法蘭聯(lián)接用平面金屬墊片的力學(xué)性能分析

曾其科

（四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川 成都 610213 ）

引 言

螺栓法蘭墊片密封結(jié)構(gòu)常被用于機(jī)械、交通、石化、核能等行業(yè)，金屬墊片密封是壓力容器和管道中常見的密封形式，其失效極少是因強(qiáng)度不足引起的，泄漏是連接系統(tǒng)失效的主要原因。

在法蘭連接中，一方面由于螺栓預(yù)緊力作用，通過法蘭壓緊面作用到金屬墊片上，當(dāng)金屬墊片表面單位面積上所受的壓緊力達(dá)到一定時，墊片產(chǎn)生彈性或屈服變形，堵塞流體泄露的通道，從而形成初始密封條件；另一方面密封介質(zhì)內(nèi)壓引起的軸向力，將促使上下法蘭的壓緊面分離，墊片在預(yù)緊工況形成的壓縮量減小，壓緊面上的密封比壓力下降。

諸多學(xué)者對法蘭聯(lián)接進(jìn)行了研究，但主要集中在對非金屬墊片的接觸應(yīng)力的數(shù)值分析，而對法蘭聯(lián)接中金屬墊片的研究相對較少。如馮軍軍等對其進(jìn)行參數(shù)化研究，研究外彎矩和法蘭公稱直徑對墊片應(yīng)力及連接泄漏率的影響，確定外彎矩與泄漏率的規(guī)律[2]；張斯亮等建立預(yù)緊、操作工況下DN200及DN450兩組管道法蘭數(shù)值計算模型，對法蘭及螺栓應(yīng)力進(jìn)行分類、強(qiáng)度評定[3]；杜坤等螺栓法蘭連接系統(tǒng)各元件之間的相互作用，分析了預(yù)緊力密封介質(zhì)內(nèi)壓力等因素對墊片應(yīng)力的影響[4]；馮秀等對金屬墊片有效密封寬度進(jìn)行有限元分析，為螺栓法蘭金屬墊片的設(shè)計與安全評價提供了參考[5]。

1 有限元模型

1.1 實體模型及材料參數(shù)

由于螺栓法蘭墊片模型結(jié)構(gòu)型式和承載對稱性，取模型1/2進(jìn)行分析，利用SolidWorks建立了法蘭-金屬墊片-螺栓系統(tǒng)模型。如圖1(A)所示。系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：選用DN100mm，PN10MPa平面整體鋼制管法蘭，法蘭厚36mm，法蘭外徑265mm，螺栓孔直徑30mm。螺栓個數(shù)8，尺寸M27mm×100mm。平面金屬墊片，內(nèi)徑51mm，外徑81mm。

圖1 有限元計算模型

結(jié)構(gòu)材料參數(shù)：法蘭鋼材彈性模量210GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度325MPa，螺栓材料為低合金高強(qiáng)度鋼，彈性模量210GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度640MPa，墊片材料為20鋼，彈性模量190GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度267MPa

1.2 單元屬性及網(wǎng)格劃分

模型單元采用八結(jié)點線性六面體單元， 實現(xiàn)減縮積分與沙漏控制。

對裝配體各部件均采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，圖1(B)為法蘭聯(lián)接網(wǎng)格劃分后的模型，圖1(C)為墊片劃分網(wǎng)格后模型。

1.3 邊界條件

對模型對稱面施加對稱約束邊界，在下法蘭下端面施加軸向約束。根據(jù)法蘭聯(lián)接的裝配和工作過程，整個載荷施加過程分為兩步，第1步對螺栓施加預(yù)緊力60kN，使法蘭面與墊片之間形成初始密封面；第2步對法蘭內(nèi)腔和墊片內(nèi)表面施加與介質(zhì)壓力相當(dāng)?shù)妮d荷10MPa，并在上法蘭端面施加與內(nèi)壓力引起的軸向力相當(dāng)?shù)妮d荷，模擬法蘭工作過程。

2 墊片應(yīng)力應(yīng)變分析

圖2為法蘭聯(lián)接在預(yù)緊狀態(tài)下和工作狀態(tài)下，墊片的Von Mises應(yīng)力云圖。無論預(yù)緊狀態(tài)還是工作狀態(tài)，墊片最大應(yīng)力均發(fā)生在外圓周，而其他部分應(yīng)力值較小，主要是由于在螺栓預(yù)緊力作用下，法蘭盤發(fā)生了翹曲變形。當(dāng)螺栓預(yù)緊力為60MPa時，墊片最大應(yīng)力值為292.9MPa， 超過了墊片屈服強(qiáng)度，說明墊片外沿已經(jīng)發(fā)生了塑性變形。當(dāng)法蘭內(nèi)部介質(zhì)壓力為10MPa時，墊片最大應(yīng)力值為294.5MPa，大于預(yù)緊狀態(tài)下應(yīng)力值，說明介質(zhì)壓力作用加劇了墊片塑形變形，但影響量較小。

圖2 墊片的Von Mises應(yīng)力云圖

法蘭聯(lián)接中，墊片軸向變形量對其力學(xué)性能和密封性能影響較大。圖3為在螺栓預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下墊片軸向位移分布云圖?？梢?，墊片上、下表面的外沿附近的位移量最大，其他部位變形量相對較小。預(yù)緊狀態(tài)下，墊片最大軸向變形量為4.996μm，工作狀態(tài)下最大變形量為5.116μm。說明介質(zhì)壓力對墊片軸向變形量影響較大。

圖3 墊片的軸向位移云圖

當(dāng)墊片與法蘭接觸面上沿徑向方向最大，接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力時，就可以實現(xiàn)良好密封，如果墊片的整個圓周上有一處的接觸應(yīng)力值小于介質(zhì)壓力，則流體介質(zhì)就會發(fā)生泄漏，法蘭密封失效。圖4為預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下墊片接觸應(yīng)力分布。預(yù)緊狀態(tài)下最大接觸應(yīng)力為351.5MPa，工作狀態(tài)下最大接觸應(yīng)力為208.1MPa，應(yīng)力值降低了40.8%。而且工作狀態(tài)下墊片有效接觸寬度為8.96mm，小于預(yù)緊狀態(tài)9.28mm。且預(yù)緊狀態(tài)下墊片在接觸寬度內(nèi)接觸應(yīng)力值變化梯度較小，而在工作狀態(tài)下的接觸應(yīng)力變化梯度較大。

圖4 墊片的接觸應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

采用有限元法對螺栓法蘭墊片密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究了平面金屬墊片的應(yīng)力應(yīng)變，預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下墊片最大應(yīng)力均發(fā)生在外圓周，介質(zhì)壓力作用加劇了墊片塑形變形，但影響量較小。當(dāng)螺栓預(yù)緊力為60MPa時，墊片外沿發(fā)生塑性變形。預(yù)緊狀態(tài)下墊片在接觸寬度內(nèi)接觸應(yīng)力值變化梯度較小，而在工作狀態(tài)下的接觸應(yīng)力變化梯度較大。