高温法兰接头的稳态热分析与密封性能研究

郑小涛，黄 苏，喻九阳，马琳伟，林 纬，徐建民

武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205

高温法兰接头的稳态热分析与密封性能研究

郑小涛，黄 苏，喻九阳，马琳伟，林 纬，徐建民

武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205

为研究高温条件下法兰接头的保温处理的问题，利用ANSYS Workbench对WN100-100RF螺栓法兰接头在400℃条件下的温度场、法兰应力等进行了模拟.结果表明，未保温接头的最高与最低温度分别为400℃与257.16℃；保温接头的最高与最低温度分别为400℃与390.1℃；未保温接头与保温接头的最高温度均出现在法兰与接管的内壁，最低温度均出现在螺母的外侧；保温后接头的节能效率可达到94.97%.此外，未保温接头与保温接头的最大应力分别为294.25 MPa与297.85 MPa；未保温接头与保温接头的最大垫片压应力分别为103.44 MPa与110.42 MPa.因此，在本文设定的条件下保温措施对法兰接头密封性影响较小.

高温；法兰接头；温度场；应力；密封；节能；ANSYS Workbench

在高温条件下，螺栓法兰接头一般直接裸露在空气中.这是由于保温后螺栓法兰各部件温度升高，螺栓法兰接头温度越高各部件发生蠕变变形的概率越大及由温差产生的热应力越大［1］；且保温后一旦接头发生泄漏，泄露介质会在保温层聚集，不易被发现，容易发生安全事故.但近年来，随着节能成为生产的一大原则，人们开始对高温接头进行保温处理，以达到节能的目的［2］.因此基于安全、经济、高效的设计生产理念就需要对高温螺栓法兰连接接头温度场分布、节能效果、保温后螺栓法兰接头密封以及法兰应力等进行研究［3］.采用稳态热分析的方法对高温条件下的法兰密封开展数值模拟研究能较大程度的反应真实情况，也能满足一定的工程精度要求［4-8］.

以在400℃条件下的WN100-100RF螺栓法兰接头为对象，利用Workbench的稳态热分析与热-结构耦合分析模块，对是否有保温措施两种情况下法兰接头的温度场分布及密封性能进行了研究，并研究了保温处理对接头温度场分布的影响及保温后的节能效率.

1 有限元模型

1.1 接头的基本参数

文中所用的WN100-100RF法兰接头的结构尺寸参数如图1所示.选用内、外径分别为D1=115 mm，D2=174 mm的柔性石墨金属波齿垫片.

图1 法兰尺寸（单位：mm）Fig.1 Flange dimensions（unit：mm）

上、下法兰及垫片金属骨架的材料为0Cr18Ni9；系统中8个M27螺柱和与螺柱匹配的螺母材料均为35CrMo；保温处理指在接头表面覆盖厚度为50 mm的石棉保温层.各材料具体的热物理性能如表1～表3所示［9-10］.

1.2 法兰接头的有限元模型

为真实反应接头的温度场分布情况，在热分析中考虑了螺栓孔空气层与法兰间空气层，并用当量导热系数来代替空气层与金属壁面的对流换热、热辐射以及空气层的导热［11-12］.建立有限元模型时，将螺栓孔与双头螺柱间的空气层、上下法兰与垫片之间空气层建立为实体模型.各空气层计算其当量导热系数，具体数值如表4～表5所示［13］.

表1 法兰及垫片金属骨架（0Cr18Ni9）材料的物理性能Tab.1 Physical properties of flange and gasket metal（0Cr18Ni9）

表2 双头螺柱及螺母（35CrMo）材料的物理性能Tab.2 Physical properties of double headed studs and nuts（35CrMo）

表3 保温（石棉）材料的热物理性能Tab.3 Thermal physical properties of insulating materials

表4 螺栓孔空气层热物理性能Tab.4 Thermal physical properties of bolt holes

表5 法兰间空气层热物理性能Tab.5 Thermal physical properties of air layer between flanges

图2 未保温接头网格划分（单位：mm）Fig.2Mesh of uninsulated joint（unit：mm）

图3 保温接头网格划分（单位：mm）Fig.3Mesh of insulated joint（unit：mm）

1.3 载荷及边界条件

热分析过程只考虑法兰持续服役的稳态阶段，对接头进行稳态热分析.在Workbench中对接头各部件赋相应材料.法兰接头内壁温度取400℃；未保温处理时法兰的外壁面与空气进行对流换热，考虑接头的辐射及对流换热将换热系数设为32 W∕（m2·℃）；保温处理后，由于石棉保温层的保温作用，将对流换热系数设为15 W∕（m2·℃）；螺栓与螺母、螺母与法兰面之间接触良好，相互之间的传热效果良好，热阻较小［14］.针对整个模型来看，未做特殊设定的表面均视为完全绝热.

热分析完成后，需对模型的结构分析设置边界条件及载荷.针对该模型，在法兰的下端面施加轴向约束，以限制其在轴向上的位移；在法兰的周期对称面上施加Frictionless Support模拟对称约束.载荷的加载过程分为三步，第一步施加螺栓预紧力，结合 GB150—2011［15］螺栓预紧力的计算方法对螺栓预紧力进行计算，得到每根螺栓预紧力的大小圆整后为25 kN，并在第二、三步将预紧力锁定；第二步施加内压及由内压引起的轴向力，在法兰内壁施加1.35 MPa的内压，同时在自由端施加由内压引起的轴向拉力2 772.11 N；第三步将热分析的结果以温度载荷的形式加载到法兰模型.至此，热-结构耦合分析载荷及边界条件设置完毕.

2 模拟结果分析

为方便分析，对接头各部位设置如图4所示路径.路径1为法兰径向；路径2为法兰轴向；路径3、4分别为螺栓内、外侧轴向；路径5为螺栓径向；路径6为垫片径向.

图4 法兰接头各部件路径Fig.4 Paths of flange joints

2.1 温度场结果分析

未保温接头与保温接头整体稳态温度场分布分别如图5和图6所示.

由图5、图6可知上下法兰、上下螺母温度场呈对称分布；沿半径方向由内到外逐渐降低.两种情况下接头的最高温度均出现在法兰内壁为400℃.未保温接头（除空气层）最低温度在上下螺母的外侧；保温后接头（除保温层）温度升高，且温度梯度减小；保温后螺栓整体温度上升约120℃.

为便于分析，把职前教师解决数据分析问题中出现的认知错误类型分成两类：本原性错误和非本原性错误．前者主要包括数学概念理解错误和数学推理错误，而后者主要指计算错误、表征错误等不涉及数据分析本质属性的错误．从3个问题的答题情况看，存在认知错误的答卷占比46.67%，其中86.36%的认知错误属于本原性认知错误，以问题1为例，具体分析见表4．

图5 未保温接头温度（单位：℃）Fig.5Temperature of uninsulated joint（unit：℃）

图6 保温接头温度（单位：℃）Fig.6Temperature of insulated joint（unit：℃）

未保温接头与做保温接头各路径温度对比如图7和图8所示.由图7可知，未保温接头温差相对较大，最低为257.16℃；保温接头整体温度趋于一致，最低为390.1℃；两种情况下最低温均出现在上、下螺母外侧.

图7 法兰沿各路径温度对比Fig.7 Temperature comparison of flange along each path

图8 法兰沿路径3与路径4温度对比Fig.8 Temperature comparison of flange along path 3 and 4

利用ANSYS Workbench中的Probe功能提取两种情况下接头部位的热损失率分别为：未保温接头的散热功率P1=336.75 W，保温接头的散热功率P2=16.941 W；保温后接头的节能效率为：

2.2 法兰应力分析

螺栓法兰连接系统在上述载荷及边界条件下的应力分布特征如图9和图10所示.

图9 未保温接头应力场（单位：MPa）Fig.9Stress field of uninsulated joint（unit：MPa）

图10 保温接头应力场（单位：MPa）Fig.10Stress field of insulated joint（unit：MPa）

比较图9、图10可知，未保温接头与保温接头应力云图分布较一致，接头整体应力变化不大；未保温接头与保温接头最大应力分别为294.25 MPa与297.85 MPa，保温前后最大应力均出现在螺母与法兰的接触面，这是由几何结构不连续导致的应力集中，在实际的使用过程中会做相应的过渡处理加以避免.

为方便对比，提取路径3～6的应力结果进行线性化，对比结果如图11和图12所示.

图11 法兰沿路径3与路径4应力对比Fig.11 Stress comparison of flange along path 3 and 4

图12 法兰沿路径5与路径6应力对比Fig.12 Stress comparison of flange along path 5 and 6

由图11可知同状态下路径3较路径4（即螺栓内侧较外侧）应力高120 MPa；保温后路径3、4线性化后的应力水平较保温前有所降低；保温后螺栓内外侧中段位置应力降低约27 MPa，这是由于保温后螺栓温度梯度减小使结构热应力减小.由图12可知保温后路径5、6线性化后的应力水平较保温前变化不大，但路径6（垫片径向）上应力最大位置向外侧移动，这是由保温后垫片温度升高，垫片沿径向向外膨胀所致.

2.3 垫片密封评定

垫片在密封时需具有一定的密封比压，且压力需在垫片金属骨架的许用应力范围内.未保温与保温两种工况条件下垫片的压应力云图如图13和图14所示.

图13 未保温接头垫片压应力（单位：MPa）Fig.13Gasket compressive stress of uninsulated joint（unit：MPa）

图14 保温接头垫片压应力（单位：MPa）Fig.14Gasket compressive stress of insulated joint（unit：MPa）

由图13和图14可知，未保温接头与保温接头中垫片的应力场分布情况一致，但保温接头中垫片的压应力较保温处理之前高2.593 MPa.这是由于保温处理后接头温度较保温之前高，接头各部件的热膨胀增加，导致垫片所受到的压力增大.提取垫片径向上的应力，其应力分布情况如图15所示.

由图15可知，在保温前后垫片压应力的分布情况一致，但未保温接头中垫片的最大压应力为103.44 MPa，保温接头中垫片的最大压应力为110.42 MPa，保温接头中垫片的压应力较未保温接头中高6.98 MPa，且均小于垫片骨架材料相应的许用挤压应力197.5)MPa，垫片未被压溃；垫片的压应力大于满足垫片密封要求的最小垫片压紧应力50 MPa，因此保温前后垫片满足密封条件.

图15 垫片沿路径6压应力对比Fig.15 Compressive stress of gasket along path 6

由图15可知最大压应力出现的位置为法兰凸台外沿与垫片的接触处，压应力的突变是由模型中凸台外沿的结构突变造成，在实际的生产使用过程中法兰凸台外沿会做相应的过渡处理.

3 结 语

1）未保温接头与保温接头的温度场分布规律较一致.保温后接头温度升高显著，温度梯度减小.保温前后最高温均为400℃，出现在法兰及接管的内壁；保温前后最低温分别为257.16℃和390.1℃，最低温均出现在上、下螺母外侧.

2）未保温接头与保温接头的散热功率分别为336.75 W及16.941 W，保温处理后接头的节能效率可达94.97%.

3）未保温接头与保温接头的应力分布较一致，接头整体应力变化不大；保温前后最大应力分别为294.25 MPa与297.85 MPa.

4）针对该接头模型及载荷条件保温处理后法兰的强度以及垫片的密封性能均满足要求，即保温处理对法兰的密封性能及法兰应力影响不大.

5）由于上述模拟条件为稳态条件，因此升、降温过程对接头密封性能的影响有待进一步研究.

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本文编辑：陈小平

Steady State Thermal Analysis and Sealing Performance of Flange Joint at High Temperature

ZHENG Xiaotao，HUANG Su，YU Jiuyang，MA Linwei，LINWei，XU Jianmin
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

To study the thermal insulation of bolted flange joints at high temperature，the temperature field and flange stress of WN100-100RF bolted flange joint were simulated by ANSYS Workbench at 400℃.Results show that the highest and lowest temperature of the uninsulated joint are 400℃ and 257.16℃，respectively，while they are 400℃ and 390.1℃ for the insulated joint correspondingly.Moreover，the highest temperatures of the uninsulated and insulated joints appear at the inner wall of the flange and the pipe，and the lowest temperatures of them appear at the outside of nuts.The thermal energy efficiency of the insulated joint can reach 94.97%.Additionally，the maximum stresses of the uninsulated and insulated joints are 294.25 MPa and 297.85 MPa respectively，and the maximum gasket compressive stresses of the uninsulated and insulated joint are 103.44 MPa and 110.42 MPa.Therefore，the thermal insulation treatment has little effect on the sealing behavior of bolted flange joints under the given conditions.

high temperature；flange joints；temperature field distribution；stress；sealing；energy saving；ANSYS Workbench

O625.6

A

10.3969∕j.issn.1674⁃2869.2017.04.013

2016-12-21

湖北省教育厅科学研究项目（D20161508）

郑小涛，博士，副教授.E-mail：xiaotaozheng@163.com

郑小涛，黄苏，喻九阳，等.高温法兰接头的稳态热分析与密封性能研究［J］.武汉工程大学学报，2017，39（4）：387-393.

ZHENG X T，HUANG S，YU J Y，et al.Steady state thermal analysis and sealing performance of flange joint at high temperature［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（4）：387-393.

1674-2869（2017）04-0387-06