基于有限元的高压法兰密封性能研究

林国军

（西南油气田分公司重庆天然气净化总厂忠县分厂，重庆 404300）

基于有限元的高压法兰密封性能研究

林国军

（西南油气田分公司重庆天然气净化总厂忠县分厂，重庆 404300）

利用ANSYS软件建立了高压法兰接头的有限元模型，对影响法兰接头连接性能的因素进行了研究。重点分析了摩擦系数、螺栓预紧力、螺栓预紧力不均匀对高压法兰密封性能的影响。结果表明，随着摩擦系数增加，高压法兰的密封性能先减弱后增强，在f=0.2时金属垫环的接触应力最小，密封性能最差。螺栓预紧力越大，高压法兰的密封性能越好；预紧力大于80kN时，金属垫环将发生塑性变形。不同的螺栓预紧力不均匀的方式，对高压法兰密封的影响程度不同。

法兰；预紧力；金属密封；ANSYS

法兰接头是由法兰、垫片和螺栓连接件构成的独立组件，其作用是将容器或管道的各承载体组合在一起，抵抗内部载荷的作用，并保证连接部位的密封性［1］。该连接方式主要用于压力高于10MPa的管道或设备，广泛应用于石油天然气工业、核电、航空航天等高风险性领域。一旦连接失效，轻则造成财产损失，重则导致人员伤亡、环境污染等事故［2］。因此，法兰接头除了满足基本的结构强度外还应具有良好的密封性能［3］。

金属八角垫密封属于金属密封的一种，通常被应用于油气输送管、压力容器等系统。其密封机理是：在螺栓预紧力作用下，金属垫圈被法兰挤压并发生弹塑性变形，与法兰面形成初始密封。工作过程中由于高压流体的作用，法兰受到与预紧力方向相反的工作压力，致使金属垫圈与法兰间接触应力减小。如果法兰密封面上接触应力大于介质压力，就能实现良好密封；否则，将导致连接失效，介质泄漏。

法兰接头由多个零件组成，因此考察其密封性能时，必须将连接结构作为一个整体综合考虑［4］。传统的理论解析法对结构做了大量简化，忽略了面接触等非线性因素的影响，计算结果误差较大［5］。本文采用有限元软件建立了用于高压气田地面输送管道的法兰接头有限元模型，分析了螺栓预紧与工作情况下接头的应力应变特征，着重研究了摩擦系数、螺栓预紧情况对接头密封性能的影响。

1　法兰接头模型建立

本文采用API 6A标准法兰，规格型号为6BX69MPa（10000psi），尺寸41/16〃，与之配合的八角垫环型号为BX155，双头螺柱为M30，个数8个，建立的法兰接头三维模型如图1所示。

图1　法兰接头三维模型

采用ANSYS有限元软件对所建立的模型进行数值分析。法兰、螺栓以及垫圈所对应的材料及力学性能参数如表1所示。同时，为了提高计算精度，对模型进行六面体网格划分，所得有限元模型如图2所示。首先，在模型对称面上施加对称约束，为避免计算过程中出现刚体位移，在法兰上端面施加固定约束，法兰与垫圈接触添加摩擦接触约束，螺栓上施加预紧力载荷。

表1　零件力学性能参数

图2　法兰接头有限元模型

2　接头应力分布特征

2.1无内压工况下

预紧力为F=10kN，摩擦系数为0.2，无内压时，计算得到法兰的应力法兰接头的应力和金属垫环的接触应力云图，如图3所示。可以看出，接头的最大应力出现在金属垫环的密封面上，法兰接头最大应力达到54.75MPa。金属垫环的密封面上，最大接触应力达到68.8MPa。且与外圈接触面相比，内圈的接触应力稍大。

a法兰接头Von-Mises应力图

图3　法兰接头应力图

2.2内压工况下

预紧力为F=10kN，摩擦系数为0.2，介质压力为30MPa时，计算得到法兰的应力法兰接头的应力和金属垫环的接触应力云图，如图3所示。此时法兰接头的最大应力达到75.22MPa，最大应力出现在法兰的接头处，这是因为法兰两端壁厚较小，加之建模时没有考虑实际连接管件对接头的约束，但是根据圣维南原理，其对密封的影响可忽略。同时，内圈接触压力仍大于外圈。与无内压情况下相比（图3），介质压力具有一定的助封作用。

3　表面粗糙度对密封影响

在仿真中不同的表面粗糙度对应不同的摩擦系数，在预紧力为F=10kN，无内压情况下分别取摩擦系数f= 0.01、0.05、0.1、0.15、0.2，所得金属垫圈Von-Mises应力与接触应力值如表2所示。可以看出，随着摩擦系数的增加，Von-Mises应力和接触应力均减小。其他摩擦系数对应的接触应力相比，摩擦系数为0.2时，接触应力变化幅度最大。故推荐使用摩擦系数为0.15。

表2　不同摩擦系数下垫环结果

4　螺栓预紧方案对密封影响

4.1预紧力对密封性影响

螺栓的预紧力的大小直接影响法兰与垫圈的接触应力大小，影响密封性能。因此，在介质压力为30MPa，摩擦系数f=0.15的情况下，分别分析了预紧力为F=10kN、20kN、40kN、60kN、80kN、100kN时，金属垫环的Von-Mises应力和垫环与法兰的接触力的情况。所得结果如表3所示。预紧力越大，垫环的Von Mises应力值越大，当预紧力F=100kN时，垫环的应力值超越了材料的屈服强度480MPa。金属垫环与法兰的接触应力也随预紧力的增大而增大，且接触应力值均大于介质压力30MPa，如果螺栓的预紧力过小，则可能导致密封面的接触应力过小，当低于介质压力时就会引起密封失效。

表3　不同预紧力下垫环计算结果

4.2预紧力不均匀对密封影响

在实际安装过程中，由于人为因素等原因，每个螺栓的预紧力不可能完全相同（未上紧的螺栓预紧力F= 1kN，其他的螺栓预紧力F=10kN），继而引起法兰与金属垫圈接触面上的接触压力分布不均匀，影响密封性能。为了方便表示，对螺栓按1-8进行编号，如图4所示。在摩擦系数f=0.25，介质压力为30MPa的情况下，研究各种预紧力不均匀的情况，计算得到在各种情况下，金属垫环Von-Mises应力和垫环与法兰的接触应力，如图5所示。

a法兰接头Von-Mises应力图

图4　法兰接头应力图

图5　螺栓编号

可以看出，当有两根螺栓未预紧时，比单根螺栓未预紧时对法兰密封性的影响要大，但同时它们之间的相对位置对金属垫环的Von-Mises应力和接触应力影响完全不同，总体趋势是：两根未上紧螺栓相对位置越远时，对于金属垫环的Von-Mises应力和接触应力影响越大；而两根未上紧螺栓相对位置越近，对于金属垫环的Von-Mises应力和接触应力影响越小，但在螺栓未上紧处的应力减小越大。

图6　5种情况下垫环Von-Mises和接触应力云图

5　结论

通过对法兰接头有限元建模以及影响密封性能因素的详细分析，可以得出以下主要结论：

①金属垫圈的内圈接触压力始终大于外圈，与无内压工况相比，介质压力具有一定的助封作用。

②随着摩擦系数的增加，接头的接触应力减小。推荐使用摩擦系数为0.15。

③应合理地选择预紧力，预紧力过大会导致接触面发生塑性变形；若过小则无法起到密封作用。

④未完全预紧螺栓的相对位置对垫环Von-Mises应力和接触应力影响程度不同。

［1］王等旺，李捷，王昭，等.爆炸容器法兰变形试验研究与数值模拟［J］.压力容器，2014（04）：25-30.

［2］廖传军，满满，王洪锐，等.径向受载型金属垫片法兰密封结构的力学特性研究［J］.压力容器，2014（03）：40-44.

［3］王和慧，卢均臣，关凯书，等.带接管组合法兰的强度和密封有限元分析［J］.压力容器，2012（02）：22-29.

［4］范淑玲.金属与金属接触型螺栓法兰接头完整性的研究［D］.上海：华东理工大学，2013.

［5］徐学真，黄建冰，孙伟明.带金属O型环法兰的密封性能有限元分析［J］.浙江工业大学学报，2014（06）：686-689.

Research on the Sealing Performance of High Pressure Flange based on Finite Element Method

Lin Guojun
（Southwest Oil and Gas Field Branch Company Chongqing Natural Gas Purification Plant Zhongxian Branch，Chongqing 404300）

The finite element model of the high pressure flange joint was established by using ANSYS software，and the factors affecting the connection performance of the flange joints were studied.The influence of friction co⁃efficient，the pre tightening force of the bolt and the uneven force of the bolt on the sealing performance of the⁃high pressure flange were analyzed.The results show that with the increase of the friction coefficient，the sealing⁃performance of the high pressure flange is weakened and then strengthened，and the contact stress is minimum and the sealing performance is the worst when f=0.2.The greater the pre tightening force of the bolt，the better sealing performance of the high pressure flange，and the plastic deformation of the metal pad ring will appear when the force is greater than 80kN.Different bolt pre tightening force is not uniform，their impact onthe high pres⁃sure flange sealing is different.

flange；pre tightening force；metal seal；ANSYS

TG455

A

1003-5168（2015）05-0029-4

2015-4-20

林国军（1986—），男，本科，工程师，研究方向：天然气净化厂设备（容器、管道、转动设备等）检维修。