高温法兰连接系统温度场的有限元分析

喻九阳，王明伍，郑小涛，程 诗

武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205

0 引 言

随着经济发展与能源供应的矛盾日益突出，炼化技术迅速发展，法兰连接系统广泛应用于各种炼化装置等高温高压工况.高温法兰泄漏是石油化工等企业发生重大事故的主要原因之一[1].炼化装置长周期安全生产的要求被不断提高，对高温法兰连接系统等薄弱环节也提出了更高的密封要求.高温法兰连接系统相对普通法兰接头而言最大的区别是高温载荷，施加温度载荷后法兰连接系统中各组件的温度分布及热流是研究高温螺栓法兰连接系统的基础.喻健良、闫兴清等[2]由实验探索了法兰连接系统各部件高温工况下的温度分布和螺栓力的变化规律.陆晓峰、沈轶[3-4]对高温法兰连接系统中各部件的失效实例进行一些分析.由于试验方法往往成本高，实施测量的难度较大，本文采用有限元分析方法，对500 ℃下螺栓法兰连接系统的温度分布进行模拟分析，给出了法兰、螺栓、垫片等部件的温度分布规律及具体的数值.此研究为高温螺栓法兰连接系统紧密性和高温结构完整性研究奠定了基础，具有重要的工程价值.

1 法兰连接系统基本参数

法兰连接系统中法兰、垫片和螺纹的零件图如图1～3所示.文中上、下法兰公称压力和公称直径分别为CLASS600和DN300.垫片为金属缠绕垫片，其公称压力和公称直径分别为CLASS600和DN300.该系统共有20个M33的等长双头螺柱，及40个与其配套的螺母.

螺栓法兰连接系统工作在500 ℃的高温环境下，各材料的性能各不相同.文中法兰连接系统中法兰的材料为15CrMo，螺栓材料为25Cr2MoVA，螺母材料为35CrMo.其具体的热物理性能如表1所示.

图1 法兰尺寸

图2 垫片尺寸

图3 螺纹尺寸

表1 法兰材料的性能

2 FEM模型

2.1 确立模型

图4 法兰连接整体模型

图5 法兰连接系统模型及网格

温度场分析采用8节点三维热单元SOLID70，该单元可模拟3维传热，8个节点中每个节点分别仅有一个方向的自由度，故可用于本法兰连接系统的稳态热分析.在对法兰连接实体模型进行网格划分时，在研究的重点区域需对网格进行合理的细化，以便于真实的模拟较大的温度梯度，非重点研究区域可以采用较为稀疏网格进行划分，在不影响最终结果的前提下简化计算.同一分析对象，六面体较四面体而言，所需单元个数少、计算量小、计算结果准确度相当，故这里选择六面体单元SOLID70.

该法兰连接系统实体模型中，螺母与螺栓接触的第一个螺纹处进行网格细化，整体均采用扫掠网格划分方法，划分较稀疏的网格.得到的网格模型如图5所示，本模型共有30 574个单元，33 277个节点.为模拟螺栓螺母与法兰之间的接触作用，必须建立接触对来模拟接触非线性影响.与SOLID70对应的接触单元为CONTA174，目标单元为TARGE170.设置接触对时，将法兰端面作为接触面、螺母下端面作为目标面，如图6所示，同时考虑螺栓、螺母的螺纹面之间也存在接触作用，并输入接触对之间的传热系数.

图6 接触对

3 热载荷及热分析边界条件

根据实际操作时的工况，该温度场分析为稳态传热.介质的温度为500 ℃，据分析，内壁面的温度略小于或等于管道法兰中介质的温度，故取内壁温度为497 ℃.在法兰外壁、螺栓、螺母等裸露在空气中的表面上施加对流传热系数，取周围空气温度为20 ℃.由于风速、风向等因素对对流换热系数的影响很大，所以取垫片的外侧及法兰不与垫片接触的表面的对流传热系数为10 W/m2· ℃，螺栓中部裸露在空气中的表面的对流传热系数为20 W/m2·℃，法兰、螺母、螺栓端部裸露在空气中的表面的对流传热系数为30 W/m2·℃[6].由于螺栓载荷较大，接触应力也较大，故设螺母与上下法兰面之间的接触传热良好，因此认为它们之间的热阻较小，取Ri=1×10-4m2·℃/W，其余表面视为满足绝热边界条件[7]，温度边界条件如图7所示.

图7 温度边界条件

4 螺栓法兰结构的温度场分析

经分析法兰连接系统的温度分布如图8所示，温度从法兰内壁面经螺栓、垫片到外壁面逐渐减低，热量由内向外传递.最大温度位于法兰内壁面处，为497 ℃；最低温度位于螺栓端部外侧，为334.952 ℃，整体温度基本呈对称分布.

(a)整体温度分布

(b)剖面温度分布

从法兰的温度分布的角度来看，基本成对称分布，如图9所示，温度由内壁面到外壁面逐渐降低，与锥颈相连的管段外表面温度约为491.143 ℃，法兰最低温度约为352 ℃，均在法兰的最外侧靠近螺栓孔处.为了解法兰体径向和周向的温度变化，沿径向和周向各取一条路径进行分析，如图9(a)所示.其中径向温度分布如图10(a)所示，温度由内表面至外表面近似呈线性变小，一直减小至365.361 ℃.周向温度分布如图10(b)所示，温度分布关于螺栓孔中心处法兰直径对称，呈现出中间低两边高的特征，这是螺栓孔内的空气层热阻远大于法兰金属材料的热阻造成的.

(a)法兰1温度云图

(b) 法兰2温度云图

(a) 径向温度变化

(b) 周向温度变化

螺栓螺母的温度分布如图11所示，从图11中可以看出，最低温度位于螺栓的上端外侧，为335.453 ℃左右.取图11中A-A为螺栓内部纵向，B-B为螺栓外部纵向，两路径温度分布结果如图12所示，螺栓的温度从两端到中间呈现为先增大后减小的规律，这是因为螺栓中部裸露在空气中，而空气对流传热系数较小.含螺纹段第1个螺纹内侧因接触良好温度最高，如图13所示,上下两端基本呈对称分布，螺栓内测温度要高于螺栓外侧温度，温差最值在路径的两端.

图11 螺栓温度

图12 螺栓内外侧的温度

图13 螺纹局部温度分布

垫片的温度场分布如图14所示，垫片温度基本是从内侧到外侧依次降低，且沿垫片径向路径的温度分布如图15所示，内部温度为设定温度497 ℃，由内至外近似呈线性减小，减小至454.524 ℃.垫片温度沿周向波动甚微，基本为定值.

图14 垫片温度分布

图15 垫片径向温度分布

空气层作为双头螺柱和法兰体之间的一种真实的存在，为真实的模拟法兰与螺栓间的热传递，建立空气环层并设置其传热系数.空气环层的温度分布如图16所示，上空气柱和下空气柱关于螺栓中面近似对称分布，且内外温差较大，为63.813 ℃.

图16 空气柱的温度分布

5 结 论

对高温螺栓法兰连接系统的稳态温度场分布的研究为高温螺栓法兰连接系统紧密性和高温结构完整性研究奠定了基础.从计算结果来看：

a.法兰径向温度由内表面至外表面近似呈线性减小至365.361 ℃；周向温度关于螺栓孔中心处法兰直径对称，呈现出中间低两边高的的特征.

b. 螺栓不含螺纹段温度沿轴向从两端到中间呈现为先增大后减小的规律，螺栓内侧温度要高于外侧，温差最大值在路径的两端；含螺纹段第1个螺纹内侧温度最高.

c.垫片径向温度近似呈线性减小，由内至外减小至454.524 ℃；温度沿周向波动甚微，基本为定值.

d.上、下两段空气层的温度以垫片中面对称分布，靠近垫片端内侧温度最高，最高温度为415.95 ℃，最低温度为352.137 ℃.

致 谢

感谢国家自然科学基金委员会、湖北省教育厅科学研究计划项目和武汉工程大学研究生教育创新基金项目的资助！

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