溫度波動對螺栓法蘭連接系統墊片應力的影響

孔 靖, 邵春雷

(1.南京工業大學 機械與動力工程學院, 江蘇 南京 211816;2.南京工業大學 應急管理學院, 江蘇 南京 211816)

0 引言

為助力國家實現“雙碳”目標,各大油氣公司統籌油氣供應安全和綠色低碳協調發展,我國油氣行業根據應用場景、儲能技術優劣勢和技術需求特點等因素,選擇合適的儲能技術發展路徑,加快儲能配套新能源產業布局和油氣行業低碳轉型進程。 螺栓法蘭連接作為靜密封常用的連接形式之一,廣泛應用于油氣行業。 文獻[1-2]表明,隨著化工行業和油氣輸送設施安裝量的增加,高可靠性防泄漏接頭的設計已成為人們關注的重要問題。 螺栓法蘭連接系統在工作中受到許多因素的影響,文獻[3]研究發現尤其是在高溫工況下,溫度的變化對于法蘭連接的長期穩定運行有著不可忽視的影響。 因此,研究溫度波動下螺栓法蘭連接系統的墊片密封性能十分重要。

文獻[4-5]提到,溫度作為影響墊片密封性能的主要因素一直是眾多學者的研究重點之一,文獻[6]最早提出了高溫螺栓法蘭連接的緊密性概念,并通過試驗分析建立了緊密性評價方法,為在役螺栓法蘭連接的密封設計及墊片性能的評價提供了借鑒。 文獻[7]中對法蘭接頭進行了穩態傳熱分析,對兩種不同密封面形式法蘭的密封性能進行了對比研究。 文獻[8]通過實測工況下的溫度數據確定了臨界熱力學參數,提出了一種適用于溫度變化劇烈的法蘭連接密封性評定方法。 文獻[9-10]對螺栓法蘭連接的瞬態溫度場及穩態傳熱進行了研究,分析了溫度變化對墊片和螺栓載荷的影響,并提出了在一定升溫速度下用穩態溫度場代替瞬態溫度場的可行性。 文獻[11-12]研究了循環熱載荷下不同材料類型與不同公稱直徑法蘭接頭的密封性能與力學特性。 文獻[13-14]進行了復合內壓與不同穩態熱載荷下法蘭接頭的有限元分析,確定了接頭安全運行條件與實際承載能力。 上述研究多采用穩態溫度場的熱-結構耦合分析方法,無法評價溫度變化這一動態過程對法蘭連接各部件的影響。

本文以螺栓法蘭連接系統為研究對象,通過ABAQUS 進行數值模擬,考慮溫度場的時滯性與墊片的熱膨脹,研究了溫度波動情況下墊片應力的變化情況,以揭示溫度波動對連接系統對密封性能的影響。研究結果對提高連接結構的密封性能、加快油氣行業儲能發展與低碳轉型具有重要的意義。

1 螺栓法蘭連接系統數值模擬方法

1.1 幾何模型

模型選用DN80 帶頸對焊突面管法蘭、M20雙頭螺栓、DN80 柔性石墨金屬纏繞墊,如圖1所示。

圖1 法蘭及墊片尺寸示意圖(單位:mm)

法蘭材料選用0Cr18Ni9,螺栓為25Cr2MoVA,墊片為304 金屬骨架的柔性石墨纏繞墊片,考慮到溫度的影響,不同溫度下墊片的壓縮回彈數據如圖2 所示。

圖2 不同溫度下墊片的壓縮回彈性能

1.2 單元類型選擇與網格劃分

螺栓法蘭連接系統的密封結構如圖3 所示。 對有限元模型進行網格劃分,墊片單元類型為GK3D8,法蘭和螺栓單元為C3D8R。 為了分析溫度對法蘭連接密封性能的影響,先進行溫度場模擬,網格類型為Heat Transfer,再將溫度場結果代入應力場進行耦合,其中螺栓和法蘭網格類型為3D Stress,墊片網格類型為Gasket。 考慮網格數量與質量對計算結果的影響,通過細化網格來減小網格密度間的數值分析誤差。經過網格無關性分析,在保證精度的條件下減小模擬時間,最終網格數量為177 235。

圖3 有限元模型

1.3 載荷與邊界條件

在預緊工況下,法蘭之間通過螺栓預緊,根據文獻[15]計算螺栓載荷,單個螺栓所施加的預緊力為30 kN,此時墊片上承受一定的壓緊力。 法蘭端面與螺栓、墊片的接觸屬性相同,摩擦系數為0.1。 下法蘭端面施加固定約束。 在模擬過程中,法蘭內壁由室溫25 ℃開始升溫,同時介質壓力逐漸增大,200 s 后工作溫度升至300 ℃,內壓為4 MPa,然后進行一定時間的溫度穩定與壓力保持。

2 螺栓法蘭連接系統的瞬態溫度場研究

2.1 法蘭連接瞬態溫度分布

瞬態傳熱是指系統溫度隨時間不斷變化的過程,為了考慮溫度波動對螺栓法蘭連接系統的影響,有必要對其進行瞬態溫度場分析。 假設溫度在200 s 內發生的波動情況為從300 ℃降至250 ℃后再升至300 ℃,變化時間間隔為100 s,如圖4 所示。

圖4 溫度波動情況

螺栓法蘭連接系統在0 s、100 s、200 s 時的溫度分布情況如圖5 所示。 剛開始時,螺栓法蘭連接系統中法蘭內壁溫度最高為300 ℃,螺栓部分最低溫度為285.4 ℃,整體溫度分布呈由法蘭內壁往外逐漸降低的狀態。 在0 s 到100 s 時溫度下降,100 s 時溫度降至最低,此時法蘭內壁溫度為253.5 ℃,螺栓上溫度最高為273.2 ℃,此時溫度分布呈由法蘭內壁往外增加的狀態。 隨后溫度回升,在200 s 時恢復至300 ℃,此時法蘭內壁溫度為300 ℃,螺栓上溫度最低為264.9 ℃,由內往外溫度逐漸降低。

圖5 連接系統瞬態溫度分布情況

如圖6 所示,選取同一徑向線上的墊片內外側節點A、B 與螺栓內外側節點C、D,得到各自溫度變化曲線如圖7 所示。

圖6 溫度節點位置

圖7 墊片螺栓溫度變化情況

2.2 螺栓法蘭連接溫度場分析

由圖7 可知,在0 s 到100 s 時間內,墊片溫度下降,但內側溫度的變化幅度與速率都大于外側溫度;在100 s 到200 s 的時間內,墊片內側溫度上升,外側溫度經過些許滯后也隨之上升。 在200 s 時,單次溫度波動結束,之后墊片內側溫度保持在300 ℃,外側溫度也逐漸平緩趨于穩定。 而對螺栓來說,在0 s 到100 s 時間內其內外側溫度變化較為一致,剛開始下降得較為緩慢,隨時間的推進下降速率逐漸變大。 但在100 s 到200 s 時,其溫度并沒有立刻上升,而是繼續下降,經過約50 s 后才開始上升。 在200 s 溫度波動結束后,螺栓內外側溫度仍在上升,隨著時間推進逐漸平緩。 相比于墊片的溫度變化情況,螺栓的溫度變化存在著一定的滯后性,這對溫度波動下墊片的應力變化可能會產生一定的影響。

3 溫度波動對墊片應力的影響

設置介質壓力為4 MPa,溫度在200 s 內發生以下波動:(1)從300 ℃降至250 ℃再升至300 ℃;(2)從300 ℃降至200 ℃再升至300 ℃,變化時間間隔為100 s,溫度變化如圖8 所示。

圖8 溫度波動情況

3.1 墊片應力的分布及變化情況

溫度波動前后的墊片應力云圖如圖9 所示,波動前墊片的最大應力為73.200 0 MPa,最小應力為72.650 0 MPa,整體應力分布呈外圈應力大、內圈應力小的狀態。 圖9(b)為波動50 ℃后的墊片應力云圖,墊片的最大應力為71.690 0 MPa,最小應力為71.260 0 MPa。 波動100 ℃后的墊片應力云圖如圖9(c)所示,墊片最大應力為70.720 0 MPa,最小應力為69.330 0 MPa。 與波動前不同,墊片應力在溫度波動后呈“內緊外松”的狀態分布,且溫度波動100 ℃后的整體墊片應力較溫度波動50 ℃要減小得更多。

圖9 墊片應力云圖

圖10 為波動50 ℃墊片的應力變化情況,在0 s到100 s 的時間內,墊片內外側應力隨著溫度的降低而減小。 在100 s 時溫度開始上升,墊片內側應力也隨之增大,但外側應力仍在減小,約20 s 后才開始上升。 最終在200 s 溫度波動結束時,墊片內側應力為71.677 7 MPa,外側應力為71.294 1 MPa。 與波動前相比,其內外側應力分別降低了0.971 6 MPa、1.904 1 MPa。

圖10 墊片應力變化

溫度波動前后螺栓的載荷情況如圖11 所示,可以看出波動前后螺栓上靠近墊片的一側應力較為集中,為主要受力部分。 波動前螺栓上最大應力為238.900 0 MPa,波動后螺栓上最大應力為233.300 0 MPa,較波動前有所減小。

圖11 螺栓應力云圖

選取如圖6 所示的螺栓內外側節點C、D,其應力變化情況如圖12 所示。 由圖可知,在0 s 到100 s 時間內,螺栓內外側節點應力隨溫度的降低而減小,內側節點的最大降幅為18.871 0 MPa,外側節點的最大降幅為6.520 0 MPa。 在100 s 到200 s 時間內,隨著溫度升高,螺栓內外側節點應力也隨之增大。 在200 s 溫度波動結束時,螺栓內側節點應力較之前下降了0.397 0 MPa,外側節點應力較之前增大了5.048 1 MPa。 單次溫度波動結束后,螺栓的內外側節點應力都逐漸減小直至趨于平緩。

圖12 螺栓節點應力變化

3.2 墊片及螺栓載荷分析

對墊片和螺栓的載荷變化進行分析。 在0 s 到100 s 的時間內溫度降低,墊片與法蘭內壁收縮,且墊片的收縮程度大于法蘭。 相較而言,法蘭對墊片的壓緊作用得到了緩解,因此墊片的應力隨之減小。 通過對螺栓法蘭連接系統的瞬態溫度場分析,已經知道了溫度傳遞具有一定的時滯性,當墊片內側節點溫度開始上升時,外側節點溫度仍繼續下降了20 s 左右。 這解釋了當墊片內側節點應力在100 s 后增大時,其外側節點應力繼續減小,約20 s 的遲滯后才開始增大。

對于螺栓來說,在0 s 到100 s 的時間內,法蘭內壁和墊片的收縮減緩了法蘭原先的偏轉程度,螺栓所受的彎矩減小,承受主要彎矩作用的螺栓內側應力減小較大。 同時,溫度的下降使螺栓發生收縮,但與墊片與法蘭內壁的收縮影響相比,螺栓反而發生了相對的伸長,因此這一段時間螺栓的應力發生了減小;在100 s 到200 s 時間內,墊片與法蘭內壁升溫膨脹,溫度場的滯后傳遞使螺栓仍在繼續收縮,此時螺栓被拉伸,其內外側的應力也隨之增大。 約150 s 時,螺栓的溫度也開始上升,螺栓受熱膨脹伸長,因此其內外側節點應力的增大速率逐漸減小。 最終在200 s 時,由于墊片內側熱膨脹形變大于外側,再加上螺栓的伸長導致其對墊片外側的壓緊作用減弱,在二者共同的作用下,墊片應力由一開始的“外緊內松”變為波動結束時的“外松內緊”。

由圖10 可知,在經過200 s 的溫度波動后,墊片應力繼續上升直至趨于穩定。 在這一過程中,墊片外側應力逐漸大于內側應力,墊片整體應力又恢復至“外緊內松”的分布狀態。 同樣,由圖12 可知螺栓的載荷逐漸減小直至趨于穩定。 通過溫度場的滯后性對這一現象進行分析,在200 s 后,由于螺栓的溫度仍保持著較大幅度的上升,而墊片的溫度變化已趨于平緩,此時墊片與法蘭不再發生較大熱膨脹變形,因此隨著螺栓的繼續伸長,其應力就逐漸降低。 對于墊片來說,在螺栓膨脹伸長的影響下,墊片的應力變化逐漸平緩。 將墊片的內側與外側看作兩個支點,在溫度升高過程中,墊片的內側熱膨脹先于外側,應力主要由“內側支點”承受。 隨著溫度的穩定,“支點”由內側往外側轉移,應力逐漸由整個墊片寬度承受,墊片應力又恢復至“外緊內松”的狀態。

在螺栓法蘭連接系統的整個溫度波動過程中,其應力變化與各部件的熱學性能、結構剛度等都有著密切的關系,這充分體現了各部件上熱應力的機械交互作用。 簡單來說,溫度波動過程就是介質將熱量徑向往外傳遞至法蘭、墊片、螺栓,并使其先后膨脹及墊片自身壓縮回彈性能導致的墊片應力變化過程。

4 結語

采用數值模擬方法對溫度波動下的螺栓法蘭連接系統密封性能進行研究,建立了三維有限元模型,考慮瞬態溫度場與墊片熱膨脹對墊片應力進行分析,研究結果對加快我國油氣行業儲能配套新能源產業布局和低碳轉型進程具有重要意義,主要研究結論如下:(1) 溫度波動對螺栓法蘭連接系統中的墊片應力有顯著影響。 在波動過程中,墊片應力會呈現出“內緊外松”和“外松內緊”兩種不同的分布狀態,這主要與墊片的熱膨脹和溫度場的滯后性有關。 (2) 在溫度波動過程中,法蘭連接存在溫度滯后現象。 墊片和螺栓的溫度變化受溫度傳遞的滯后性影響,導致螺栓的內外側節點應力有不同的變化規律,這種滯后性是墊片應力變化的一個重要原因。 (3) 溫度波動的幅度對墊片和螺栓的應力變化產生影響,較大的溫度波動幅度會導致更大的應力變化。 因此,在實際工程中,需要考慮溫度波動對螺栓法蘭連接系統的影響,以確保其密封性能和安全性。