阀门中法兰瞬态温度波动密封性能研究

姜 峰，杨 曦，赵维乐，周文海，陈 斐，俞瑞利

（1.兰州理工大学 石油化工学院，兰州 730050；2.四川新川航空仪器有限责任公司，四川德阳 618300）

关键字：法兰；高温；瞬态；热-结构耦合；密封性

0 引言

由于螺栓法兰密封系统便于拆卸，因此被广泛应用于石油化工、能源、食品等行业的设备中。这些行业中的法兰系统大多处于复杂多变的工况中，尤其是高温以及变温工况会对法兰密封性能造成很大影响，因此研究高温工况下的法兰密封显得尤为重要。由于法兰密封失效极少数是由螺栓强度不足造成的，而大多数是都由于垫片泄漏而导致的［1-3］，并且高温会影响垫片压缩回弹性能［4］。经过多年研究，国内外学者在高温下法兰系统的密封问题上取得了相应进展，得出高温工况下法兰的密封与垫片有密切关系［5-8］，且法兰在操作工况下的密封是一个瞬态问题。

目前，法兰连接系统的密封研究主要以法兰密封设计理论研究为基础，通常采用理论计算方法与有限元模拟方法作为分析研究手段结合实验与仿真模拟［9］，从而得出相关结论。罗从仁［10］通过模拟与试验结合的方法，得出了在一定误差范围内稳态热-结构耦合场代替瞬态热-结构耦合场分析的条件，为研究温度波动下的法兰密封提供了方案。盛威等［11］对螺栓法兰连接在低温压力工况下的稳态传热和紧密性进行了研究，分析了得出了低温压力工况下垫片接触应力分布规律，为研究高温压力工况下的法兰密封提供了参考。

但是目前针对高温工况下法兰密封的数值模拟中大多数都是采用稳态温度场的热-结构耦合，无法表现温度升高这一瞬态过程中垫片的密封性能变化，并且进行瞬态温度场模拟的大多针对一种升温速度进行描述，未进行不同升温速度的比较。因此本文针对这一类问题进行了两种升温速度的比较，并且补充研究了温度波动工况下法兰的应力应变影响。结果表明升温速度越快，高温对垫片密封性能的不良影响越大，法兰密封可靠性越低。

1 模型建立

1.1 传热模型建立

高温条件下，法兰各部件之间温度分布差异较大，进而产生温差载荷引起螺栓应力变化。在进行法兰温度场模拟时需要运用传热学模型，对于传导、辐射和对流3种热传递方式［12-13］，辐射换热与对流换热都不方便进行直观的计算求解。所以对法兰温度场模拟分析中运用的传热学模型进行一定简化，忽略螺栓及螺栓孔间空气层产热［14］，根据传热学原理将上、下法兰间空气层、法兰外表面与空气的辐射换热及对流换热转化为当量导热，分别建立以下3个模型［15-16］。

（1）上、下法兰间空气层传热模型。该中法兰的密封面形式为榫槽面，垫片不与周围空气接触，此处只考虑垫片与法兰环之间的热传导。由于垫片的存在，上、下法兰环间存在一部分空气层，忽略其对流换热。计算上、下法兰环间空气层的当量导热系数的公式如下：

式中λ——T1温度下的空气的导热系数，W（/m·K）；

ε2——垫片的黑度，取ε2=0.8；

r1——垫片外半径，mm；

C0—— 黑体的辐射系数，W/（m2·K4），C0=5.67 W/（m2·K4）；

r2——法兰外半径，mm；

T1——垫片的外侧面温度，K；

T2——法兰的外侧面温度，K。

（2）法兰外表面传热模型。止回阀中法兰的阀盖、下法兰、螺栓与螺母外表面热量传递主要有热对流和热辐射，由式（2）将对流和辐射转换为统一的当量对流换热系数。

式中 h —— 空气表面自然对流换热系数，取h=25 W/（m2·K4）；

ε ——黑度，取 ε =0.8；

T1——法兰及螺栓螺母外表面的温度，K；

T∞——环境温度，取 T∞=293 K。

（3）螺母与法兰面之间传热模型。在螺母与法兰的接触面存在热阻，故二者之间存在温差。在ANSYS中的接触单元中设置TCC的值为10 000 W/（m2·K）。

阀盖与下法兰间空气层当量导热系数、法兰外表面当量换热系数值见表1。

表1 当量导热系数及当量换热系数Tab.1 Equivalent thermal conductivity and equivalent heat transfer coefficient

1.2 法兰有限元模型建立

本文以某阀门企业工程上使用的Class600压力等级阀门中法兰为建模原型，公称压力6.3 MPa，公称直径600 mm，使用温度-29～425 ℃，密封面采用榫槽面形式，法兰几何结构如图1所示。几何尺寸参数见表2。螺栓选用M33×235（GB/T 901—1998），材料为35CrMoA，数量共28个；螺母选用M33（GB/T 55），材料为35CrMoA；垫片尺寸为680×720×4.5，材料为无内外环的柔性石墨金属缠绕垫片。螺栓螺母以及垫片性能数据，包括导热系数、弹性模量、泊松比以及许用应力等数据见文献［17］。

表2 法兰尺寸Tab.2 Table of flange sizes mm

图1 法兰几何结构Fig.1 The geometry of flange

1.3 法兰网格划分

由于整个法兰结构为轴对称结构，故选取1/28法兰接头来进行有限元模拟，忽略螺纹的影响，建立有限元模型，见图2（a）；对选取的法兰接头模型进行网格划分，法兰及法兰盖部门、螺栓螺母部分以及垫片部分均用六面体网格划分，其中法兰及法兰盖部分网格大小经参数化优选为13 mm，螺栓螺母部分网格经参数化优选大小为8 mm，垫片部分根据需求控制网格大小为4 mm，网格划分结果如图2（b）所示。

图2 1/28法兰接头模型及网格Fig.2 The model of 1/28 and integral meshing of flange joint

1.4 载荷与边界条件

模拟只有螺栓预紧力的预紧工况，预紧力大小参照GB 150.1—2011《压力容器第1部分：通用要求》计算得到总螺栓预紧力为2 551 164 N，单个螺栓预紧力为91 113 N。上、下法兰间、法兰外表面与空气间以及螺母与法兰面各部位施加相应的当量导热系数以及当量换热系数，上、下法兰间当量导热系数、法兰外表面当量换热系数以及螺母与法兰面接触导热系数数值见表1。初始状况下的法兰温度设置为环境温度（25 ℃），法兰内介质两种温度变化方式分别为：（1）500 s内温度上升至 300 ℃，并保持 3 000 s；（2）1 000 s内温度上升至300 ℃，并保持3 000 s。

2 瞬态温度场模拟及热—结构耦合分析

2.1 不同升温速度瞬态垫片温度场变化

对2种升温速度分别进行模拟研究，通过观察不同时刻垫片及法兰温度场分布情况发现：1 000 s升温下热量传播规律以及法兰与垫片上温度分布随时间变化规律与500 s升温过程中的相关规律一致。垫片的周向温度分布比较均匀，且外侧温度小于内侧，升温初期温度传播较快。法兰与垫片上的温度在升温初期变化剧烈，随着时间的推移升温速度降低，温度趋于稳定。

为了更加清晰地表示出温度的变化，利用绘图软件绘出法兰外侧节点与垫片外侧节点在两种瞬时升温过程中温度随时间的变化情况。经观察得知，500 s与1 000 s两种升温速度下的所选节点温度变化趋势大致相同，均包括温度迅速升高和逐渐趋于平稳2个过程，在升温初期温度变化较为剧烈，随时间变化升温速度逐渐减小并且都在升温结束后500 s内趋于稳定。其中，500 s瞬时升温过程中的所选节点升温速度高于1 000 s瞬时升温过程中所选节点升温速度。由于传热速度不同以及离内壁距离不同，垫片外侧的升温速度快于法兰外侧的升温速度，垫片外侧节点温度也始终高于法兰外侧节点温度。

2.2 不同升温速度热-结构耦合分析

通过4个载荷步来进行瞬态热—结构耦合的模拟计算，得出两种升温速度下垫片整体应力和变形量的相应云图。观察整个温度变化过程中垫片的应力以及变形量变化，在整体变化过程中选取几个具有代表性的时刻的应力云图进行对比，如图3，4所示。将垫片内侧、外侧上对称点作为应力应变的考察点，可以得到2种瞬态升温过程中垫片应力随时间变化关系，如图5所示。由图3，4可知，在2种升温速度下的垫片应力云图变化规律大致相同，只是不同状态的起始时间以及数值大小不同。由于升温初期法兰内侧与介质直接接触，法兰温度上升最快，热量先传递至垫片内侧还未传达至垫片外侧，法兰和垫片发生相应热膨胀。故垫片内侧应力迅速增大，外侧应力减小。在热量传递过程中，垫片外侧应力先增大后减小，垫片内侧应力则先减小后增大。

图3 500 s升温垫片应力分布云图Fig.3 Stress distribution nephogram of the gasket during 500 s heating up

图4 1 000 s垫片应力分布云图Fig.4 Stress distribution nephogram of the gasket during 1 000 s heating up

图5 500，1 000 s瞬态升温垫片应力对比Fig.5 Stress comparison diagram of gasket stress during 500 and 1 000 s transient heating up

结合应力云图对比500 s与1 000 s对应相同节点应力变化曲线可知，升温速度较快时，垫片应力的变化较剧烈。当介质温度稳定后，由于各部件温差逐渐减小，螺栓此时也发生较大的变形松弛，垫片内外侧应力逐渐降低并达到最小值。法兰中介质通过500 s与1 000 s升温，并保持相同的传递时间后，垫片内侧应力最终值分别为23.027，28.787 MPa，外侧应力最终值分别为33.876，35.804 MPa。对比可得，1 000 s瞬态升温过程垫片内外侧压应力曲线更为平缓，即升温速度越慢，垫片应力降低幅度越小，升温过程中垫片应力波动幅度也越小。

由EN13445-3附录G中的垫片密封判定准则可知，300 ℃的温度下，垫片最大允许压缩应力Qmax=90 MPa，最小压缩应力Qmin=20 MPa，由折线图分析可得出2种升温方式下，垫片应力均满足密封要求，但是垫片内外侧应力均呈减小趋势，几乎要接近最小压缩应力，并且500 s升温方式下的垫片应力更小，可见高温以及升温速度均会对垫片密封造成不良影响。

同理选取具有代表性的时刻的变形量云图进行对比。2种瞬态升温过程中垫片应变随时间变化关系，如图6所示。由变形量云图结合折线图可知，温度瞬态变化会造成垫片上应变不均匀，2种瞬态升温过程中垫片内、外侧应变在升温初期均有应变大幅度增大的现象。在温度稳定后，垫片内、外侧应变均有不同程度小幅度下降趋势。垫片外侧节点应变始终大于垫片内侧节点应变，并且在2个瞬态升温过程中，垫片内、外侧应变均出现了小的突变现象。500 s瞬时升温过程中应变变化速率大于1 000 s瞬时升温过程中的应变变化速率。随着温度的上升，垫片内外侧变形增大。垫片内外侧变形小幅度下降趋于稳定后，500 s瞬时升温后垫片的应变大于1 000 s瞬时升温后垫片。最终500，1 000 s瞬态升温下垫片内侧应变分别稳定在0.906 03，0.891 27 mm，外侧应变分别稳定在0.949 55，0.937 5 mm。

图6 500，1 000 s瞬态升温垫片应变对比Fig.6 Strain comparison diagram of gasket stress during 500 and 1 000 s transient heating up

由以上分析结果可知，升温速度快会造成法兰垫片内外侧过度收缩，垫片应力降低幅度越大，垫片的变形也越大，同时在上升过程中应力应变的波动幅度也相对较大，使得垫片密封性能下降程度越大。

3 温度波动工况下垫片数值模拟

止回阀在开车、停车、雨雪天气及外界温度急剧变化的环境下，温度会受外界温度变化而有所波动。温度波动会影响垫片应力的稳定，严重会导致垫片密封失效。在此通过瞬态热—结构耦合研究温度波动对垫片应力的影响。

瞬态温度波动工况下，介质温度即内壁温度变化设置如图7所示，温度由270 ℃上升到300 ℃后又下降到270 ℃，完成一次温度波动。在此设置的温度波动幅度相对实际工况较大，目的是为了更加清楚的观察温度对垫片应力的影响。

图7 介质温度变化Fig.7 Temperature changes of the medium

3.1 垫片温度场分析

温度波动工况下垫片内外侧温度变化曲线如图8所示。

图8 垫片内外侧温度随介质温度变化曲线Fig.8 Change curve of gasket temperature at inner and outer side of the gasket with the medium temperature

由图8可知，垫片内侧由于与法兰内壁接触，温度直线上升。而垫片外侧的温度是由热传导而上升的，不同于垫片内侧的直线上升趋势，垫片外侧温度变化趋势与所设置的温度场一致，均为先升高后降低，达到最高温度的时间有约10 s的滞后。垫片内、外侧温度差逐渐减小，200，400，600 s时垫片内外侧温度差分别为62，48，15 ℃，可见温度分布也逐渐均匀。

3.2 垫片热-结构耦合分析

图9，10分别示出了垫片外侧节点应力以及应变随温度变化趋势。

图9 垫片内外侧节点应力随温度变化Fig.9 Stress changes of nodes at inner and outer sides of the gasket with temperature

由图9可知，200 s时温度开始波动，此时垫片内侧应力开始上升，外侧应力却小幅下降。其原因是波动初期，温度传递的时效性导致法兰、垫片内侧温度远远高于螺栓及法兰外侧温度，法兰及垫片内侧发生热膨胀导致垫片内侧被压紧。当温度传递一段时间后，法兰、垫片、螺栓上温度相继发生变化，垫片法兰内侧温度已达到波动的最高温度，此时垫片外侧应力加速下降，内侧则急剧下降。随着温度的再次降低，垫片应力下降趋势逐渐减缓。由对温度波动工况下垫片模拟分析可得，经过一次波动，温度回到初始温度时，垫片整体应力小于初始时的垫片应力。由图10可知，温度波动初期，法兰螺栓发生膨胀导致垫片变形增大，随温度下降垫片变形有所减小。在一次波动结束后，垫片内外侧变形均增大。综合来看，温度发生一次波动，垫片应力整体减小、相反应变增加，密封性能大大降低，间接说明温度波动会对垫片密封性能造成破坏。

图10 垫片内外侧节点应变随温度变化曲线Fig.10 Strain changes of nodes at inner and outer sides of the gasket with temperature

4 结论

（1）温度升高会使法兰密封性发生变化，对采用榫槽型密封面的法兰来说，垫片通过法兰径向传热，使得垫片上的温度普遍低于法兰内侧温度，垫片外侧发生的热膨胀相对较小。同理螺栓几乎不发生热膨胀，所以此时法兰热膨胀量相对较大从而压紧垫片，使垫片应力有所上升，导致剩余预紧力下降，当剩余预紧力低于密封要求时，会随法兰密封性能造成不良影响。

（2）升温速度越快，垫片应力降低幅度越大，变形也更大，在升温过程中造成的应力波动幅度也相对较大。升温速度过快会造成垫片内外侧过度收缩，大大降低法兰密封性能。

（3）在温度波动工况下，升温时垫片内外侧应力略微增大，但垫片应变变化剧烈，降温时垫片内外侧应力均减小，应变略微减小后趋于稳定。可以看出垫片内外应力随温度波动而产生波动，最终温度波动结束后应力降低，应变增大，法兰密封性能降低。