法兰联接用平面金属垫片的力学性能分析

曾其科

（四川科宏石油天然气工程有限公司，四川 成都 610213 ）

引 言

螺栓法兰垫片密封结构常被用于机械、交通、石化、核能等行业，金属垫片密封是压力容器和管道中常见的密封形式，其失效极少是因强度不足引起的，泄漏是连接系统失效的主要原因。

在法兰连接中，一方面由于螺栓预紧力作用，通过法兰压紧面作用到金属垫片上，当金属垫片表面单位面积上所受的压紧力达到一定时，垫片产生弹性或屈服变形，堵塞流体泄露的通道，从而形成初始密封条件；另一方面密封介质内压引起的轴向力，将促使上下法兰的压紧面分离，垫片在预紧工况形成的压缩量减小，压紧面上的密封比压力下降。

诸多学者对法兰联接进行了研究，但主要集中在对非金属垫片的接触应力的数值分析，而对法兰联接中金属垫片的研究相对较少。如冯军军等对其进行参数化研究，研究外弯矩和法兰公称直径对垫片应力及连接泄漏率的影响，确定外弯矩与泄漏率的规律[2]；张斯亮等建立预紧、操作工况下DN200及DN450两组管道法兰数值计算模型，对法兰及螺栓应力进行分类、强度评定[3]；杜坤等螺栓法兰连接系统各元件之间的相互作用，分析了预紧力密封介质内压力等因素对垫片应力的影响[4]；冯秀等对金属垫片有效密封宽度进行有限元分析，为螺栓法兰金属垫片的设计与安全评价提供了参考[5]。

1 有限元模型

1.1 实体模型及材料参数

由于螺栓法兰垫片模型结构型式和承载对称性，取模型1/2进行分析，利用SolidWorks建立了法兰-金属垫片-螺栓系统模型。如图1(A)所示。系统相关结构参数如下：选用DN100mm，PN10MPa平面整体钢制管法兰，法兰厚36mm，法兰外径265mm，螺栓孔直径30mm。螺栓个数8，尺寸M27mm×100mm。平面金属垫片，内径51mm，外径81mm。

图1 有限元计算模型

结构材料参数：法兰钢材弹性模量210GPa，泊松比0.3，屈服强度325MPa，螺栓材料为低合金高强度钢，弹性模量210GPa，泊松比0.3，屈服强度640MPa，垫片材料为20钢，弹性模量190GPa，泊松比0.3，屈服强度267MPa

1.2 单元属性及网格划分

模型单元采用八结点线性六面体单元， 实现减缩积分与沙漏控制。

对装配体各部件均采用六面体网格进行划分，图1(B)为法兰联接网格划分后的模型，图1(C)为垫片划分网格后模型。

1.3 边界条件

对模型对称面施加对称约束边界，在下法兰下端面施加轴向约束。根据法兰联接的装配和工作过程，整个载荷施加过程分为两步，第1步对螺栓施加预紧力60kN，使法兰面与垫片之间形成初始密封面；第2步对法兰内腔和垫片内表面施加与介质压力相当的载荷10MPa，并在上法兰端面施加与内压力引起的轴向力相当的载荷，模拟法兰工作过程。

2 垫片应力应变分析

图2为法兰联接在预紧状态下和工作状态下，垫片的Von Mises应力云图。无论预紧状态还是工作状态，垫片最大应力均发生在外圆周，而其他部分应力值较小，主要是由于在螺栓预紧力作用下，法兰盘发生了翘曲变形。当螺栓预紧力为60MPa时，垫片最大应力值为292.9MPa， 超过了垫片屈服强度，说明垫片外沿已经发生了塑性变形。当法兰内部介质压力为10MPa时，垫片最大应力值为294.5MPa，大于预紧状态下应力值，说明介质压力作用加剧了垫片塑形变形，但影响量较小。

图2 垫片的Von Mises应力云图

法兰联接中，垫片轴向变形量对其力学性能和密封性能影响较大。图3为在螺栓预紧状态和工作状态下垫片轴向位移分布云图。可见，垫片上、下表面的外沿附近的位移量最大，其他部位变形量相对较小。预紧状态下，垫片最大轴向变形量为4.996μm，工作状态下最大变形量为5.116μm。说明介质压力对垫片轴向变形量影响较大。

图3 垫片的轴向位移云图

当垫片与法兰接触面上沿径向方向最大，接触应力大于介质压力时，就可以实现良好密封，如果垫片的整个圆周上有一处的接触应力值小于介质压力，则流体介质就会发生泄漏，法兰密封失效。图4为预紧状态和工作状态下垫片接触应力分布。预紧状态下最大接触应力为351.5MPa，工作状态下最大接触应力为208.1MPa，应力值降低了40.8%。而且工作状态下垫片有效接触宽度为8.96mm，小于预紧状态9.28mm。且预紧状态下垫片在接触宽度内接触应力值变化梯度较小，而在工作状态下的接触应力变化梯度较大。

图4 垫片的接触应力云图

3 结论

采用有限元法对螺栓法兰垫片密封结构进行了分析，研究了平面金属垫片的应力应变，预紧状态和工作状态下垫片最大应力均发生在外圆周，介质压力作用加剧了垫片塑形变形，但影响量较小。当螺栓预紧力为60MPa时，垫片外沿发生塑性变形。预紧状态下垫片在接触宽度内接触应力值变化梯度较小，而在工作状态下的接触应力变化梯度较大。