基于有限元分析的螺栓法蘭接頭緊固方法研究

張文澤，王 波，解志剛，祝加軒

(中國石油獨(dú)山子石化分公司研究院，新疆 獨(dú)山子 833699)

在石化裝置生產(chǎn)中，設(shè)備和管道連接中最常使用的形式是螺栓法蘭連接[1]。根據(jù)美國圣哲環(huán)境咨詢公司的統(tǒng)計(jì)，約有95%的石油化工裝置的泄漏來源于法蘭泄漏。在實(shí)際工程施工中，選用合適的螺栓法蘭緊固安裝方法顯得至關(guān)重要。

目前，螺栓法蘭緊固鞍座主要依賴作業(yè)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，缺乏有效的量化指標(biāo)。操作人員在進(jìn)行緊固安裝時存在安裝順序不確定隨意性大、每個螺栓用力不均等情況，常常造成墊片失效或損壞、螺栓變形、滑絲或斷裂的事故發(fā)生，最終導(dǎo)致發(fā)生泄漏。

針對螺栓法蘭緊固安裝中的問題，系統(tǒng)分析螺栓法蘭緊固安裝過程的關(guān)鍵因素，通過有限元分析，確定不同緊固安裝方式的適用性，對螺栓法蘭進(jìn)行規(guī)范的緊固安裝流程技術(shù)措施，消除設(shè)備法蘭連接失效風(fēng)險，以確保設(shè)備安全長周期運(yùn)行[2]。

1 螺栓法蘭接頭緊固安裝研究

螺栓緊固安裝方法決定了法蘭接頭的可靠性。在緊固方法中，除了緊固螺栓工具外，緊固螺栓的順序、步驟和步驟載荷等對于墊片應(yīng)力大小及其分布均勻性和法蘭的偏轉(zhuǎn)，保證法蘭接頭的完整性是極其重要的[3]。當(dāng)前，某些流體密封協(xié)會或墊片制造廠商規(guī)定了安裝時使用擰緊工具和緊固螺栓的方法，其中以標(biāo)準(zhǔn)形式出版的主要有2個，分別是美國ASME PCC-1和日本JIS B 2251。

ASME PPC-1《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》給出了5種替代傳統(tǒng)緊固螺栓方法的方案[4]。緊固螺栓方法包括緊固順序、緊固步驟(輪回)，以及每個步驟的緊固力矩值。螺栓的擰緊方式如圖1所示。然而，上述方案并不完全適合現(xiàn)場安裝工作，在安裝方案制定過程中如何選擇高效、快速的方式，應(yīng)進(jìn)行分析研究。

以圖1中12個螺栓的法蘭為例，傳統(tǒng)的螺栓緊固順序如下。

1)螺栓編號：采用交叉順序擰緊螺栓時，應(yīng)先對螺栓進(jìn)行謂之“324”的編號方法。

a.選取任一螺栓編號為1。

b.按順時針方向?qū)ο乱粋€螺栓進(jìn)行編號，即在前一螺栓的編號上加4得到的編號(如編號為1的螺栓，下一個要擰緊的螺栓的編號為1+4=5，即與該螺栓相鄰的螺栓編號為5)。

c.重復(fù)b步驟，直到螺栓編號超過法蘭的螺栓數(shù)目，并將該螺栓編號為3。

d.重復(fù)b步驟，直到螺栓編號超過法蘭的螺栓數(shù)目，并將該螺栓編號為2。

e.重復(fù)b步驟，直到螺栓編號超過法蘭的螺栓數(shù)目，并將該螺栓編號為4。

f.重復(fù)b步驟，直到最后的螺栓編號等于法蘭的螺栓數(shù)目，并將該螺栓編號為12。

2)擰緊步驟：上述編號完成后，擰緊步驟按照螺栓編號進(jìn)行，如本例的1→2,3→4,……

a.用手指擰緊所有螺母，檢查沿法蘭圓周的間隙是否均勻。

b.按照交叉擰緊順序(見圖1a)，擰緊每一螺母至全部緊固力矩值的20%～30%，檢查沿法蘭圓周的間隙是否均勻。

c.按照同b步驟擰緊順序，擰緊每一螺母至全部力矩值的50%～70%，檢查沿法蘭圓周的間隙是否均勻。

d.按照同b步驟擰緊順序，擰緊每一螺母至全部力矩值，檢查沿法蘭圓周的間隙是否均勻(大直徑法蘭需要追加擰緊次數(shù))。

e.按照順時針方向擰緊順序(見圖1b)，繼續(xù)擰緊所有螺母，直到螺母在全部力矩值下不再轉(zhuǎn)動(螺母應(yīng)完全旋入螺栓或螺柱的螺紋內(nèi))。

f.如時間允許，等候4 h后，重復(fù)e步驟，以消除墊片的短期蠕變松弛和螺紋相嵌的損失。如果其后法蘭要進(jìn)行壓力試驗(yàn)，而壓力試驗(yàn)高出法蘭的額定壓力，則應(yīng)在試驗(yàn)后重復(fù)e的擰緊步驟。

綜上所述，傳統(tǒng)緊固的方法對于螺栓數(shù)量偏多的場合，螺栓排列繁瑣，擰緊步驟復(fù)雜，緊固效率低下。

ASME PCC-1 2010中給出的替代方案降低了螺栓預(yù)緊力的復(fù)雜性，以更快的速度達(dá)到目標(biāo)螺栓載荷，既提高了緊固工作效率，又使墊片載荷更趨均勻。表1比較列舉替代方案#1和#3，并和傳統(tǒng)螺栓緊固安裝方法進(jìn)行了比較(表1中為逐個擰緊螺栓的方法，傳統(tǒng)方法中沒有列出需要在緊固前先用手?jǐn)Q緊螺栓的步驟，3個方法的終了輪回要求擰到螺母不再轉(zhuǎn)動為止)[5]。

表1 緊固方法的對比分析

顯然，相對傳統(tǒng)方法，替代方案#1螺栓應(yīng)力水平極速增加，擰緊輪回?cái)?shù)減??；替代方案#3更為簡化，不需要為螺栓排序，減少了擰緊輪回?cái)?shù)，并不需要來回走動，提高了緊固作業(yè)效率。但對于具體施工來說，應(yīng)小心評估這些替代方法，對所安裝的法蘭接頭進(jìn)行仔細(xì)分析，考慮到可能產(chǎn)生的墊片局部過載、不均勻緊固導(dǎo)致的法蘭變形和墊片受力不均等。

同時采用幾個緊固工具同步緊固多個螺栓的方法可以減少對墊片的損傷，單一工具逐個交叉緊固方法相比更簡單，且緊固效果更好。這種方法通常用于煉油、石化和核電等重要設(shè)備場合，ASME PCC-1也給出了2種螺栓緊固方案，緊固模式#4(同時使用4個工具)、#5(同時使用2個工具)。

2 法蘭接頭螺栓緊固順序試驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述分析可知，傳統(tǒng)緊固方法適合于螺栓數(shù)量較少的法蘭密封結(jié)構(gòu)；相對傳統(tǒng)方法，非傳統(tǒng)緊固模式#1擰緊輪回?cái)?shù)減小，非傳統(tǒng)緊固模式#3更為簡化，不需要為螺栓排序，減少了擰緊輪回?cái)?shù)，并不需要來回走動，提高了緊固作業(yè)效率。非傳統(tǒng)緊固模式#4和非傳統(tǒng)緊固模式#5采用幾個緊固工具同步緊固多個螺栓的方法可以減少對墊片的損傷，單一工具逐個交叉緊固方法相比更簡單，且緊固效果更好。但當(dāng)前上述方法缺乏試驗(yàn)論證，因此，本節(jié)采用試驗(yàn)方法，通過實(shí)施傳統(tǒng)緊固方案、非傳統(tǒng)緊固模式#1、非傳統(tǒng)緊固模式#3和非傳統(tǒng)緊固模式#5，考察連接裝配的載荷均勻性。

2.1 預(yù)緊力的確定

本次試驗(yàn)采用螺栓目標(biāo)應(yīng)力法確定預(yù)緊力的大小[6]。試驗(yàn)用突面法蘭為PN5.0 SO DN300標(biāo)準(zhǔn)，法蘭材料為316不銹鋼。墊片為石墨密封墊片(PN5.0 DN300，石墨環(huán)尺寸為358 mm×338 mm×6.6 mm)。螺栓材料為ASME A193 B16，規(guī)格為M30×200，螺距P=3 mm，螺栓數(shù)量為16，螺栓材料的性能見表2。

表2 螺栓材料力學(xué)性能

ASME PCC-1推薦取目標(biāo)螺栓應(yīng)力值為σH=345 MPa，約為螺栓材料屈服強(qiáng)度723.9 MPa(105 ksi)的47.7%。但是，實(shí)驗(yàn)室情況下人工采用力矩扳手?jǐn)Q緊時無法達(dá)到上述目標(biāo)值，考慮到本次試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注緊固順序?qū)β菟Φ挠绊?，因此取目?biāo)螺栓應(yīng)力值為σH=75 MPa進(jìn)行試驗(yàn)力矩的核算。

查閱ASME PCC-1附錄H表H-1，M30-3螺栓的根部面積為Am=535.0 mm2。因此，單個螺栓的預(yù)緊力控制目標(biāo)為：

Fi=σH×Am=75×535=40 000 (N)

(1)

緊固力矩計(jì)算式為：

T=KDFi

(2)

式中，K與螺栓的潤滑、新舊程度以及緊固方法等有關(guān)，K一般取0.16(有潤滑)或0.2(無潤滑)。

本次試驗(yàn)推薦單個螺栓的緊固力矩T=240 000 N·mm(無潤滑)。試驗(yàn)過程中采用應(yīng)變片測量螺栓力，進(jìn)行擰緊力控制。

2.2 緊固順序

采用傳統(tǒng)星形緊固模式和非傳統(tǒng)緊固模式#1、#3、#5。

1)傳統(tǒng)星形緊固模式。使用單一工具的傳統(tǒng)星形緊固模式，制定法蘭接頭安裝規(guī)程(見表3)，對法蘭連接系統(tǒng)螺栓組進(jìn)行5輪擰緊過程實(shí)施預(yù)緊。前三輪采用星形擰緊方案對數(shù)值模型中的螺栓組進(jìn)行預(yù)緊力的施加，16螺栓法蘭連接系統(tǒng)的螺栓力施加順序見表3；而后兩輪采用順次加載方式對法蘭連接系統(tǒng)實(shí)施擰緊。預(yù)緊載荷施加過程中的預(yù)緊輪次及每輪預(yù)緊載荷Fi占所施加目標(biāo)載荷Ft的比例見表3。法蘭連接系統(tǒng)預(yù)緊力每輪施加螺栓預(yù)緊載荷具體實(shí)施方案及數(shù)值向上圓整(見表4)。

表3 螺栓預(yù)緊輪次及載荷施加比例

表4 預(yù)緊工況輪次及每輪螺栓預(yù)緊力

2)非傳統(tǒng)緊固模式#1。該模式的方法與傳統(tǒng)模式相同，但它每步的壓力增幅更大，這樣所需步驟就會相應(yīng)減少，也更容易操作。模式#1的緊固順序如圖2所示。預(yù)緊工況輪次及每輪螺栓預(yù)緊力見表5。

a.步驟1a——目標(biāo)扭矩的20%～30%：1,9,5,13

表5 預(yù)緊工況輪次及每輪螺栓預(yù)緊力

3)非傳統(tǒng)緊固模式#3。這種螺栓聯(lián)接模式最開始只需緊固4個螺栓來校直接頭，然后在后續(xù)步驟開始前先安裝墊片。不需要操作者標(biāo)出螺栓編號，因?yàn)榫o固會減小法蘭一端到另一端的移動，裝配起來更容易些。模式#3的緊固順序如圖3所示。預(yù)緊工況輪次及每輪螺栓預(yù)緊力見表6。

a.步驟1a——20%～30%的目標(biāo)扭矩：1,9,5,13

表6 預(yù)緊工況輪次及每輪螺栓預(yù)緊力

4)非傳統(tǒng)緊固模式#5。該模式同時使用2個工具進(jìn)行緊固，且最后一步為環(huán)形模式(見圖4)。預(yù)緊工況輪次及每輪螺栓預(yù)緊力見表7。

a.步驟1a——30%的目標(biāo)扭矩同時緊固：1 & 9，然后是5 & 13

表7 預(yù)緊工況輪次及每輪螺栓預(yù)緊力

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)星形緊固方案、非傳統(tǒng)緊固模式#1、非傳統(tǒng)緊固模式#3和非傳統(tǒng)緊固模式#5的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。不論何種緊固方式，螺栓力的分布呈“W”型分布。

圖5 螺栓力測量結(jié)果

從圖5可以看出，隨著緊固周次的增加，各個螺栓力值逐漸接近目標(biāo)螺栓力。當(dāng)施加完全部(100%)載荷之后，再繼續(xù)進(jìn)行緊固，各個螺栓力的分布形態(tài)不再發(fā)生變化，但緊固次數(shù)越多，越接近目標(biāo)螺栓力。

2.4 對比分析

4種緊固方案下，完成最后一輪緊固方案后各個螺栓力值結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，非傳統(tǒng)緊固模式#1的螺栓力值分布相對均勻，且比較接近目標(biāo)螺栓力值，優(yōu)于其他3種緊固方案。傳統(tǒng)星形緊固方案、非傳統(tǒng)緊固模式#3和非傳統(tǒng)緊固模式#5，安裝完成后螺栓力的分布趨勢比較接近。但是，4種緊固方案下，1#螺栓的預(yù)緊力均偏低，是整個法蘭螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

圖6 4種緊固方案下螺栓力終值結(jié)果

為了分析螺栓法蘭連接系統(tǒng)在預(yù)緊工況中螺栓擰緊狀態(tài)，取螺栓組擰緊過程中的第2輪～第7輪(各緊固方案略有不同)的各螺栓在加載結(jié)束后的螺栓力，分析后兩輪加載結(jié)束后螺栓力的數(shù)值及其分布情況。后兩輪所施加的螺栓擰緊力為100%Fi。4種緊固方案下螺栓力均值及離散度結(jié)果如圖7所示，從圖7可以看出，隨著緊固次數(shù)的增加，螺栓力均值增大，在完成最后一個輪次的緊固之后，均值接近目標(biāo)螺栓力值(見圖7中虛線框處)，符合實(shí)際情況；非傳統(tǒng)緊固模式#1在各個緊固輪次中，螺栓力均值大于其他3種方案，同圖6中規(guī)律一致；隨著加載輪次的增加，螺栓力分布的離散度越來越小，非傳統(tǒng)緊固模式#1的離散度最小。

綜上可以看出，傳統(tǒng)星形緊固方案、非傳統(tǒng)緊固模式#1、非傳統(tǒng)緊固模式#3和非傳統(tǒng)緊固模式#5，從螺栓力值分布、螺栓力均值同目標(biāo)螺栓力的差距、螺栓力離散度等幾個方面比較可知，非傳統(tǒng)緊固模式#1明顯優(yōu)于其他3種方案。但不論何種緊固方案，最先緊固的螺栓(1#)，在完成最終緊固之后，預(yù)緊力偏低，是整個法蘭螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在實(shí)際安裝過程中應(yīng)注意該螺栓，必要時應(yīng)采用螺栓力測量儀器進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控。

圖7 4種緊固方案下螺栓力均值及離散度結(jié)果

3 有限元分析法蘭接頭螺栓緊固過程

對于法蘭接頭螺栓緊固順序的驗(yàn)證工作，采用有限元方法[7]，以傳統(tǒng)緊固模式為例，說明法蘭墊片接頭的安裝驗(yàn)證過程。

以8螺栓突面法蘭密封結(jié)構(gòu)為對象，基于有限元方法，應(yīng)用ANSYS軟件對法蘭連接結(jié)構(gòu)的預(yù)緊工況進(jìn)行有限元模擬，分析螺栓組擰緊過程中法蘭、螺栓及墊片的變形和受力情況，驗(yàn)證安裝中傳統(tǒng)緊固模式的合理性。

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 幾何模型

幾何模型[8]包括如下3個。

1)法蘭模型：按照HG/T 20592—2009鋼制管法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取的法蘭為DN50/PN100突面法蘭建立法蘭模型。

2)螺栓模型：采用的螺栓為M24，數(shù)量為8。

3)墊片模型：采用的墊片為帶定位耳環(huán)柔性石墨波齒復(fù)合墊片，墊片復(fù)合GB/T 19066.1—2008標(biāo)準(zhǔn)，墊片尺寸為87.5 mm×63.5 mm×4.8 mm。

3.1.2 單元選擇

1)Solid185：Solid185是3維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，用于模擬三維實(shí)體。該單元通過8個節(jié)點(diǎn)來定義，每個節(jié)點(diǎn)有3個沿著x、y、z方向平移的自由度，具有塑性、超彈性、應(yīng)力強(qiáng)化、蠕變和大應(yīng)變能力。

2)Prets179單元：Prets179單元被用來在已網(wǎng)格化的結(jié)構(gòu)上定義二維或三維預(yù)緊截面，預(yù)緊單元可以由任意二維或三維單元組成。該單元有一個預(yù)緊方向上的自由度，僅承受拉伸載荷，忽略彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷。

3)Inter195單元：Inter195單元是3維8節(jié)點(diǎn)線性界面單元，每個節(jié)點(diǎn)有x、y、z這3個方向的位移自由度，用于模擬墊片結(jié)構(gòu)。

4)接觸單元：螺栓與法蘭的接觸區(qū)域選用Conta174與Targe170單元形成接觸對[9]。

3.1.3 材料屬性及網(wǎng)格劃分

1)材料屬性：法蘭采用的材料為不銹鋼，牌號316。螺柱/螺母材料為不銹鋼35CrMoA。

2)網(wǎng)格劃分：采用Solid185單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，法蘭部分的網(wǎng)格單元尺寸為4 mm，螺栓/螺母的網(wǎng)格單元尺寸為3 mm，墊片的網(wǎng)格單元尺寸為2 mm，模型網(wǎng)格劃分如圖8所示。

a) 整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

b) 法蘭網(wǎng)格

c) 螺栓組網(wǎng)格

d) 墊片網(wǎng)格

3.1.4 邊界條件

在構(gòu)建模型時，為了消除管道對于法蘭的受力分析的影響，考慮加入管道長度L，故在分析法蘭結(jié)構(gòu)受力時，只約束最底端截面的位移[10]。

3.2 螺栓組載荷施加

按照本文中法蘭接頭安裝規(guī)程規(guī)定，對法蘭連接系統(tǒng)螺栓組進(jìn)行5輪擰緊過程實(shí)施預(yù)緊。施加順序、預(yù)緊輪次及每輪預(yù)緊載荷Fi占所施加目標(biāo)載荷Ft的比例和預(yù)緊力見表8。

表8 輪次與預(yù)緊力的關(guān)系

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

選取文中法蘭連接系統(tǒng)在螺栓擰緊過程中法蘭模型及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對ANSYS數(shù)值模擬過程進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)和有限元模擬所得到螺栓力Fb分布如圖9所示。

圖9 模擬結(jié)果驗(yàn)證

由試驗(yàn)及有限元模擬所得螺栓力的數(shù)據(jù)對比可知，數(shù)值模擬得到的螺栓力分布與試驗(yàn)的結(jié)果保持一致，螺栓力在星形擰緊方案下均呈“W”形分布，試驗(yàn)和數(shù)值模擬所得到的所有數(shù)據(jù)誤差均在10%以內(nèi)，因此認(rèn)為模擬結(jié)果可靠。

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 法蘭變形分析

分別選取第1輪～第5輪加載結(jié)束后的法蘭位移云圖，法蘭在螺栓擰緊過程中變形情況如圖10所示。

a) 第1輪

b) 第2輪

c) 第3輪

d) 第4輪

e) 第5輪

在螺栓擰緊過程中，法蘭位移變化較小。前三輪法蘭位移分布規(guī)律一致，在2#和6#螺栓處法蘭位移達(dá)到最大值，8#和4#螺栓處法蘭變形次之，而在剩余4根螺栓處法蘭變形基本保持一致；后兩輪由于采用了順次加載方式進(jìn)行加載，其法蘭位移分布規(guī)律發(fā)生變化，法蘭的位移變化趨于均勻，法蘭位移沿外徑圓周方向出現(xiàn)極值，且隨著加載輪次的增加，這種現(xiàn)象越來越明顯。

3.4.2 螺栓力分布

實(shí)際螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)在預(yù)緊時，螺栓組的軸向力分布對法蘭連接結(jié)構(gòu)密封性能影響明顯，螺栓組在擰緊過程中各輪次的螺栓力Fb分布如圖11所示。

圖11 預(yù)緊工況螺栓力分布

前三輪加載過程中所使用的加載方式為星形加載，由螺栓力的變化情況可得：星形加載方式獲得的螺栓力呈“W”形分布，1#、3#、5#和7#螺栓在加載完成后獲得的螺栓力低于2#、4#、6#、8#螺栓，且1#、3#、5#和7#螺栓的螺栓力大小相近，同時螺栓力均高于本輪次所施加的螺栓擰緊力，而2#、4#、6#、8#螺栓的螺栓力也接近，但螺栓力分布存在明顯的差距，且隨著加載目標(biāo)螺栓力的增大，這種差距愈加顯著；第4輪和第5輪采用的是順次加載方式，2#、4#、6#、8#螺栓的螺栓力增大，而1#、3#、5#和7#螺栓的螺栓力減小，螺栓力分布的差距得到一定的緩解，對比分析第4輪和第5輪各螺栓的螺栓力分布可知：按照螺栓力數(shù)值大小可將螺栓進(jìn)行分類，1#螺栓為第1類，2#～7#螺栓為第2類，而8#螺栓為第3類，第1類螺栓力小于第2類，第2類螺栓力小于第3類螺栓的螺栓力。

為了分析螺栓法蘭連接系統(tǒng)在預(yù)緊工況中螺栓擰緊狀態(tài)，取螺栓組擰緊過程中的第3輪～第5輪的各螺栓在加載結(jié)束后獲得螺栓力達(dá)到目標(biāo)預(yù)緊力的比例(見表9)，分析后三輪加載結(jié)束后螺栓力的數(shù)值及其分布情況。后三輪所施加的螺栓擰緊力為100%Ft。

表9 螺栓力與目標(biāo)預(yù)緊力比例

由表9可以得到，第3輪采用100%Ft進(jìn)行加載，各螺栓獲得螺栓力差別最大，其中2#的螺栓力超過目標(biāo)預(yù)緊力10%，1#和7#螺栓獲得的螺栓力最小，不到目標(biāo)預(yù)緊力的60%，隨著加載輪次的增加，螺栓力分布的離散度越來越小，各螺栓獲得的螺栓力也隨之增大，螺栓擰緊至第5輪時，除1#螺栓外，其余各螺栓的螺栓力均達(dá)到目標(biāo)預(yù)緊力的80%以上。

3.4.3 墊片受力分析

墊片的接觸應(yīng)力分布情況直接影響法蘭連接結(jié)構(gòu)的密封性能。墊片獲得的接觸應(yīng)力越大，應(yīng)力分布越均勻，則螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封性能就越好；反之，則連接結(jié)構(gòu)的密封性能受到不利影響。每輪(第1輪～第5輪)加載結(jié)束后的復(fù)合墊片應(yīng)力分布情況如圖12所示。

a) 第1輪

b) 第2輪

c) 第3輪

d) 第4輪

e) 第5輪

墊片在螺栓擰緊過程中始終保持外側(cè)高應(yīng)力狀態(tài)，墊片應(yīng)力分布可劃分為4個區(qū)域：順時針方向，0°～90°劃分為區(qū)域Ⅰ，90°～180°劃分為區(qū)域Ⅱ，180°～270°劃分為區(qū)域Ⅲ，270°～360°劃分為區(qū)域Ⅳ。

采用星形加載方式時，后擰緊的4根螺栓獲得高螺栓力，而最先擰緊的螺栓則螺栓力較低。墊片內(nèi)側(cè)，區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅳ范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力極小值，靠近90°和270°方向上，墊片出現(xiàn)了應(yīng)力極小值區(qū)域最大；而在墊片外側(cè)，相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的墊片應(yīng)力低于另外2個區(qū)域。

采用順次加載方式時，由于螺栓力變化的劇烈程度減小，螺栓力分布趨于平緩，墊片內(nèi)側(cè)，墊片應(yīng)力極小值區(qū)域和星形加載方式下應(yīng)力分布相比，應(yīng)力區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)動，角度約為90°，且應(yīng)力極小值區(qū)域擴(kuò)大；而在墊片外側(cè)，應(yīng)力極大值區(qū)域也發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，逆時針轉(zhuǎn)動90°，且墊片內(nèi)外側(cè)應(yīng)力分布的均勻程度都得到提高。

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)在螺栓擰緊過程中，法蘭發(fā)生變形較小，在前三輪擰緊過程中，法蘭變形大致分為4個區(qū)域，靠近最先擰緊的4根螺栓周邊的法蘭位移出現(xiàn)極值，并且在2#和8#螺栓位置出現(xiàn)位移最值。最后2輪采用順次加載方式后，法蘭的位移沿圓周方向分布趨于均勻。

2)采用星形加載方式擰緊螺栓時，螺栓力分布呈“W”形，最先擰緊的4根螺栓獲得的螺栓力要高于后擰緊的4根螺栓，甚至超過了目標(biāo)螺栓力，螺栓力分布離散程度大，而采用順次加載方式時，除最后擰緊的螺栓外，所有螺栓的螺栓力均低于目標(biāo)螺栓力，但螺栓力分布的離散度比采用星形加載時要低，螺栓力分布較均勻。

3)在螺栓擰緊過程中，墊片沿半徑方向始終保持內(nèi)側(cè)低應(yīng)力而外側(cè)高應(yīng)力狀態(tài)，墊片應(yīng)力沿周向的分布規(guī)律與螺栓力分布規(guī)律一致，星形加載時，墊片應(yīng)力分布可劃分為高應(yīng)力區(qū)域和低應(yīng)力區(qū)域相間的4個區(qū)域，而隨著順次加載方式的實(shí)施，沿周向的墊片應(yīng)力分布趨于均勻分布。

4)通過本文有限元驗(yàn)證分析，采用本文中的傳統(tǒng)加載模式實(shí)施法蘭接頭的安裝，可以使法蘭的位移沿圓周方向分布均勻，螺栓力分布均勻，以及沿周向的墊片應(yīng)力分布均勻，法蘭接頭的密封效果得以提升。

5)通過對螺栓法蘭接頭緊固安裝方法研究，分析研究不同緊固安裝方式的適用性，避免因緊固安裝質(zhì)量不當(dāng)導(dǎo)致的螺栓法蘭接頭泄漏事故，降低了螺栓法蘭連接失效的風(fēng)險。