基于有限元方法的螺栓法兰连接密封性能分析

王立满 邵松林

（辽宁瑞兴化工集团有限公司，辽宁 辽阳 111000）

1 前言

螺栓法兰连接结构由法兰、螺栓及垫片组成，依靠螺栓预紧力把两部分设备或管道的法兰环连接在一起，同时压紧垫片，使连接处达到密封。由于操作工况下介质压力、温度以及管道产生的附加弯矩和附加轴向力等载荷作用，法兰连接头处易发生泄漏，导致密封失效[1-2]。

本文选取滁州瑞兴化工有限公司CS2反应炉出口处的连接法兰作为分析对象，分析在预紧状态下垫片的比压力分布，同时结合实际的管道布局和工作状况，计算管道在热膨胀等因素下对法兰的作用力，进而分析法兰在外力作用下的连接密封性能。

2 螺栓法兰密封机理

法兰安装时，对螺栓进行逐个预紧，法兰环的密封面通过紧固螺栓所施加的压力而紧密接触。当垫片被压紧后，垫片开始变形，随着比压的增大，垫片的变形变大，开始逐渐将垫片表面挤压到法兰密封面的波谷中去，当垫片单位面积上的压紧力达到垫片密封比压时，垫片就填满整个波谷，阻止介质从界面渗透出来，达到密封效果。在操作状态下，介质压力、温度升高，因而一方面使紧固螺栓受拉伸，导致法兰密封面和垫片相接触的压紧面产生分离趋势，垫片在预紧时所形成的压缩量减小，压紧面上的密封比压下降；另一方面，垫片在预紧时，压缩变形中的弹性变形部分随着压紧面的分离趋势必然要恢复而产生回弹作用，其压缩变形的回弹量补偿因螺栓的伸长所引起的压紧面分离。只要作用在密封面垫片上的密封比压仍能达到垫片的密封比压时，就能阻止介质从界面泄漏出来，满足密封的要求。[3-4]

3 管道作用力分析

根据实际管道布局，采用CAESAR 管道应力分析软件建模，建立模型如图1 所示。

图1 管道应力模型

结合实际运行工况，进行管道热应力分析，提取管道对法兰的作用力和作用力矩，统计如表1 所示。

表1 热应力分析结果

由表1 可见，操作工况下，管道对法兰的作用力和作用力矩最大。在进行有限元分析时，选取操作工况(OPE)下的作用力和作用力矩进行分析。

4 螺栓法兰结构建模

根据设计压力和设计温度，初步选用法兰的压力等级为Class 600。采用三维建模软件Solidworks 建立螺栓法兰连接的三维模型，导入ANSYS Workbench 平台中，进行有限元网格划分，实体模型和有限元模型如图2，3 所示。

法兰材质：2520；法兰代号：WN DN150-Class 600-RF；垫片形式：金属缠绕垫片；螺柱规格：12-M27x185。

图2 实体模型

图3 有限元模型

5 螺栓预紧力计算

根据GB 150-2011《钢制压力容器》，计算法兰预紧力如下[3][5]：（1）法兰密封面外径d=216mm；（2）D 型缠绕垫内径D2=174.8mm，缠绕垫外径D3=209.6mm，垫片宽度N=17.4mm，D3＜d；（3）查垫片系数m=3，比压力y=68MPa，管线设计压力(PC)1.45MPa；每个螺栓需要的预紧力为F=29 156N。

6 有限元分析求解

利用ANSYS Workbench 平台进行螺栓——法兰连接结构的有限元分析，必须要设定二个载荷步（Loadstep）：

（1）第一载荷步（Loadstep 1）施加螺栓预紧力：在每个螺柱处建立局部坐标系，对每个螺柱施加预紧载荷，作为结构的初始状态。

（2）第二载荷步（Loadstep 2）施加外载荷：根据管道应力分析的计算结果，施加外部作用载荷；同时，施加操作状态下的工作压力。

预紧状态下垫片的比压力分析如图4 所示。由图可见，在预紧状态下，垫片的比压力沿环向分布均匀，由外缘向内逐渐递减，外缘承受的比压力最大，为97.385MPa，大于垫片的预紧比压力68MPa，从而在垫片外缘形成一条环形的预紧密封带，可以满足密封要求。

图4 预紧状态垫片的比压力分布

图5 外力作用下垫片的比压力分布

图6 比压大于68MPa的区域分布

图7 压大于68MPa 的区域分布

工作状态，在管道外力作用下，垫片的比压力分析如图5所示。由图可见，在外力的作用下，垫片的比压力分布不再沿环向均匀，沿X 轴负半轴外缘比压力最大，为136.54MPa。对应的X 轴正半轴比压力较小。这是由于外力（矩）的作用下，垫片的X轴负半轴部分受压而正半轴部分受拉，分析结果和力的作用效果一致。图6 是垫片比压力大于68MPa 的区域分布，可以看出，X 轴正半轴部分出现了一个缺口，这表示此区域内垫片的比压力均小于68MPa，法兰的密封失效。

上述计算表明，在此种管道布置下，工作状态时由于管道对法兰的作用力，法兰无法满足密封要求，需要对法兰的选型进行修改。

本文对压力等级为Class 900 的法兰进行了重新计算，根据螺栓的屈服强度，可施加的最大预紧力为40 338N，在同样的外载荷作用下，垫片的比压力分布如图7 所示。由图可见，垫片比压大于68MPa 的区域形成一个封闭的环，表明垫片刚好形成一个封闭的环形密封带，法兰的密封有效。

7 结论

计算表明，选用Class 600 等级的法兰，在预紧状态及只受内压时，垫片的比压力大于最小密封比压，可以满足密封要求。但是在实际工况下，由于管道热膨胀及管道压力等外力的作用，Class 600 等级的法兰垫片的比压小于最小密封比压，法兰密封失效。改用Class 900 等级的法兰，可以满足密封要求。

利用ANSYS Workbench 平台进行螺栓预紧力模拟时，需要设定为二个载荷步（Loadstep），在第一载荷步（Loadstep 1）中施加螺栓预紧力，并作为结构的初始状态，在第二载荷步（Loadstep 2）中施加外力的作用。利用Workbench 平台可以对螺栓法兰连接结构的密封系能进行模拟分析，对工程实际具有一定的指导意义。

[1]宋兆哲.静密封过程中垫片的密封机理及失效分析[D].昆明理工大学，2011.

[2]杜鹃.螺栓法兰的三维有限元及紧密性能分析[D].东北石油大学，2011，3.

[3]沈跃辉.HU871 熔体热媒热交换器封头法兰密封的失效分析及处理[J].金山油化纤，2003，3.

[4]陆秉权，王海龙，周小飞.应用有限元技术计算螺栓联接的方法研究[J].黑龙江电力，2004，4.

[5]GB150-2011 压力容器，中华人民共和国国家标准[S].