附加彎矩對金屬O形環法蘭密封性能的影響研究

劉鎮溪 段成紅 羅翔鵬

（北京化工大學機電工程學院）

螺栓法蘭連接是石化、核電及航空等領域裝置中重要的連接形式。 法蘭受到如彎矩、扭矩及軸向力等外界因素作用時，其接頭密封性會受到較大影響，甚至發生密封失效［1］。張玉等研究了外彎矩作用下輕量化雙鍥角環墊的法蘭接頭密封性能，結果表明，法蘭轉角隨著彎矩增加而增大，彎矩作用使得環墊片徑向應力分布不均［2］。COUCHAUX M等研究了法向力和法蘭厚度對抗彎性能的影響，發現法蘭厚度是影響法蘭連接的關鍵參數，進而影響接觸應力的分布，并提出了能夠評估可用于疲勞設計的最大拉伸螺栓力的彈性模型［3～5］。 KOBAYASHI T和NOGI R對螺栓法蘭連接在軸向載荷和外部彎矩聯合作用下的結構進行了安全評估，對不同載荷組合進行了泄漏率測試［6］。BOUZID A H提出了一種預測法蘭泄漏率的解析方法， 并進行了試驗及有限元分析對比，結果表明，解析方法可以用于相應墊片的泄漏預測［7］。

目前，對于彎矩載荷作用下法蘭的密封特性已有較多研究，研究內容大多集中于墊片的接觸特性。對于密封件為金屬O形環的法蘭連接接頭，彎矩對法蘭系統影響的研究較少，需要進一步探究。因此，筆者運用有限元方法研究了以金屬O形環密封件的螺栓法蘭系統， 彎矩對法蘭轉角、密封槽軸向位移及金屬O形環接觸應力的影響規律。

1 活套法蘭結構有限元模型

1.1 幾何結構及參數

法蘭幾何結構如圖1所示，包括上法蘭、下法蘭、活套環、金屬O形環、螺栓和螺母。法蘭各部件材料參數見表1。

表1 法蘭各部件材料參數

圖1 法蘭結構及尺寸

1.2 模型建立

采用ABAQUS軟件建立法蘭結構有限元模型，考慮到附加彎矩作用下，法蘭環向不同位置密封性能有所區別，故建立1/2模型。 為了更清晰地描述彎矩對法蘭環向密封性能的影響情況，定義逆時針方向為0°→180°。 接管邊緣效應會對法蘭受力產生影響，因此，接管長度取大于2.5 ■RT（R為接管內徑，T為接管壁厚）。 有限元模型中包括17根整螺栓，2根半螺栓。 網格類型為C3D8R，單元數為322 908，節點數為400 430。 網格劃分及角度定義如圖2所示。

圖2 網格劃分及角度定義

1.3 接觸設定

不同部件之間建立摩擦接觸， 摩擦系數取0.15，接觸對包括上法蘭與下法蘭、法蘭與金屬O形環、法蘭與活套環、法蘭與螺母及螺母與活套環之間［8］。為提高收斂效率，螺栓與螺母之間建立綁定接觸。 由于接觸對數量較多，非線性較強烈，因此對計算收斂性考驗較大。

1.4 邊界及加載

模型邊界條件包括：下法蘭接管端面施加固定約束，模型對稱面施加對稱約束。 載荷施加包括： 法蘭內表面及介質與金屬O形環接觸表面施加內壓、螺栓施加螺栓預緊力、法蘭施加彎矩及上法蘭接管施加接管等效力。 接管等效力P的計算公式為：

式中 Di——接管內徑；

Do——接管外徑；

Pi——介質內壓。

法蘭彎矩施加在下法蘭表面來模擬外彎矩作用［9］，邊界條件及載荷施加如圖3所示。

圖3 邊界條件及載荷施加

2 結果分析與討論

2.1 法蘭轉角

法蘭剛度是描述法蘭抵抗變形能力的指標，當法蘭剛度不足時， 會發生密封失效導致泄漏。法蘭剛度通常通過偏轉角來評定［10］，其大小等于法蘭環內外徑上最大軸向位移差與法蘭環厚度之比的反正切值，即：

式中 A——法蘭環外徑；

B——法蘭環內徑；

ΔZ——法蘭環內外徑最大軸向位移之差；

θ——法蘭環轉角。

法蘭轉角示意圖如圖4所示。 法蘭結構在受到彎矩作用后，其密封面會發生偏轉變形，為了研究彎矩對法蘭環向不同位置偏轉情況的影響，作出法蘭環向不同角度轉角的曲線圖。 上法蘭不同彎矩作用下轉角變化曲線如圖5所示。 法蘭沒有受到附加彎矩作用時，上法蘭環向不同位置轉角基本相同，少部分的偏轉主要是由法蘭內部壓力造成的。 受到彎矩作用后，上法蘭受壓側轉角減小，受拉側轉角增加。 隨著環向角度增加，上法蘭轉角先逐漸減小，環向角度在60°時，上法蘭轉角最小，環向角度增加，轉角繼續增加，環向角度超過150°時，上法蘭轉角增幅變小。 附加彎矩越大，上法蘭受壓側轉角越小，受拉側轉角越大。

圖4 法蘭轉角示意圖

圖5 上法蘭環向轉角變化曲線

下法蘭不同彎矩作用下轉角變化曲線如圖6所示。 下法蘭沿環向轉角先增加后減小，在環向120°位置出現拐點，轉角增加。 下法蘭由于與活套環連接，環套環可以補償一部分變形，因此轉角相比上法蘭較小。

圖6 下法蘭環向轉角變化曲線

2.2 密封槽軸向位移

密封槽軸向位移表示受內壓作用后，密封槽內側軸向變形的大小， 可以反映出金屬O形環在槽內的接觸特性，示意圖如圖7所示。 密封槽軸向位移越小，金屬O形環在槽內與密封面貼合越好，接觸性能越好；密封槽軸向位移越大，上下密封面對金屬O形環壓緊力減小，金屬O形環接觸性能降低；當密封槽軸向位移增加到一定程度，金屬O形環回彈量已無法補償上、 下密封面軸向位移，此時金屬O形環接觸應力為零，密封失效。

圖7 密封槽軸向位移示意圖

圖8為不同彎矩作用下， 密封槽內側軸向位移沿環向的變化曲線，曲線整體變化趨勢與上法蘭轉角趨勢相似。 無附加彎矩時，密封槽軸向位移沿環向變化趨勢幾乎相同；施加彎矩后，密封槽軸向位移沿環向出現不均等分布，法蘭受壓側密封槽軸向位移變小，受拉側密封槽軸向位移增大；隨著附加彎矩增大，密封槽兩側軸向位移差值增大（表2）。

表2 密封槽軸向位移極值比較

圖8 密封槽內側軸向位移變化曲線

密封槽軸向位移與上法蘭轉角在一定區間內呈現線性分布關系，如圖9所示。

圖9 上法蘭轉角與密封槽軸向位移關系曲線

將二者擬合得到上法蘭轉角與密封槽軸向位移的近似方程為y=0.00425+0.22x（x＜0.14°），擬合度為0.94。

通過上述關系方程， 若已知上法蘭轉角，則可以計算出密封槽軸向位移， 進而預測出金屬O形環密封情況。 由圖9可以看出，密封槽軸向位移隨著上法蘭轉角增加而增大。 彎矩對密封槽軸向位移與法蘭轉角二者關系影響較小，上法蘭轉角小于0.14°時，不同彎矩下密封槽軸向位移分布曲線幾乎相同；上法蘭轉角超過0.14°時，附加彎矩越大，密封槽軸向位移也越大。 附加彎矩作用下，法蘭及密封槽軸向位移云圖如圖10所示。

圖10 彎矩M=60 kN·m時法蘭軸向位移云圖

2.3 金屬O形環接觸應力

與金屬O形環相接觸的密封面結構不同，金屬O形環受到擠壓后， 上下表面接觸應力分布會有不同［11］。圖11為附加彎矩作用下，金屬O形環上表面不同位置接觸應力徑向分布曲線。 接觸應力沿徑向主要集中于金屬O形環兩側區域， 中心位置無接觸應力，呈現兩側高，中心低的分布。 對于0°、90°和180°這3個位置， 金屬O形環上表面內側接觸應力均小于外側接觸應力，且上表面徑向接觸應力分布趨勢基本一致。 對于內側接觸區，附加彎矩增大，內側區域接觸應力減小；彎矩對金屬O形環上表面外側接觸應力幾乎沒有影響。

圖11 金屬O形環上表面不同位置徑向接觸應力分布曲線

由圖12可知， 金屬O形環下表面接觸應力分布與上表面保持一致，內側接觸應力均小于外側接觸應力。 由圖13可知，不同彎矩下，金屬O形環接觸應力峰值基本相同，為170 MPa左右。

圖12 金屬O形環下表面不同位置徑向接觸應力分布曲線

圖13 金屬O形環不同彎矩接觸應力云圖

3 結論

3.1 受到附加彎矩作用時，法蘭環向不同位置轉角出現變化，受壓側轉角減小，受拉側法蘭轉角增大；法蘭轉角隨著彎矩的增加而增大，上法蘭相對于下法蘭轉角變化更大。

3.2 密封槽軸向位移受到附加彎矩影響較大。增加彎矩載荷后，密封槽軸向位移沿環向分布更加不均勻，受拉側軸向位移明顯大于其他位置。 密封槽軸向位移與上法蘭轉角變化呈現線性分布，上法蘭轉角增加后，密封槽軸向位移也增大。

3.3 O形環內側接觸應力隨彎矩增加逐漸減小，外側接觸應力受彎矩變化影響較小。