基于Workbench的法蘭接頭緊密性分析

王 文,李春雪,趙文虎

(新疆工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,新疆 烏魯木齊 830000)

法蘭系統(tǒng)在工程方面的應(yīng)用十分廣泛,尤其是石化領(lǐng)域。法蘭在工作中發(fā)生泄漏將會造成很大的損失[1],例如,2010年蘭州石化316#罐區(qū)泄漏,最后發(fā)生爆炸,造成6人死亡6人受傷,并造成重大的經(jīng)濟損失,因此法蘭泄漏的危害是巨大的。法蘭發(fā)生泄漏的原因一般有以下幾種:法蘭盤強度失效、螺栓螺母強度失效、墊片骨架強度失效和墊片壓緊力不足。通過檢測工作狀態(tài)下的法蘭盤、螺栓螺母和墊片骨架是否發(fā)生強度失效和墊片壓緊力與墊片比壓的關(guān)系是一個很好的防止法蘭發(fā)生泄漏的手段。但是在工作狀態(tài)下對法蘭相關(guān)部件的檢測是比較復(fù)雜費時費力的,且對測量儀器的質(zhì)量和精度都要求較高,儀器價格昂貴。除了對法蘭各部件檢測的方法以外,運用有限元仿真軟件對法蘭各部件進行模擬分析可以達到同等的效果,且省時省力,經(jīng)濟成本也相對較低[2]。本文應(yīng)用有限元仿真軟件對法蘭各部件進行分析,判斷法蘭系統(tǒng)在預(yù)緊工況和操作工況下是否滿足工作要求[3]。

1 法蘭系統(tǒng)的尺寸及材料性能

本次以DN100、PN100法蘭為研究對象,法蘭的幾何尺寸見標準HG-T 20592,墊片為對應(yīng)的石墨波齒復(fù)合墊片,其尺寸標準見HG/T 20610。法蘭系統(tǒng)中,上下法蘭圓盤以及墊片骨架為304鋼,螺栓螺母均為35CrMo,常溫下法蘭系統(tǒng)各部件性能參數(shù)見表1。

表1 法蘭系統(tǒng)各部件性能參數(shù)

2 法蘭系統(tǒng)有限元分析

2.1 三維模型建立

2.2 網(wǎng)格劃分

由于法蘭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和受力具有周期對稱性,為了方便計算,做有限元分析時只需截取法蘭的1/8進行分析即可[5]。截取法蘭系統(tǒng)的1/8部分進行網(wǎng)格劃分時,上下法蘭盤及連接的管網(wǎng)格尺寸設(shè)為2.5 mm,墊片網(wǎng)格尺寸設(shè)為1 mm,螺栓螺母網(wǎng)格尺寸設(shè)為1.5 mm。法蘭系統(tǒng)1/8模型、螺栓、螺母和墊片網(wǎng)格如圖1所示。

a)1/8模型 b)螺栓、螺母 c)墊片圖1 法蘭系統(tǒng)1/8模型網(wǎng)格

2.3 預(yù)緊載荷和邊界條件的設(shè)置

本次螺栓的預(yù)緊力取0.5倍螺栓的屈服應(yīng)力與螺栓橫截面積的乘積值,螺栓的屈服應(yīng)力由拉伸試驗進行測量,本拉伸試驗所使用的儀器為RPL50型蠕變疲勞試驗機,由試驗測得35CrMo的M27螺栓在常溫下的屈服應(yīng)力為735 MPa,故通過計算本次螺栓預(yù)緊力為135.1 kN。將上文中法蘭各部件的材料參數(shù)輸入到仿真軟件Workbench中。

分析過程設(shè)置兩步[6],分別為預(yù)緊工況和操作工況,每種工況都設(shè)置時長為2 s。第1步為預(yù)緊工況的設(shè)置,設(shè)置螺栓的預(yù)緊力;第2步為操作工況的設(shè)置,給法蘭施加1 MPa的內(nèi)壓和相應(yīng)的軸向拉應(yīng)力,鎖住預(yù)緊力。第1、2步邊界條件如圖2所示。軸向拉應(yīng)力的值與內(nèi)壓相關(guān)[7],其計算式如下

a)第1步邊界條件

b)第2步邊界條件圖2 第1、2步邊界條件

(1)

3 法蘭系統(tǒng)的緊密性分析

3.1 法蘭強度分析

法蘭系統(tǒng)在預(yù)緊工況和操作工況的等效應(yīng)力云圖如圖3所示,預(yù)緊工況的最大等效應(yīng)力比操作工況的最大等效應(yīng)力小1.63 MPa,預(yù)緊工況的最大等效應(yīng)力為716.87 MPa。由于不連續(xù)位置屬于危險位置,故應(yīng)分析不連續(xù)位置的應(yīng)力情況。對法蘭不連續(xù)位置作出4條路徑:路徑1～路徑4,示意圖如圖4所示。路徑1～路徑4在兩種工況下的強度分析結(jié)果見表2,表2中判斷依據(jù)指的是一次薄膜應(yīng)力應(yīng)小于1.5倍的許用應(yīng)力Sm,一次加二次應(yīng)力應(yīng)小于3倍的許用應(yīng)力Sm[8]。法蘭部件材料為304鋼,由GB 150查得,該材料在常溫下許用應(yīng)力為205.5 MPa。可判斷出4條路徑均合格,法蘭危險位置強度符合要求。

a)預(yù)緊工況

b)操作工況圖3 法蘭系統(tǒng)兩種工況下的應(yīng)力云圖

a)路徑1～路徑3

b)路徑4圖4 法蘭系統(tǒng)危險截面路徑示意圖

表2 路徑1～路徑4在兩種工況下的強度分析結(jié)果

3.2 螺栓強度分析

螺栓螺母兩種工況下的等效應(yīng)力云圖如圖5所示,預(yù)緊工況最大等效應(yīng)力為716.87 MPa,操作工況最大等效應(yīng)力為718.5 MPa。由應(yīng)力云圖可以看出,螺栓應(yīng)力在兩種工況下沿著螺栓中截面呈上下對稱分布狀,兩種工況的最大應(yīng)力均位于螺栓與螺母接觸且離中截面最近位置處。為了對螺栓螺母應(yīng)力最大位置進行強度分析,在該位置做一條路徑5,路徑5示意圖如圖6所示。路徑5在兩種工況下的一次薄膜應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見表3,螺母為35Crmo,由GB 150查得其常溫下許用應(yīng)力為228 MPa。結(jié)果表明,螺栓應(yīng)力最大位置滿足強度要求。

a)預(yù)緊工況

b)操作工況圖5 螺栓螺母兩種工況下的應(yīng)力云圖

圖6 路徑5示意圖

表3 路徑5在兩種工況下的強度分析結(jié)果

3.3 墊片密封性能分析

墊片在兩種工況下的壓應(yīng)力云圖如圖7所示,由圖7可知,墊片在預(yù)緊工況和操作工況下的最大壓應(yīng)力分別為411.7和410.1 MPa;由于墊片材料的抗壓強度大于500 MPa,故墊片不會被壓環(huán),墊片強度符合要求。法蘭的密封性主要取決于墊片[9],此次仿真的墊片為石墨金屬波齒墊片,通過查閱GB 150可知,該墊片的比壓y為50 MPa,墊片系數(shù)m為3。法蘭密封性良好的判別條件是墊片的最大壓應(yīng)力大于墊片的密封比壓[10],由于預(yù)緊工況和操作工況下墊片的最大壓應(yīng)力均大于墊片的密封比壓,故法蘭系統(tǒng)的密封性良好。

a)預(yù)緊工況

b)操作工況圖7 墊片在兩種工況下壓應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

在實際工況下法蘭的緊密性還受到工況的溫度、濕度、法蘭接頭內(nèi)介質(zhì)物理化學性質(zhì)的影響。在不考慮上述因素下,當法蘭接頭螺栓的預(yù)緊力為135.1 kN時,可以得出如下結(jié)論。

1)法蘭系統(tǒng)預(yù)緊工況和操作工況最大等效應(yīng)力分別為716.87和718.5 MPa,法蘭盤的危險位置強度校核合格。

2)螺栓螺母預(yù)緊工況和操作工況最大等效應(yīng)力分別為716.87和718.5 MPa,對應(yīng)力最大位置進行路徑分析,結(jié)果表明螺栓螺母強度符合工況要求。

3)墊片預(yù)緊工況和操作工況最大壓應(yīng)力分別為411.7和410.1 MPa,墊片不會被壓壞,且最大壓應(yīng)力大于密封比壓,密封性良好。