超临界水氧化反应器螺栓法兰连接件的有限元分析❋

郜 俊，单玉海，张建民，崔景东，张永锋

（1.内蒙古纳顺装备工程 （集团）有限公司，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学 煤炭转化与循环经济研究所，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

超临界水氧化反应器是处理高浓度难降解有机废水的氧化反应装置［1］，在超临界水氧化的环境下，反应器要承受高温高压等苛刻条件。反应器在运行时，螺栓法兰连接件的受力和变形情况直接影响着反应器的密封优劣和运行安全的好坏［2－5］，因此，对螺栓法兰连接件在预紧时和操作时的受力和变形情况进行计算分析，对于反应器的安全可靠运行十分必要［6］。本文在对螺栓法兰连接件进行变形协调分析的基础上，利用ANSYS软件对反应器的螺栓法兰连接件进行了整体和各个部件的有限元分析，从而在理论上保证了反应器的密闭性和安全性。

1 螺栓法兰连接件模型的建立

1.1 模型的结构

螺栓法兰端盖连接为圆周对称结构，选择单个螺栓的法兰连接结构，并建立整体的1/8模型。螺栓法兰接头主要包括螺柱、上平盖、法兰环、上螺母、下螺母、内筒固定板、垫片，其实体模型和有限元模型分别如图1和图2所示。

1.2 边界条件和载荷

在所建模型中，施加模型两截面法向对称约束；法兰环端面施加径向、环向和轴向的约束；上端盖施加轴向约束。

螺栓预紧力W（N）为：

其中：DG为操作时垫片的压缩量，mm，DG＝39mm；m为螺栓质量，kg，m＝1.1kg；b为螺栓长度，mm，b＝89mm；pc为螺栓所受最大压强，MPa，pc＝35MPa；ΔF为系数，ΔF＝1.17。将数值代入式（1），计算得W＝872 090N。则每个螺栓的预紧力为：870 290÷8＝108 000N，这里取一个螺栓的预紧力为108 000N。

图1 螺栓法兰接头实体模型

图2 螺栓法兰接头 三维有限元模型

2 螺栓法兰连接件的变形协调方程

螺栓法兰端盖垫片连接整体是一个静不定系统。在反应器操作状态下，由于反应器内介质的压力和温度的共同作用，使得法兰的弯矩、螺栓载荷、垫片所受压应力与预紧时比较均发生改变，相应地法兰轴向位移、螺栓伸长量和垫片变形量也发生变化，这些改变量是互相紧密联系的并且符合连接系统的变形协调条件。

连接系统的变形协调条件为：

其中：DK为预紧时垫片的压缩量，m；DP为法兰受力时直径，m；DFM1为预紧时螺栓孔中心圆处的法兰位移，m；DFM2为操作时螺栓孔中心圆处的法兰位移，m；DFP为周向应力引起的法兰位移，m；DFt为工作温度下法兰压缩量，m；lB1为预紧时螺栓长度，m；lB2为操作时螺栓长度，m。

将螺栓、垫片、法兰在操作和预紧工况下的变形量代入式（2），便可以得到连接系统的变形协调方程：

其中：BR为螺栓中心到外圆距离，m；CR为法兰中心到外圆距离，m；T为试验温度，℃；W1为预紧时的螺栓载荷，N；W2为操作时的螺栓载荷，N；为操作温度螺栓的线膨胀系数，m/℃；aB为预紧温度螺栓线膨胀系数，m/℃为操作温度法兰线膨胀系数，m/℃；aF为预紧温度法兰线膨胀系数，m/℃；T1为预紧时法兰的温度，℃；T2为操作时法兰的温度，℃为操作温度法兰弹性系数；qF为预紧温度法兰弹性系数为操作温度垫片弹性系数为操作温度螺栓弹性系数；qB为预紧温度螺栓弹性系数；M1为预紧时的法兰外力矩，N·m；M2为操作时的法兰外力矩，N·m；t为螺栓厚度，m；p为计算压力，Pa；l0为法兰长度，m；tF为法兰环的厚度，m。

式（3）是一个超越方程，可用计算机求解。

3 螺栓法兰连接件的有限元分析

图3和图4分别为螺栓法兰垫片连接整体在螺栓预紧至1.1×105N时的应力分布图和整体变形图，图5和图6分别为螺栓法兰垫片连接整体在螺栓预紧至1.1×105N并施加内压压力为35MPa时的应力分布图和整体变形图。预紧时，由于无内压，所以最大应力和变形均出现在螺栓和法兰环连接处。操作时，整体最大应力为9.696 6×107Pa，变形最大为4.613 8×10－5m，均满足设计要求。

图3 预紧时整体应力分布

图4 预紧时整体变形

图5 操作时整体应力分布

图6 操作时整体变形

图7和图8分别为螺栓法兰连接件在螺栓预紧至1.1×105N后的固定板应力分布和变形图，图9和图10分别为固定板在螺栓预紧至1.1×105N后施加内压压力为35MPa时的应力分布图和整体变形图。预紧时，固定板受到挤压应力，且在凹槽处应力较大。操作时，应力应变明显增大，且挤压变形比较大。

图11和图12分别为下法兰在螺栓预紧至1.1×105N后的应力分布图和整体变形图，图13和图14分别为下法兰在螺栓预紧至1.1×105N后施加内压压力为35MPa的应力分布图和整体变形图。

图7 预紧时固定板应力分布

图8 预紧时固定板变形

图9 操作时固定板应力分布

图11 预紧时法兰应力分布

图12 预紧时法兰变形

图13 操作时法兰应力分布

图14 操作时法兰变形

图15和图16分别为上垫片在螺栓预紧至1.1×105N后的应力分布图和变形图，图17和图18分别为上垫片在螺栓预紧至1.1×105N后施加内压压力为35MPa的应力分布图和变形图。预紧时只是在螺栓预紧力的作用下，通过上端盖和内筒固定板之间的接触产生挤压力，此时上垫片最大压应力为4.1×105Pa。操作时，内压作用后，垫片受到的接触挤压力和最大应力减少，温度作用使垫片膨胀，再加上垫片回弹力，从而能够保证密封可靠。

图15 预紧时上垫片应力分布

图16 预紧时上垫片变形

图17 操作时上垫片应力分布

图18 操作时上垫片变形

4 总结

根据用ANSYS软件对法兰螺栓连接的整体分析和各个部件的分别单独分析，结果表明：法兰螺栓连接的整体应力和各个部件的最大应力和最大变形均符合设计要求。所以该反应釜的设计符合工艺要求，能够安全可靠运行；可拆卸连接的密封处，在高温高压下能够实现可靠的密封。

［1］李锋，汪海峰，朱丹.超临界水氧化技术的研究与应用进展［J］.上海电力学院学报，2002，18（1）：19-22.

［2］梁醒培，王辉.应用有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［3］高旭，曾国英.螺栓法兰连接结构有限元建模及动力学分析［J］.润滑与密封，2010（4）：15-19.

［4］李敏，汤成浪，赫超，等，螺栓法兰联接的有限元数值计算［J］.炼油与化工，2012（3）：8-11.

［5］杜鹃.螺栓法兰的三维有限元及紧密性能分析［D］.大庆：东北石油大学，2011：5-8.

［6］吴海洋，谢平，舒爱强.受拉刚性法兰计算方法研究和有限元分析［J］.电力设计，2009（10）：113-118.