新型高压自紧式法兰的有限元分析与安全校核

范晓明，袁德裕，卢晓斌，汤美成

(1.武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070；2.高安市璐克斯机械有限公司，江西 高安 330800)

管道输送流体物料在石油、化工和机械等领域应用广泛[1]。但是，管道连接处往往是最薄弱的环节，特别是运送高压、高温流体的管道更易发生泄漏[2]。法兰连接是一种常见的管道连接方式。传统法兰依靠螺纹连接紧固结构，法兰受到较大的弯矩作用，工作时管内流体的内压会造成密封线沿管道轴线松弛，这将导致法兰与垫片之间的密封性降低[3-6]。目前，欧美发达国家的高压管道主要采用Grayloc、Vector等高压自紧式法兰。该类法兰密封设计合理，整体强度大，在高压管道中能提高密封性能，实现自紧密封，增强了管道运输的安全性和稳定性[7]。国内的高压管道连接普遍使用传统法兰，重点工程基本依靠进口，成本高，安装、维护也不方便。

针对国内高压自紧式法兰的研发现状，笔者通过结构改进设计了一种新型的高压自紧式法兰。由于在不同工作条件下，管道中流体的压力、温度对其正常使用及材料选择具有重要影响。ANSYS有限元分析技术具有较先进的接触分析功能[8]。因此拟采用ANSYS Workbench对Pro/E建立的规格2″的实体三维模型进行研究，分析其在不同流体压力和工作温度下的应力状态和密封性能，探讨其合理安全使用的工作压力和温度范围，以为实际应用提供理论参考依据。

1 改进型机械自紧式法兰的基本组成

新型高压自紧式法兰(规格2″)的管道连接系统由金属垫圈、套节、卡套和螺栓、螺母组成，具体如图1所示。其中3为带凸缘10的金属密封圈，8、9为带有凹槽(对应凸缘10)的套节，套节与管道焊接连接。金属密封圈、套节与流体物料直接接触，属于系统中的重要部件，拥有与管道同等级的安全评定要求。

图1 新型高压自紧式法兰

2 设置参数

2.1 自紧式法兰各部件材料参数

金属密封圈、套节的材料为42CrMo，卡套、螺栓螺母的材料为45#钢，其性能在≤200 ℃时变化不大，两种材料的详细物性参数如表1所示。金属密封圈和套节拥有管道同等级的安全评定要求，按照GB150.2-2011《压力容器第2部分：材料》的标准[9]，其值为400MPa。卡套、螺栓、螺母是紧固件，要求在使用时不发生屈服，应力值低于45#钢的屈服强度。

表1 材料的物性参数

金属密封圈采用唇部密封，密封面在外载荷的作用下发生弹性变形，要保证密封圈的密封性能，密封面上部分区域的应力要高于该压力下的密封比压。密封比压可由式(1)计算[10]。

(1)

式中：y为密封比压；P为内压力；bM为密封面宽度。

2.2 载荷

设定规格2″高压自紧式法兰连接装置在温度20 ℃、21 MPa的高压环境下工作，螺栓预紧力取12 000 N。根据GB150-2011《压力容器》的标准，自紧式法兰的最高工作压力为60 MPa。因此，首先设定流体压力为21 MPa、30 MPa、45 MPa和60 MPa，分别模拟分析连接装置的应力状态；然后固定工作压力为21 MPa，研究工作温度为30 ℃、60 ℃、90 ℃、120 ℃和150 ℃时装置各部件的应力状态；最后，根据管道内不同的流体压力和工作温度下各部件的应力状态和性能要求，评定装置主要部件的使用安全性。

3 模拟结果及分析

3.1 不同工作压力下自紧式法兰的应力状态

在螺栓预紧力为12 000 N、温度20 ℃的条件下，不同流体压力下自紧式法兰的最大应力值及主要零件的应力状态结果如表2所示。从表2可以看出，当流体压力由21 MPa增大到60 MPa时，整体最大应力逐步增大。卡套最大应力有所降低，密封圈最大应力有所增加，但是变化的幅度不大。而套节的最大应力增加较大，由192 MPa增大为443 MPa。随着流体压力的增加，密封圈唇部应力、凸缘接触处应力、密封比压均是逐步增加。在流体压力分别为21 MPa和60 MPa时，自紧式法兰的整体应力分布如图2所示，可以看出，在不同的流体压力下，卡套上最大应力变化不大，法兰上的应力分布却有所不同。当流体压力为21 MPa时，法兰的最大应力出现在卡套对称面凹部处(见图2(a))。当流体压力为60 MPa时，法兰的最大应力出现在套节与管道的焊接处(见图2(b))。虽然套节焊接处壁厚最薄，但在流体压力较低时，其应力值并不是套节上的最大应力。

表2 不同流体压力下自紧式法兰的最大应力值及主要零件的应力 MPa

图2 不同工作压力的整体应力图

套节焊接处只受到流体压力的作用，在弹性变形范围内，其应力随外加载荷流体压力的增大呈线性增加。需要说明的是随着流体压力的变化，套节的最大应力出现的部位或区域有所不同。

3.2 不同工作温度下自紧式法兰的应力状态

螺栓预紧力为12 000 N，工作压力为21 MPa时，不同温度条件下自紧式法兰的应力状态数据如表3所示，可看出不同流体温度下，自紧式法兰的最大应力都出现在卡套上。随着流体温度的逐渐增加，自紧式法兰整体最大应力逐渐增大，且增大的速率呈上升趋势。温度越高，套节和密封圈的最大应力也越大，密封圈最大应力出现在凸缘处。此外，随着流体温度的增加，密封圈唇部应力、凸缘接触处应力均逐步增加。

表3 不同温度下自紧式法兰的应力状态数据

表3已表明法兰的最大应力出现在卡套上，但是不同温度下卡套最大应力分布的区域不同，如图3所示。当法兰工作温度为30 ℃时，卡套最大应力出现在卡套对称面的凹部处(见图3(a))；

图3 不同温度下卡套应力云图

当法兰工作温度为120 ℃时，卡套最大应力出现在卡套内侧底部拐角处(见图3(b))。这是由于卡套对称面凹部应力主要受螺栓预紧力的影响，而卡套内侧底部拐角处应力受到螺栓预紧力、流体压力和温度3个因素的影响。在螺栓预紧力、流体压力一定的条件下，温度不同导致卡套的最大应力分布区域不同，这主要与金属材料的受热膨胀有关。当管道内流体温度较高时，装置的金属部件会受热膨胀，体积变大，增大了部件之间的接触面压力。加之套节受热时，主要沿管道方向膨胀，膨胀张力作用在卡套和套节的接触面上，接触面的拐角处受到热膨胀张力作用的影响最大，导致拐角区域出现最大应力。

4 安全校核

高压自紧式法兰的使用安全性校核主要包括：①密封圈、套节和卡套的强度校核；②密封圈的密封性能分析。

4.1 密封圈

自紧式法兰的密封件是密封圈，在不同工作条件下密封圈应力的变化范围和应力的分布特征是保证密封的关键。金属密封圈的密封性能和结构强度的要求是，工作时密封圈密封面上要有超过密封比压的连续完整的闭合区域上的应力，且整个密封圈的应力值应小于密封圈材料的许用应力。由表2得知，不同流体压力下密封圈密封面上的应力能满足密封的要求，同时凸缘上接触应力也高于密封比压，能实现二次密封。而且，随着流体压力的增大，套节密封面附近的应力增大，套节与密封圈唇部的接触密封性能得到提高，这证明了该装置具有压力自紧性。

由表3可知，不同流体温度下密封圈最大应力都出现在密封圈肋部的凸缘上，可见凸缘对抑制套节变形挤压密封圈的作用明显，并使密封圈唇部变形处于弹性变形。随着流体温度的逐渐增加，密封圈的最大应力逐渐增大且增大的速率呈上升趋势，密封圈的最大应力和其唇部密封面的应力也增大，因此，在密封圈材料42CrMo的许用应力下，温度的升高有利于提高自紧式法兰的密封性能。

综合分析表2和表3的模拟结果可知，在设定的不同工作条件下，自紧式法兰密封圈唇部密封面上均有连续的区域满足密封要求，即其应力大于所需的密封比压，可以实现密封。此外，凸缘还能实现二次密封，增强了装置的密封性能。而且密封圈上的最大应力，也低于其材质42CrMo的许用应力，即符合强度要求。故密封圈的工作状态安全和密封性能达标。

4.2 卡套

卡套是紧固件，使用要求是在工作时不发生塑性变形。表2中结果表明，流体压力对卡套的最大应力影响不大，且最大应力均低于45#钢的屈服强度。这说明在温度20 ℃时，影响卡套应力分布的主要是螺栓预紧力，卡套对称面凹部处是被预紧力挤压最严重的区域，且流体压力对卡套对称面凹部的作用小，主要影响套节、密封圈及卡套与套节接触的区域。但是，安装螺栓后卡套与套节接触面之间的应力较小，即使流体压力增大到60 MPa，卡套与套节接触面的应力亦不是卡套的最大应力，故接触面处于安全状态。

表3中结果显示，当流体温度为90 ℃时，卡套最大应力为337 MPa，低于45#钢的屈服强度355 MPa。而当流体温度为120 ℃时，卡套最大应力为389 MPa，超过45#钢的屈服强度。因此，以45#钢生产的卡套，在螺栓预紧力12 000N，流体压力21 MPa的前提下，低于90 ℃使用可满足安全评定要求。若要在更高温度的环境下使用自紧式法兰，需要使用屈服强度更高的材料。

4.3 套节

图4 90 ℃下套节应力分布图

法兰在螺栓预紧力为12 000 N、流体压力为21 MPa、流体温度为90 ℃条件下工作时，套节的应力场分布图如图4所示。可看出套节上的最大应力位于其与卡套的接触面上，应力较大的区域呈带状分布于接触面，且套节与卡套的两个面在工作时并没有完全接触，接触面宽度也较窄，受外加载荷影响较大，易发生应力集中。虽然卡套和套节接触面的设计在安装初始是完全接触的，但是卡套在受力发生微小位移后，导致只存在一小部分面积接触。卡套的挤压、流体压力向外的张力作用、温度升高引起的热膨胀等都会减小套节上的接触面，从而增大套节接触面的应力。因此表3中流体温度在90 ℃时套节的受力是满足强度要求的。

套节是高压自紧式法兰的主要受力部件，卡套、密封圈、流体压力都对其有直接作用。当连接装置安装完成后，螺栓预紧力、卡套对套节的压力作用也基本确定。因此，研究管道内流体压力的变化对套节应力的影响，可以确定法兰的工作压力范围。由表2可知，套节在不同流体压力下最大应力出现的位置不同。流体压力相对较低时，套节最大应力出现在卡套与套节接触区域(见图4)。流体压力较高时，最大应力出现在套节焊接处(此处也最薄)，在弹性变形范围内，该处应力随流体压力增加呈线性增加，借助表2的数据，采用插值法可得，当套节焊接处应力为许用应力400 MPa时，流体压力对应值为54 MPa。此数值与式(1)的计算结果60 MPa存在一定偏差，这可能是由于式(1)计算时选取的壁厚没有进行修正所致。因此，建议安装该自紧式法兰的管道工作压力应控制在不高于54 MPa，以确保整个装置的安全运行。

通过对该高压自紧式法兰的研究，企业对该法兰进行了生产制备和使用。使用效果良好，安全可靠。其实物如图5所示。

图5 机械自紧式管道连接装置实体图

5 结论

(1)高压自紧式法兰在不同流体压力下工作时，其应力场的分布不同。当流体压力较低和较高时，法兰的最大应力分别出现在卡套上和套节壁厚最薄处。

(2)随着流体温度的升高，法兰各部件上的应力也相应增大。法兰上的最大应力都出现在卡套上，但低温时最大应力处于卡套对称面凹槽，高温时最大应力处于卡套与套节的接触面拐角。

(3)规格2″自紧式法兰在螺栓预紧力12 000 N，温度20 ℃下安全运行的最高工作压力为54 MPa。在螺栓预紧力12 000 N，流体压力21 MPa，温度低于90 ℃时可以安全使用。

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