新型雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封接觸壓力的影響①

徐永杰，陸曉峰

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京 211816)

符號說明:

0 引言

法蘭密封接頭是核動力裝置、空間設(shè)施和火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)常見的可拆式連接形式。墊片作為其中的核心密封元件，其設(shè)計(jì)直接影響到整個系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。任全彬等［1］對某固體火箭發(fā)動機(jī)用“O”形密封圈進(jìn)行了研究，分析了其不同參數(shù)對密封性能的影響，并確定出密封圈易受損和失效的關(guān)鍵部位。提高密封結(jié)構(gòu)的可靠性，除了要加強(qiáng)新型密封材料開發(fā)與應(yīng)用外，更要注重新型密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究。Kurokouchi等［2］對康弗拉特密封系統(tǒng)用環(huán)形金屬平墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提出了一種楔形密封墊，該墊片只需要較小的螺栓力，即可獲得很好的密封效果。相比傳統(tǒng)墊片，其密封區(qū)域提高了1.6～3.7倍。借鑒其設(shè)計(jì)理念，美國Taper-lok公司提出了一種新型雙楔角環(huán)墊［3］。2009年，Madazhy等［4］對僅用3個螺栓的法蘭接頭中的新型雙楔角環(huán)墊和傳統(tǒng)平墊片的密封接觸壓力分布進(jìn)行了有限元分析，并做了水壓試驗(yàn)。結(jié)果表明，該新型環(huán)墊擁有更出色的密封效果。而在2010年的ASME壓力容器與管道會議上，Gardner等［5］將雙楔角環(huán)墊應(yīng)用于高壓換熱器中，取代了焊接隔板來防止泄漏，取得了很好的效果。但現(xiàn)有文獻(xiàn)并未提及雙楔角環(huán)墊具體結(jié)構(gòu)尺寸的確定及其對密封性能的影響，國內(nèi)也未見有關(guān)此研究工作的報(bào)道。因此，研究雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)尺寸對密封接觸壓力的影響，對新型法蘭接頭的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用有重要意義。

本文對法蘭接頭用新型雙楔角環(huán)墊的密封接觸壓力進(jìn)行了理論分析，并運(yùn)用ABAQUS有限元軟件模擬分析了在螺栓預(yù)緊力和操作內(nèi)壓作用下雙楔角環(huán)墊高度、小端厚度、主從面錐角及環(huán)墊小端內(nèi)徑對其密封接觸壓緊力的影響。

1 雙楔角環(huán)墊密封原理

該新型法蘭密封接頭主要由主法蘭、雙楔角環(huán)墊、從法蘭和緊固螺栓組成，如圖1所示。雙楔角環(huán)墊的密封面為主、從兩個圓錐面，分別與主法蘭面和從法蘭面相接觸。圖1中環(huán)墊主面錐度大于從面錐度，從而形成自緊的楔體收斂方式。當(dāng)擰緊螺栓時，主法蘭凸頭將環(huán)墊壓緊在從法蘭凹槽內(nèi)，產(chǎn)生環(huán)向壓緊力，使主、從錐面形成初始密封;工況條件下內(nèi)部介質(zhì)壓力將迫使楔形密封體進(jìn)一步被壓緊，形成自緊式密封。環(huán)墊邊緣突出部分的作用是防止預(yù)緊時因螺栓力加載不當(dāng)導(dǎo)致環(huán)墊被過度擠壓，從而影響密封效果。

2 理論分析

由ASME卷8第一冊附錄2［6］可知，對于使用自緊式墊片的法蘭，其螺栓載荷只需提供足以抵抗最大許用工作壓力所產(chǎn)生的端部靜壓力即可，即

根據(jù)圖2所示受力分析，可得主密封面平衡方程為

則環(huán)墊主密封面平均接觸壓力為

環(huán)墊主密封面的水平分力為

壓緊時，使環(huán)墊產(chǎn)生徑向彈性壓縮，得平衡方程Ff=Fm－Tr［7］。其中，Tr=2πSRσθ。則從密封面平均接觸壓力為

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 法蘭、螺栓及墊片尺寸選用

本文法蘭相關(guān)尺寸選用 ASME B16.5標(biāo)準(zhǔn)［8］中NPS 3″Class300lb帶頸對焊法蘭，模型中所取筒體長度大于 2.5×(Rt)0.5，所以可忽略邊界的影響。螺栓為 8×M20。有限元分析采用ABAQUS軟件，由于整體密封裝置均為軸對稱，所以取其1/16作為研究對象。

3.2 材料定義

材料選用理想彈性模型，環(huán)墊材料與法蘭材料相同，均為SA105［9］，這樣可確保它們熱膨脹保持一致，同時可防止電化學(xué)腐蝕，其彈性模量E=202 GPa，泊松比υ=0.3;螺栓材料為SA193-B7，彈性模量E=204 GPa，泊松比 υ=0.3。

3.3 載荷與邊界條件

載荷包括螺栓預(yù)緊力和內(nèi)壓。其中，螺栓預(yù)緊載荷按照僅受端部靜壓力時的平墊片計(jì)算，螺栓載荷為48 490 N，為了模擬由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力效應(yīng)，在筒體的端面上施加一當(dāng)量壓力Peq=PR/2t。在所有分析步中對稱截面Z方向約束(UZ=0);下筒體端面固支(UX=UY=UZ=0);為避免螺栓產(chǎn)生滑動，限制其徑向移動(UX=0)，保證螺栓軸向加載。

受訪者特征。11名受訪者中有8人的年齡在28-35歲，另外3人的年齡在43歲以上，其中7人是女性。受訪者都擁有5-15年酒店銷售工作經(jīng)驗(yàn)，其中6人畢業(yè)于酒店管理或旅游管理專業(yè)，其余5人畢業(yè)于英語、營銷或傳媒專業(yè)。受訪者的年齡與對社交媒體的關(guān)注度成反比，即年齡越小對社交媒體的關(guān)注與熱情就越高。

3.4 接觸屬性及網(wǎng)格劃分

模型建立過程中，法蘭、螺栓、環(huán)墊采用C3D8R單元，與環(huán)墊重點(diǎn)接觸部位網(wǎng)格局部細(xì)化，如圖3所示。在接觸屬性中，選用小滑移，摩擦系數(shù)為0.15。

4 結(jié)果與討論

4.1 雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封面接觸壓力的影響

為了研究雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)對主、從密封面接觸壓力的影響，選取環(huán)墊主面高度(hm)、主從面錐角(θm/θf)、小端內(nèi)徑(d1)和小端厚度(T)4 個參數(shù)，保持其中3個參數(shù)恒定來分析另一參數(shù)變化對密封面接觸壓力的影響。為清楚地表達(dá)接觸壓力分布，在主、從密封面上取由A到B節(jié)點(diǎn)路徑如圖4所示。

4.1.1 環(huán)墊主面高度對接觸壓力的影響

保持主從面錐角、小端內(nèi)徑和厚度不變，環(huán)墊高度［10］分別取 12、15、18、21、24 mm。圖 5 為環(huán)墊主、從密封面接觸壓力沿路徑AB的分布。其中，x軸表示環(huán)墊自上而下節(jié)點(diǎn)的路徑。墊片有效密封寬度是指當(dāng)墊片密封面接觸壓力大于mP所對應(yīng)的墊片寬度，即圖中虛線上部所對應(yīng)的應(yīng)力區(qū)域。其中，m值為5.5［11］，P=5 MPa。從圖5(a)可看出，環(huán)墊高度對主面接觸壓力影響不顯著，隨著高度從12 mm增加到24 mm，最大接觸壓力值從33.46 MPa下降至28.78 MPa，主面最大接觸壓力值和有效密封寬度均小幅度減小。這主要是因?yàn)樵谳d荷恒定時，環(huán)墊接觸面積隨其高度的增加而增大，導(dǎo)致單位面積上的載荷下降，最大接觸壓力值隨之減小，而有效密封寬度也由于最大接觸壓力對其擠壓程度下降而減小。從圖5(b)可看出，隨著環(huán)墊高度從12 mm增加到24 mm，從面最大接觸壓力值從111.38 MPa 下降至 47.23 MPa，環(huán)墊高度對從面接觸壓力有顯著影響。這是因?yàn)榄h(huán)墊從面靠近邊緣突出處有部分區(qū)域未與從法蘭面接觸，因而在未接觸區(qū)域與接觸區(qū)域間會引起局部應(yīng)力集中，而隨著環(huán)墊高度增加，與從法蘭接觸面積也相應(yīng)增加，分擔(dān)了部分接觸壓力，從而緩解了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4.1.2 主從面錐角對接觸壓力的影響

保持環(huán)墊高度、小端內(nèi)徑和厚度不變，主從面錐角［4］分別取 15/5°、20/10°、25/15°、30/20°、35/25°。圖6為環(huán)墊主、從密封面接觸壓力沿路徑AB的分布。從圖6(a)可看出，主從面錐角對環(huán)墊主面接觸壓力有顯著影響，主面有效密封寬度和最大接觸壓力均隨主從面錐角度增大而減小，當(dāng)錐角度大于20/10°后，最大接觸壓力值甚至已經(jīng)低于保證密封的最小安全極限值27.5 MPa。依次推之，當(dāng)主從面角度趨近于90°(類似平墊片)時，接觸壓力將會降到最低值，而這也充分證明了這種新型環(huán)墊相比常規(guī)墊片在密封性能上的優(yōu)越性。從圖6(b)可看出，從面有效密封寬度和最大接觸壓力也均隨主從面錐角度增大而減小，但相比對主面的影響，對從面的影響則要小許多。隨主從面錐角度的增大，從面完全不起密封作用的區(qū)域也在大幅增加，這無疑會造成環(huán)墊密封面積的極大浪費(fèi)。最大限度地提高密封面接觸壓力是墊片設(shè)計(jì)的宗旨，因此優(yōu)先選用小的主從面錐角。

4.1.3 環(huán)墊小端內(nèi)徑對接觸壓力的影響

4.1.4 小端厚度對接觸壓力的影響

保持環(huán)墊高度、主從面錐角和小端內(nèi)徑不變，小端厚度分別取 4、7、10、13、16 mm。圖 8 為環(huán)墊主、從密封面接觸壓力沿路徑AB的分布。從圖8(a)可見，當(dāng)環(huán)墊厚度大于7 mm時，隨著環(huán)墊厚度的增加，主面最大接觸壓力值也明顯增加，最大值出現(xiàn)在距環(huán)墊大端A節(jié)點(diǎn)0.78 mm處。當(dāng)環(huán)墊厚度小于7 mm以后，主面上的接觸壓力分布發(fā)生了顯著變化，主要密封區(qū)域由環(huán)墊端部下移到環(huán)墊中間位置，該位置正是環(huán)墊起密封作用的理想?yún)^(qū)域，且隨環(huán)墊厚度的減小，最大接觸壓力值大幅增加，厚度為4 mm時的最大接觸壓力值達(dá)到47.14 MPa。這是因?yàn)殡S著環(huán)墊厚度逐漸減小，從法蘭邊緣與環(huán)墊接觸處引起的局部應(yīng)力范圍逐步擴(kuò)散到主面上，對主面接觸壓力產(chǎn)生影響，而使其重新分布。從圖8(b)可見，環(huán)墊厚度對從面接觸壓力分布基本沒有太大影響。綜上可知，在保證環(huán)墊不被壓潰的前提下，環(huán)墊厚度越小，接觸壓力大小及分布越理想。

4.2 數(shù)值模擬與解析計(jì)算結(jié)果比較

圖9為環(huán)墊主面高度、主從面錐角、小端內(nèi)徑和小端厚度條件下主從面平均接觸壓力模擬結(jié)果與利用推導(dǎo)的解析式計(jì)算結(jié)果比較。由圖9可見，二者基本吻合，最大誤差為17%，在實(shí)際工程誤差允許范圍內(nèi)。觀察發(fā)現(xiàn)，理論值均比實(shí)際模擬值偏大一些，且接觸壓力越大，偏差也相應(yīng)增大。這主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算假設(shè)法蘭為完全剛體，而數(shù)值模擬中法蘭是彈性體，其變形隨密封接觸壓力增大而增加。

5 結(jié)論

(1)環(huán)墊小端厚度和主從面錐角度對主面接觸壓力的影響較明顯，而二者中小端厚度的影響更大;環(huán)墊高度和主從面錐角度對從面接觸壓力的影響較明顯，而二者中高度的影響更大。

(2)降低環(huán)墊高度，可提高主從面最大接觸壓力和有效密封寬度。減小主從面錐角度，可增大環(huán)墊最大接觸壓力和有效密封寬度。

(3)環(huán)墊小端內(nèi)徑超過110.5 mm后，其對主從面接觸壓力基本沒有影響;當(dāng)內(nèi)徑小于110.5 mm時，減小環(huán)墊小端內(nèi)徑，對提高主從面接觸壓力有利。

(4)在保證環(huán)墊不被壓潰的前提下，環(huán)墊小端厚度越薄，接觸壓力大小及分布越理想。當(dāng)環(huán)墊小端厚度小于7 mm后，主要密封區(qū)域由環(huán)墊端部下移到環(huán)墊中間位置，且隨著環(huán)墊厚度的減小，最大接觸壓力值大幅增加。

［1］任全彬，蔡體敏，王榮橋，等.橡膠“O”形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和失效準(zhǔn)則研究［J］.固體火箭技術(shù)，2006，29(1):9-14.

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