隨法蘭密封性能造成不良影響。

（2）升溫速度越快，墊片應力降低幅度越大，變形也更大，在升溫過程中造成的應力波動幅度也相對較大。升溫速度過快會造成墊片內外側過度收縮，大大降低法蘭密封性能。

（3）在溫度波動工況下，升溫時墊片內外側應力略微增大，但墊片應變變化劇烈，降溫時墊片內外側應力均減小，應變略微減小后趨于穩定。可以看出墊片內外應力隨溫度波動而產生波動，最終溫度波動結束后應力降低，應變增大，法蘭密封性能降低。