一種工業(yè)汽輪機(jī)高溫蒸汽法蘭擰緊力矩的計(jì)算方法研究

馮照和 陳可軒 張軍輝 王紅梅 劉白蘭

摘要：法蘭連接在工業(yè)設(shè)備中運(yùn)用極為廣泛，為了避免設(shè)備中介質(zhì)泄漏，需要給法蘭提供合適的預(yù)緊力，預(yù)緊力是通過(guò)擰緊力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在高溫高壓工況下，合適的擰緊力矩顯得更加重要。鑒于此，通過(guò)對(duì)某汽輪壓縮機(jī)組中汽輪機(jī)新蒸汽入口法蘭進(jìn)行分析，計(jì)算出所需的擰緊力矩，然后建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)有限元仿真分析，驗(yàn)證方法的可行性。

關(guān)鍵詞：汽輪壓縮機(jī);擰緊力矩;強(qiáng)度;仿真

0? ? 引言

法蘭螺栓連接是石油化工行業(yè)廣泛使用的連接形式之一，其因連接可靠性強(qiáng)，運(yùn)用極廣。在工程安裝中，為了增加螺栓連接的可靠性，需要施加合適的預(yù)緊力，而預(yù)緊力的施加是通過(guò)緊固力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的。擰緊力矩過(guò)大，法蘭密封面雖然可以貼合緊密，但是過(guò)大的擰緊力矩也可能會(huì)拉斷螺栓，工程上一般按照墊片的比壓力來(lái)判斷，認(rèn)為墊片所受的壓力大于比壓力并小于4倍比壓力時(shí)，密封可靠[1]。若擰緊力矩過(guò)小，法蘭間密封不可靠，則會(huì)發(fā)生泄漏。所以，合適的擰緊力矩顯得十分重要。

1? ? 擰緊力矩的計(jì)算

本文以某大型汽輪壓縮機(jī)組中新蒸汽法蘭連接為例，通過(guò)分析計(jì)算，給出擰緊力矩。然后建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證在此擰緊力矩的作用下，法蘭連接安全可靠。

汽輪機(jī)新蒸汽參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力P0=11.1 MPa，設(shè)計(jì)溫度515 ℃。法蘭公稱直徑DN=200 mm。螺栓公稱直徑d=52 mm，螺距P=5 mm，材料為21CrMoV，數(shù)量N=12。法蘭與墊片的連接形式圖1所示。法蘭接觸面直徑D=279.4 mm，墊片寬度W=28.58 mm，常溫下螺栓的許用應(yīng)力[σ]b=319 MPa，在設(shè)計(jì)溫度下螺栓的許用應(yīng)力[σ]bt=95 MPa。墊片為橢圓墊，材料為不銹鋼。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》（GB 150.3—2011）[2]查得不銹鋼橢圓墊片比壓力y=179.3 MPa，墊片系數(shù)m=6.5，橢圓墊片基本密封寬度為b=W/8。法蘭連接工況分為預(yù)緊態(tài)和設(shè)計(jì)態(tài)，我們對(duì)其分別進(jìn)行計(jì)算。

1.1? ? 預(yù)緊態(tài)

式中，K為扭矩系數(shù)。

計(jì)算得：T=3 685 Nm。

2? ? 有限元計(jì)算

為得知此載荷下螺栓及墊片的受力情況，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算[4]。為了減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算量，將模型簡(jiǎn)化成1/12進(jìn)行運(yùn)算。簡(jiǎn)化后的三維裝配模型如圖2所示。

在仿真過(guò)程中首先要根據(jù)設(shè)計(jì)溫度計(jì)算出模型的溫度場(chǎng)，然后將結(jié)果耦合到靜力場(chǎng)中，計(jì)算螺栓和墊片的強(qiáng)度。圖3為模型的網(wǎng)格劃分以及溫度場(chǎng)的分布。

將設(shè)計(jì)壓力以及上述計(jì)算得到的預(yù)緊力加載到螺柱上面，螺栓以及墊片的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

可以看到在此載荷下，除螺母和法蘭接觸部分應(yīng)力集中以外，螺栓整體受力在200 MPa以內(nèi)，小于此溫度下螺栓屈服極限275 MPa，螺栓安全。同時(shí)，墊片的受力（除了部分應(yīng)力集中點(diǎn)之外）基本在400 MPa以內(nèi)，按照工程經(jīng)驗(yàn)，密封可靠。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

法蘭擰緊力矩在工程安裝中經(jīng)常需要提供。相對(duì)于按照螺栓屈服強(qiáng)度計(jì)算方法得到的數(shù)值來(lái)說(shuō)，基于上述理論得到的數(shù)值更加安全。

根據(jù)墊片的不同，相應(yīng)更改計(jì)算參數(shù)，本文所述方法還能夠推廣應(yīng)用到其他形式密封面的相關(guān)計(jì)算中。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 宋新軍，甄繼夏.淺談金屬纏繞墊片[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（18）：33.

[2] 壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)：GB 150.3—2011[S].

[3] 普通螺紋 基本尺寸：GB/T 196—2003[S].

[4] 許京荊.ANSYS Workbench工程實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2015.

收稿日期：2020-01-10

作者簡(jiǎn)介：馮照和（1987—），男，安徽池州人，工程師，研究方向：汽輪機(jī)設(shè)計(jì)。