附加弯矩对金属O形环法兰密封性能的影响研究

刘镇溪 段成红 罗翔鹏

（北京化工大学机电工程学院）

螺栓法兰连接是石化、核电及航空等领域装置中重要的连接形式。 法兰受到如弯矩、扭矩及轴向力等外界因素作用时，其接头密封性会受到较大影响，甚至发生密封失效［1］。张玉等研究了外弯矩作用下轻量化双锲角环垫的法兰接头密封性能，结果表明，法兰转角随着弯矩增加而增大，弯矩作用使得环垫片径向应力分布不均［2］。COUCHAUX M等研究了法向力和法兰厚度对抗弯性能的影响，发现法兰厚度是影响法兰连接的关键参数，进而影响接触应力的分布，并提出了能够评估可用于疲劳设计的最大拉伸螺栓力的弹性模型［3～5］。 KOBAYASHI T和NOGI R对螺栓法兰连接在轴向载荷和外部弯矩联合作用下的结构进行了安全评估，对不同载荷组合进行了泄漏率测试［6］。BOUZID A H提出了一种预测法兰泄漏率的解析方法， 并进行了试验及有限元分析对比，结果表明，解析方法可以用于相应垫片的泄漏预测［7］。

目前，对于弯矩载荷作用下法兰的密封特性已有较多研究，研究内容大多集中于垫片的接触特性。对于密封件为金属O形环的法兰连接接头，弯矩对法兰系统影响的研究较少，需要进一步探究。因此，笔者运用有限元方法研究了以金属O形环密封件的螺栓法兰系统， 弯矩对法兰转角、密封槽轴向位移及金属O形环接触应力的影响规律。

1 活套法兰结构有限元模型

1.1 几何结构及参数

法兰几何结构如图1所示，包括上法兰、下法兰、活套环、金属O形环、螺栓和螺母。法兰各部件材料参数见表1。

表1 法兰各部件材料参数

图1 法兰结构及尺寸

1.2 模型建立

采用ABAQUS软件建立法兰结构有限元模型，考虑到附加弯矩作用下，法兰环向不同位置密封性能有所区别，故建立1/2模型。 为了更清晰地描述弯矩对法兰环向密封性能的影响情况，定义逆时针方向为0°→180°。 接管边缘效应会对法兰受力产生影响，因此，接管长度取大于2.5 ■RT（R为接管内径，T为接管壁厚）。 有限元模型中包括17根整螺栓，2根半螺栓。 网格类型为C3D8R，单元数为322 908，节点数为400 430。 网格划分及角度定义如图2所示。

图2 网格划分及角度定义

1.3 接触设定

不同部件之间建立摩擦接触， 摩擦系数取0.15，接触对包括上法兰与下法兰、法兰与金属O形环、法兰与活套环、法兰与螺母及螺母与活套环之间［8］。为提高收敛效率，螺栓与螺母之间建立绑定接触。 由于接触对数量较多，非线性较强烈，因此对计算收敛性考验较大。

1.4 边界及加载

模型边界条件包括：下法兰接管端面施加固定约束，模型对称面施加对称约束。 载荷施加包括： 法兰内表面及介质与金属O形环接触表面施加内压、螺栓施加螺栓预紧力、法兰施加弯矩及上法兰接管施加接管等效力。 接管等效力P的计算公式为：

式中 Di——接管内径；

Do——接管外径；

Pi——介质内压。

法兰弯矩施加在下法兰表面来模拟外弯矩作用［9］，边界条件及载荷施加如图3所示。

图3 边界条件及载荷施加

2 结果分析与讨论

2.1 法兰转角

法兰刚度是描述法兰抵抗变形能力的指标，当法兰刚度不足时， 会发生密封失效导致泄漏。法兰刚度通常通过偏转角来评定［10］，其大小等于法兰环内外径上最大轴向位移差与法兰环厚度之比的反正切值，即：

式中 A——法兰环外径；

B——法兰环内径；

ΔZ——法兰环内外径最大轴向位移之差；

θ——法兰环转角。

法兰转角示意图如图4所示。 法兰结构在受到弯矩作用后，其密封面会发生偏转变形，为了研究弯矩对法兰环向不同位置偏转情况的影响，作出法兰环向不同角度转角的曲线图。 上法兰不同弯矩作用下转角变化曲线如图5所示。 法兰没有受到附加弯矩作用时，上法兰环向不同位置转角基本相同，少部分的偏转主要是由法兰内部压力造成的。 受到弯矩作用后，上法兰受压侧转角减小，受拉侧转角增加。 随着环向角度增加，上法兰转角先逐渐减小，环向角度在60°时，上法兰转角最小，环向角度增加，转角继续增加，环向角度超过150°时，上法兰转角增幅变小。 附加弯矩越大，上法兰受压侧转角越小，受拉侧转角越大。

图4 法兰转角示意图

图5 上法兰环向转角变化曲线

下法兰不同弯矩作用下转角变化曲线如图6所示。 下法兰沿环向转角先增加后减小，在环向120°位置出现拐点，转角增加。 下法兰由于与活套环连接，环套环可以补偿一部分变形，因此转角相比上法兰较小。

图6 下法兰环向转角变化曲线

2.2 密封槽轴向位移

密封槽轴向位移表示受内压作用后，密封槽内侧轴向变形的大小， 可以反映出金属O形环在槽内的接触特性，示意图如图7所示。 密封槽轴向位移越小，金属O形环在槽内与密封面贴合越好，接触性能越好；密封槽轴向位移越大，上下密封面对金属O形环压紧力减小，金属O形环接触性能降低；当密封槽轴向位移增加到一定程度，金属O形环回弹量已无法补偿上、 下密封面轴向位移，此时金属O形环接触应力为零，密封失效。

图7 密封槽轴向位移示意图

图8为不同弯矩作用下， 密封槽内侧轴向位移沿环向的变化曲线，曲线整体变化趋势与上法兰转角趋势相似。 无附加弯矩时，密封槽轴向位移沿环向变化趋势几乎相同；施加弯矩后，密封槽轴向位移沿环向出现不均等分布，法兰受压侧密封槽轴向位移变小，受拉侧密封槽轴向位移增大；随着附加弯矩增大，密封槽两侧轴向位移差值增大（表2）。

表2 密封槽轴向位移极值比较

图8 密封槽内侧轴向位移变化曲线

密封槽轴向位移与上法兰转角在一定区间内呈现线性分布关系，如图9所示。

图9 上法兰转角与密封槽轴向位移关系曲线

将二者拟合得到上法兰转角与密封槽轴向位移的近似方程为y=0.00425+0.22x（x＜0.14°），拟合度为0.94。

通过上述关系方程， 若已知上法兰转角，则可以计算出密封槽轴向位移， 进而预测出金属O形环密封情况。 由图9可以看出，密封槽轴向位移随着上法兰转角增加而增大。 弯矩对密封槽轴向位移与法兰转角二者关系影响较小，上法兰转角小于0.14°时，不同弯矩下密封槽轴向位移分布曲线几乎相同；上法兰转角超过0.14°时，附加弯矩越大，密封槽轴向位移也越大。 附加弯矩作用下，法兰及密封槽轴向位移云图如图10所示。

图10 弯矩M=60 kN·m时法兰轴向位移云图

2.3 金属O形环接触应力

与金属O形环相接触的密封面结构不同，金属O形环受到挤压后， 上下表面接触应力分布会有不同［11］。图11为附加弯矩作用下，金属O形环上表面不同位置接触应力径向分布曲线。 接触应力沿径向主要集中于金属O形环两侧区域， 中心位置无接触应力，呈现两侧高，中心低的分布。 对于0°、90°和180°这3个位置， 金属O形环上表面内侧接触应力均小于外侧接触应力，且上表面径向接触应力分布趋势基本一致。 对于内侧接触区，附加弯矩增大，内侧区域接触应力减小；弯矩对金属O形环上表面外侧接触应力几乎没有影响。

图11 金属O形环上表面不同位置径向接触应力分布曲线

由图12可知， 金属O形环下表面接触应力分布与上表面保持一致，内侧接触应力均小于外侧接触应力。 由图13可知，不同弯矩下，金属O形环接触应力峰值基本相同，为170 MPa左右。

图12 金属O形环下表面不同位置径向接触应力分布曲线

图13 金属O形环不同弯矩接触应力云图

3 结论

3.1 受到附加弯矩作用时，法兰环向不同位置转角出现变化，受压侧转角减小，受拉侧法兰转角增大；法兰转角随着弯矩的增加而增大，上法兰相对于下法兰转角变化更大。

3.2 密封槽轴向位移受到附加弯矩影响较大。增加弯矩载荷后，密封槽轴向位移沿环向分布更加不均匀，受拉侧轴向位移明显大于其他位置。 密封槽轴向位移与上法兰转角变化呈现线性分布，上法兰转角增加后，密封槽轴向位移也增大。

3.3 O形环内侧接触应力随弯矩增加逐渐减小，外侧接触应力受弯矩变化影响较小。