基于有限元的高壓法蘭密封性能研究

林國軍

（西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠忠縣分廠，重慶 404300）

基于有限元的高壓法蘭密封性能研究

林國軍

（西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠忠縣分廠，重慶 404300）

利用ANSYS軟件建立了高壓法蘭接頭的有限元模型，對影響法蘭接頭連接性能的因素進(jìn)行了研究。重點(diǎn)分析了摩擦系數(shù)、螺栓預(yù)緊力、螺栓預(yù)緊力不均勻?qū)Ω邏悍ㄌm密封性能的影響。結(jié)果表明，隨著摩擦系數(shù)增加，高壓法蘭的密封性能先減弱后增強(qiáng)，在f=0.2時金屬墊環(huán)的接觸應(yīng)力最小，密封性能最差。螺栓預(yù)緊力越大，高壓法蘭的密封性能越好；預(yù)緊力大于80kN時，金屬墊環(huán)將發(fā)生塑性變形。不同的螺栓預(yù)緊力不均勻的方式，對高壓法蘭密封的影響程度不同。

法蘭；預(yù)緊力；金屬密封；ANSYS

法蘭接頭是由法蘭、墊片和螺栓連接件構(gòu)成的獨(dú)立組件，其作用是將容器或管道的各承載體組合在一起，抵抗內(nèi)部載荷的作用，并保證連接部位的密封性［1］。該連接方式主要用于壓力高于10MPa的管道或設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)、核電、航空航天等高風(fēng)險性領(lǐng)域。一旦連接失效，輕則造成財產(chǎn)損失，重則導(dǎo)致人員傷亡、環(huán)境污染等事故［2］。因此，法蘭接頭除了滿足基本的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外還應(yīng)具有良好的密封性能［3］。

金屬八角墊密封屬于金屬密封的一種，通常被應(yīng)用于油氣輸送管、壓力容器等系統(tǒng)。其密封機(jī)理是：在螺栓預(yù)緊力作用下，金屬墊圈被法蘭擠壓并發(fā)生彈塑性變形，與法蘭面形成初始密封。工作過程中由于高壓流體的作用，法蘭受到與預(yù)緊力方向相反的工作壓力，致使金屬墊圈與法蘭間接觸應(yīng)力減小。如果法蘭密封面上接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力，就能實(shí)現(xiàn)良好密封；否則，將導(dǎo)致連接失效，介質(zhì)泄漏。

法蘭接頭由多個零件組成，因此考察其密封性能時，必須將連接結(jié)構(gòu)作為一個整體綜合考慮［4］。傳統(tǒng)的理論解析法對結(jié)構(gòu)做了大量簡化，忽略了面接觸等非線性因素的影響，計算結(jié)果誤差較大［5］。本文采用有限元軟件建立了用于高壓氣田地面輸送管道的法蘭接頭有限元模型，分析了螺栓預(yù)緊與工作情況下接頭的應(yīng)力應(yīng)變特征，著重研究了摩擦系數(shù)、螺栓預(yù)緊情況對接頭密封性能的影響。

1　法蘭接頭模型建立

本文采用API 6A標(biāo)準(zhǔn)法蘭，規(guī)格型號為6BX69MPa（10000psi），尺寸41/16〃，與之配合的八角墊環(huán)型號為BX155，雙頭螺柱為M30，個數(shù)8個，建立的法蘭接頭三維模型如圖1所示。

圖1　法蘭接頭三維模型

采用ANSYS有限元軟件對所建立的模型進(jìn)行數(shù)值分析。法蘭、螺栓以及墊圈所對應(yīng)的材料及力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。同時，為了提高計算精度，對模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，所得有限元模型如圖2所示。首先，在模型對稱面上施加對稱約束，為避免計算過程中出現(xiàn)剛體位移，在法蘭上端面施加固定約束，法蘭與墊圈接觸添加摩擦接觸約束，螺栓上施加預(yù)緊力載荷。

表1　零件力學(xué)性能參數(shù)

圖2　法蘭接頭有限元模型

2　接頭應(yīng)力分布特征

2.1無內(nèi)壓工況下

預(yù)緊力為F=10kN，摩擦系數(shù)為0.2，無內(nèi)壓時，計算得到法蘭的應(yīng)力法蘭接頭的應(yīng)力和金屬墊環(huán)的接觸應(yīng)力云圖，如圖3所示。可以看出，接頭的最大應(yīng)力出現(xiàn)在金屬墊環(huán)的密封面上，法蘭接頭最大應(yīng)力達(dá)到54.75MPa。金屬墊環(huán)的密封面上，最大接觸應(yīng)力達(dá)到68.8MPa。且與外圈接觸面相比，內(nèi)圈的接觸應(yīng)力稍大。

a法蘭接頭Von-Mises應(yīng)力圖

圖3　法蘭接頭應(yīng)力圖

2.2內(nèi)壓工況下

預(yù)緊力為F=10kN，摩擦系數(shù)為0.2，介質(zhì)壓力為30MPa時，計算得到法蘭的應(yīng)力法蘭接頭的應(yīng)力和金屬墊環(huán)的接觸應(yīng)力云圖，如圖3所示。此時法蘭接頭的最大應(yīng)力達(dá)到75.22MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在法蘭的接頭處，這是因?yàn)榉ㄌm兩端壁厚較小，加之建模時沒有考慮實(shí)際連接管件對接頭的約束，但是根據(jù)圣維南原理，其對密封的影響可忽略。同時，內(nèi)圈接觸壓力仍大于外圈。與無內(nèi)壓情況下相比（圖3），介質(zhì)壓力具有一定的助封作用。

3　表面粗糙度對密封影響

在仿真中不同的表面粗糙度對應(yīng)不同的摩擦系數(shù)，在預(yù)緊力為F=10kN，無內(nèi)壓情況下分別取摩擦系數(shù)f= 0.01、0.05、0.1、0.15、0.2，所得金屬墊圈Von-Mises應(yīng)力與接觸應(yīng)力值如表2所示?？梢钥闯?，隨著摩擦系數(shù)的增加，Von-Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力均減小。其他摩擦系數(shù)對應(yīng)的接觸應(yīng)力相比，摩擦系數(shù)為0.2時，接觸應(yīng)力變化幅度最大。故推薦使用摩擦系數(shù)為0.15。

表2　不同摩擦系數(shù)下墊環(huán)結(jié)果

4　螺栓預(yù)緊方案對密封影響

4.1預(yù)緊力對密封性影響

螺栓的預(yù)緊力的大小直接影響法蘭與墊圈的接觸應(yīng)力大小，影響密封性能。因此，在介質(zhì)壓力為30MPa，摩擦系數(shù)f=0.15的情況下，分別分析了預(yù)緊力為F=10kN、20kN、40kN、60kN、80kN、100kN時，金屬墊環(huán)的Von-Mises應(yīng)力和墊環(huán)與法蘭的接觸力的情況。所得結(jié)果如表3所示。預(yù)緊力越大，墊環(huán)的Von Mises應(yīng)力值越大，當(dāng)預(yù)緊力F=100kN時，墊環(huán)的應(yīng)力值超越了材料的屈服強(qiáng)度480MPa。金屬墊環(huán)與法蘭的接觸應(yīng)力也隨預(yù)緊力的增大而增大，且接觸應(yīng)力值均大于介質(zhì)壓力30MPa，如果螺栓的預(yù)緊力過小，則可能導(dǎo)致密封面的接觸應(yīng)力過小，當(dāng)?shù)陀诮橘|(zhì)壓力時就會引起密封失效。

表3　不同預(yù)緊力下墊環(huán)計算結(jié)果

4.2預(yù)緊力不均勻?qū)γ芊庥绊?/p>

在實(shí)際安裝過程中，由于人為因素等原因，每個螺栓的預(yù)緊力不可能完全相同（未上緊的螺栓預(yù)緊力F= 1kN，其他的螺栓預(yù)緊力F=10kN），繼而引起法蘭與金屬墊圈接觸面上的接觸壓力分布不均勻，影響密封性能。為了方便表示，對螺栓按1-8進(jìn)行編號，如圖4所示。在摩擦系數(shù)f=0.25，介質(zhì)壓力為30MPa的情況下，研究各種預(yù)緊力不均勻的情況，計算得到在各種情況下，金屬墊環(huán)Von-Mises應(yīng)力和墊環(huán)與法蘭的接觸應(yīng)力，如圖5所示。

a法蘭接頭Von-Mises應(yīng)力圖

圖4　法蘭接頭應(yīng)力圖

圖5　螺栓編號

可以看出，當(dāng)有兩根螺栓未預(yù)緊時，比單根螺栓未預(yù)緊時對法蘭密封性的影響要大，但同時它們之間的相對位置對金屬墊環(huán)的Von-Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力影響完全不同，總體趨勢是：兩根未上緊螺栓相對位置越遠(yuǎn)時，對于金屬墊環(huán)的Von-Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力影響越大；而兩根未上緊螺栓相對位置越近，對于金屬墊環(huán)的Von-Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力影響越小，但在螺栓未上緊處的應(yīng)力減小越大。

圖6　5種情況下墊環(huán)Von-Mises和接觸應(yīng)力云圖

5　結(jié)論

通過對法蘭接頭有限元建模以及影響密封性能因素的詳細(xì)分析，可以得出以下主要結(jié)論：

①金屬墊圈的內(nèi)圈接觸壓力始終大于外圈，與無內(nèi)壓工況相比，介質(zhì)壓力具有一定的助封作用。

②隨著摩擦系數(shù)的增加，接頭的接觸應(yīng)力減小。推薦使用摩擦系數(shù)為0.15。

③應(yīng)合理地選擇預(yù)緊力，預(yù)緊力過大會導(dǎo)致接觸面發(fā)生塑性變形；若過小則無法起到密封作用。

④未完全預(yù)緊螺栓的相對位置對墊環(huán)Von-Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力影響程度不同。

［1］王等旺，李捷，王昭，等.爆炸容器法蘭變形試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬［J］.壓力容器，2014（04）：25-30.

［2］廖傳軍，滿滿，王洪銳，等.徑向受載型金屬墊片法蘭密封結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究［J］.壓力容器，2014（03）：40-44.

［3］王和慧，盧均臣，關(guān)凱書，等.帶接管組合法蘭的強(qiáng)度和密封有限元分析［J］.壓力容器，2012（02）：22-29.

［4］范淑玲.金屬與金屬接觸型螺栓法蘭接頭完整性的研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2013.

［5］徐學(xué)真，黃建冰，孫偉明.帶金屬O型環(huán)法蘭的密封性能有限元分析［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014（06）：686-689.

Research on the Sealing Performance of High Pressure Flange based on Finite Element Method

Lin Guojun
（Southwest Oil and Gas Field Branch Company Chongqing Natural Gas Purification Plant Zhongxian Branch，Chongqing 404300）

The finite element model of the high pressure flange joint was established by using ANSYS software，and the factors affecting the connection performance of the flange joints were studied.The influence of friction co?efficient，the pre tightening force of the bolt and the uneven force of the bolt on the sealing performance of the?high pressure flange were analyzed.The results show that with the increase of the friction coefficient，the sealing?performance of the high pressure flange is weakened and then strengthened，and the contact stress is minimum and the sealing performance is the worst when f=0.2.The greater the pre tightening force of the bolt，the better sealing performance of the high pressure flange，and the plastic deformation of the metal pad ring will appear when the force is greater than 80kN.Different bolt pre tightening force is not uniform，their impact onthe high pres?sure flange sealing is different.

flange；pre tightening force；metal seal；ANSYS

TG455

A

1003-5168（2015）05-0029-4

2015-4-20

林國軍（1986—），男，本科，工程師，研究方向：天然氣凈化廠設(shè)備（容器、管道、轉(zhuǎn)動設(shè)備等）檢維修。