内压和温度对螺栓法兰接头紧密性的影响*

魏明福刘美红

(昆明理工大学机电工程学院)

垫片螺栓连接广泛应用在管道和压力容器中需要周期性拆除维护的部件上，垫片法兰系统使得拆除这些部件变得方便快捷。垫片法兰接头的失效机制有材料失效和泄漏两种，因此，其接头的设计必须预防这两种失效机制。当前，许多的研究仅仅考虑内压[1～3]，Abid M在内压、轴向和弯曲载荷下展开了广泛的实验研究，得出法兰接头的强度和泄漏失效机制[4]。当前法兰接头的设计规范中并没有考虑温度的影响，为了研究在内压和温度载荷作用下垫片法兰系统的密封性能，笔者利用ABAQUS建立了三维有限元模型，该模型充分考虑了垫片法兰的接触非线性，同时允许流体在垫片和法兰接触压力损失处发生渗透。

1 有限元模型的建立

1.1螺栓法兰连接的几何模型

法兰选用ASME/ANSI B 16.5标准中NPS4 Class150 带颈对焊法兰[5]，其材料为A105，弹性模量和泊松比分别为17.358GPa和0.3，许用应力为248.2MPa，导热系数为47W/(m·℃)，热膨胀系数为1.25×10-5。螺栓数目为8，规格为M16，材料为A197-B7，许用应力为723.9MPa，弹性模量和泊松比分别为16.822GPa和0.3，导热系数为37W/(m·℃)，热膨胀系数为1.41×10-5。垫片材料为无石棉纸金属缠绕垫片，其规格为φ106.4mm×φ157.5mm×3mm，垫片系数m为3.6，垫片材料的应力-应变关系呈非线性关系，如图1所示[6]。

图1 垫片的压缩回弹曲线

1.2有限元模型

由于螺栓法兰垫片连接系统的对称性，选取1/16结构建立有限元模型，如图2所示。热分析时螺栓、法兰、垫片选用的单元均采用C3D8T单元来模拟，该单元是一个具有8节点的三维实体热单元。当采用结构分析时，螺栓、法兰采用的是C3D8单元来模拟，垫片采用的是三维实体单元GK3D8N，该单元能很好地模拟垫片的非线性行为，并进行接触分析。采用小滑移公式来模拟螺母和法兰之间的接触。划分单元时采用手动分块划法，该模型最终的节点数为22 647，单元数量为18 822。

图2 1/16螺栓法兰垫片连接系统有限元模型

热分析时，管道、法兰和垫片的内侧受介质温度的影响，需施加对流换热系数；同样，外侧受到环境温度的影响也需要施加对流换热系数。稳态热边界条件下，不同内部温度(100～400℃)的对流换热系数为150W/(m2·℃)；外部温度为20℃时的对流换热系数为20W/(m2·℃)。

结构分析时，假设法兰上筒体端面为自由端，下端垫片中心面的轴向位移为零；垫片两侧、螺栓横截面、法兰和管道的两侧施加对称边界条件，限制其法向的转动和移动；螺栓径向和切线方向的位移被限制。

热结构分析时采用顺序耦合法，首先进行热分析，得到节点温度分布，其次进行热-结构耦合分析。加载顺序为：施加螺栓预紧力；施加内部压力p=5MPa在模型的内表面上，为了模拟由于内压而产生的轴向拉伸应力，需在管道的端面上施加一个等效的当量应力Peq=pR/s；把热分析得到的节点温度作为体载荷直接施加在应力分析中。

2 热结构耦合时垫片的应力和紧密性分析

图3为螺栓预紧力25kN，内压5MPa，内部温度分别为100、400℃时垫片的三维接触压力分布，可以看出垫片和法兰的接触面上超过3/4的垫片接触压力基本上是损失的，且随着温度的不断升高其接触压力损失带增加，环状密封带变窄。在垫片的外缘处压紧力最大，且比施加的内压和垫片保持紧密性所需的最小压力要大得多，这样就能满足法兰系统的密封要求，防止泄漏的产生，模拟对象所适用的金属缠绕垫片系数m为3.6，所以其紧密性所需的最小压力为mp=18MPa[5]。从图3中还可以看出垫片周向上的应力分布也是不均匀的，靠近螺栓侧的垫片应力要大些，这与实际情况很相符。

图3 三维垫片接触压力分布

图4为螺栓预紧力25kN，内压5MPa，内部温度分别为100、200、300、400℃时垫片的接触压力分布曲线。图4同样表明超过3/4的垫片和法兰接触面的接触压力是损失的，和三维有限元分析结果保持一致。但是随着温度的不断增加，垫片的接触压力呈下降趋势。温度为0℃时，垫片的接触压力与其保持紧密性所需的最小压力不相交，说明此时密封效果很好。当随着温度的不断增加，接触压力不断降低，与垫片保持紧密性所需的最小压力有交点，此时说明流体已经开始渗透，但是没有达到平均值，所以仍能保持密封效果。

图4 不同温度下垫片的接触压力

ASME规范中明确规定，保持垫片紧密性的最小垫片压力是mp,且比平均计算压力低，在图4中得到很好的印证。ASME垫片设计计算公式是假定垫片和法兰的接触压力在垫片中间位置开始压力渗透[5]，因为ASME垫片压力mp仅仅作用在垫片的外半面。然而计算得到的有限元结果损失比例为75%，那是因为模拟时考虑了内压和温度的影响所致，但是通过有限元分析得到垫片接触压力的最大值和平均值要比ASME规范要大，这些结果表明用ASME垫片设计公式计算得到的螺栓载荷能保持垫片法兰接头的紧密性。通过有限元计算得到最大垫片接触压力位于垫片外缘1/4部分，主要是因为允许压力渗透，一些螺栓载荷被作用在法兰接触面上的压力平衡所致。因此可以通过有限元分析的方法来研究垫片的泄漏紧密性。

3 结论

3.1垫片径向上的压紧应力是不均匀的，主要集中在靠近垫片外缘的1/4部分，垫片周向上的应力分布也是不均匀的，靠近螺栓侧的垫片应力要大些，这与实际情况很相符。

3.2在垫片的外缘1/4部分存在着较高接触压紧力的闭合环带，它对接头的紧密性有着非常关键的作用。随着温度的提高其密封闭合环带不断变窄，垫片的接触压力不断降低，而介质也不断由内向外渗透到垫片密封面中。当垫片接触压力降低到ASME规范中规定的平均接触压力时，说明介质已达垫片外侧，法兰接头发生泄漏。因此，可以通过有限元分析的方法来研究垫片的泄漏紧密性。

[1] Abid M, Nash D H. Comparative Study of the Behaviour of Conventional Gasketed and Compact Non-Gasketed Flanged Pipe Joints under Bolt up and Operating Conditions[J]. Int J Pressure Vessels Piping，2004，80(12):831～841.

[2] 杜坤, 刘美红.基于螺栓法兰连接系统的垫片应力分析[J].机械设计与制造,2013，(5):88～90.

[3] 魏明福, 刘美红，李遇贤，等.一种无石棉金属缠绕垫片压紧应力的解析算法[J]. 润滑与密封,2014,39(4):79～83.

[4] Abid M. Experimental and Analytical Studies of Conventional (Gasketed) and Unconventional (Non Gasketed) Flanged Pipe Joints(With Special Emphasis on the Engineering of ‘Joint’ and ‘Sealing’)[D]. Glasgow：University of Strathclyde，2000.

[5] ASME 1996, Boiler and Pressure Vessel Code, Section X[S]. New York: American National Standards Institution，1996.

[6] 孙岩, 刘美红，李遇贤，等. 无石棉纸金属缠绕垫片压缩回弹曲线的拟合及预测[J].机械工程材料,2013,37(4):75～77.