新型高壓自緊式法蘭的有限元分析與安全校核

范曉明，袁德裕，盧曉斌，湯美成

(1.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.高安市璐克斯機(jī)械有限公司，江西 高安 330800)

管道輸送流體物料在石油、化工和機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。但是，管道連接處往往是最薄弱的環(huán)節(jié)，特別是運(yùn)送高壓、高溫流體的管道更易發(fā)生泄漏[2]。法蘭連接是一種常見的管道連接方式。傳統(tǒng)法蘭依靠螺紋連接緊固結(jié)構(gòu)，法蘭受到較大的彎矩作用，工作時(shí)管內(nèi)流體的內(nèi)壓會(huì)造成密封線沿管道軸線松弛，這將導(dǎo)致法蘭與墊片之間的密封性降低[3-6]。目前，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的高壓管道主要采用Grayloc、Vector等高壓自緊式法蘭。該類法蘭密封設(shè)計(jì)合理，整體強(qiáng)度大，在高壓管道中能提高密封性能，實(shí)現(xiàn)自緊密封，增強(qiáng)了管道運(yùn)輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性[7]。國(guó)內(nèi)的高壓管道連接普遍使用傳統(tǒng)法蘭，重點(diǎn)工程基本依靠進(jìn)口，成本高，安裝、維護(hù)也不方便。

針對(duì)國(guó)內(nèi)高壓自緊式法蘭的研發(fā)現(xiàn)狀，筆者通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種新型的高壓自緊式法蘭。由于在不同工作條件下，管道中流體的壓力、溫度對(duì)其正常使用及材料選擇具有重要影響。ANSYS有限元分析技術(shù)具有較先進(jìn)的接觸分析功能[8]。因此擬采用ANSYS Workbench對(duì)Pro/E建立的規(guī)格2″的實(shí)體三維模型進(jìn)行研究，分析其在不同流體壓力和工作溫度下的應(yīng)力狀態(tài)和密封性能，探討其合理安全使用的工作壓力和溫度范圍，以為實(shí)際應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

1 改進(jìn)型機(jī)械自緊式法蘭的基本組成

新型高壓自緊式法蘭(規(guī)格2″)的管道連接系統(tǒng)由金屬墊圈、套節(jié)、卡套和螺栓、螺母組成，具體如圖1所示。其中3為帶凸緣10的金屬密封圈，8、9為帶有凹槽(對(duì)應(yīng)凸緣10)的套節(jié)，套節(jié)與管道焊接連接。金屬密封圈、套節(jié)與流體物料直接接觸，屬于系統(tǒng)中的重要部件，擁有與管道同等級(jí)的安全評(píng)定要求。

圖1 新型高壓自緊式法蘭

2 設(shè)置參數(shù)

2.1 自緊式法蘭各部件材料參數(shù)

金屬密封圈、套節(jié)的材料為42CrMo，卡套、螺栓螺母的材料為45#鋼，其性能在≤200 ℃時(shí)變化不大，兩種材料的詳細(xì)物性參數(shù)如表1所示。金屬密封圈和套節(jié)擁有管道同等級(jí)的安全評(píng)定要求，按照GB150.2-2011《壓力容器第2部分：材料》的標(biāo)準(zhǔn)[9]，其值為400MPa?？ㄌ?、螺栓、螺母是緊固件，要求在使用時(shí)不發(fā)生屈服，應(yīng)力值低于45#鋼的屈服強(qiáng)度。

表1 材料的物性參數(shù)

金屬密封圈采用唇部密封，密封面在外載荷的作用下發(fā)生彈性變形，要保證密封圈的密封性能，密封面上部分區(qū)域的應(yīng)力要高于該壓力下的密封比壓。密封比壓可由式(1)計(jì)算[10]。

(1)

式中：y為密封比壓；P為內(nèi)壓力；bM為密封面寬度。

2.2 載荷

設(shè)定規(guī)格2″高壓自緊式法蘭連接裝置在溫度20 ℃、21 MPa的高壓環(huán)境下工作，螺栓預(yù)緊力取12 000 N。根據(jù)GB150-2011《壓力容器》的標(biāo)準(zhǔn)，自緊式法蘭的最高工作壓力為60 MPa。因此，首先設(shè)定流體壓力為21 MPa、30 MPa、45 MPa和60 MPa，分別模擬分析連接裝置的應(yīng)力狀態(tài)；然后固定工作壓力為21 MPa，研究工作溫度為30 ℃、60 ℃、90 ℃、120 ℃和150 ℃時(shí)裝置各部件的應(yīng)力狀態(tài)；最后，根據(jù)管道內(nèi)不同的流體壓力和工作溫度下各部件的應(yīng)力狀態(tài)和性能要求，評(píng)定裝置主要部件的使用安全性。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同工作壓力下自緊式法蘭的應(yīng)力狀態(tài)

在螺栓預(yù)緊力為12 000 N、溫度20 ℃的條件下，不同流體壓力下自緊式法蘭的最大應(yīng)力值及主要零件的應(yīng)力狀態(tài)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，當(dāng)流體壓力由21 MPa增大到60 MPa時(shí)，整體最大應(yīng)力逐步增大。卡套最大應(yīng)力有所降低，密封圈最大應(yīng)力有所增加，但是變化的幅度不大。而套節(jié)的最大應(yīng)力增加較大，由192 MPa增大為443 MPa。隨著流體壓力的增加，密封圈唇部應(yīng)力、凸緣接觸處應(yīng)力、密封比壓均是逐步增加。在流體壓力分別為21 MPa和60 MPa時(shí)，自緊式法蘭的整體應(yīng)力分布如圖2所示，可以看出，在不同的流體壓力下，卡套上最大應(yīng)力變化不大，法蘭上的應(yīng)力分布卻有所不同。當(dāng)流體壓力為21 MPa時(shí)，法蘭的最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡套對(duì)稱面凹部處(見圖2(a))。當(dāng)流體壓力為60 MPa時(shí)，法蘭的最大應(yīng)力出現(xiàn)在套節(jié)與管道的焊接處(見圖2(b))。雖然套節(jié)焊接處壁厚最薄，但在流體壓力較低時(shí)，其應(yīng)力值并不是套節(jié)上的最大應(yīng)力。

表2 不同流體壓力下自緊式法蘭的最大應(yīng)力值及主要零件的應(yīng)力 MPa

圖2 不同工作壓力的整體應(yīng)力圖

套節(jié)焊接處只受到流體壓力的作用，在彈性變形范圍內(nèi)，其應(yīng)力隨外加載荷流體壓力的增大呈線性增加。需要說明的是隨著流體壓力的變化，套節(jié)的最大應(yīng)力出現(xiàn)的部位或區(qū)域有所不同。

3.2 不同工作溫度下自緊式法蘭的應(yīng)力狀態(tài)

螺栓預(yù)緊力為12 000 N，工作壓力為21 MPa時(shí)，不同溫度條件下自緊式法蘭的應(yīng)力狀態(tài)數(shù)據(jù)如表3所示，可看出不同流體溫度下，自緊式法蘭的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在卡套上。隨著流體溫度的逐漸增加，自緊式法蘭整體最大應(yīng)力逐漸增大，且增大的速率呈上升趨勢(shì)。溫度越高，套節(jié)和密封圈的最大應(yīng)力也越大，密封圈最大應(yīng)力出現(xiàn)在凸緣處。此外，隨著流體溫度的增加，密封圈唇部應(yīng)力、凸緣接觸處應(yīng)力均逐步增加。

表3 不同溫度下自緊式法蘭的應(yīng)力狀態(tài)數(shù)據(jù)

表3已表明法蘭的最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡套上，但是不同溫度下卡套最大應(yīng)力分布的區(qū)域不同，如圖3所示。當(dāng)法蘭工作溫度為30 ℃時(shí)，卡套最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡套對(duì)稱面的凹部處(見圖3(a))；

圖3 不同溫度下卡套應(yīng)力云圖

當(dāng)法蘭工作溫度為120 ℃時(shí)，卡套最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡套內(nèi)側(cè)底部拐角處(見圖3(b))。這是由于卡套對(duì)稱面凹部應(yīng)力主要受螺栓預(yù)緊力的影響，而卡套內(nèi)側(cè)底部拐角處應(yīng)力受到螺栓預(yù)緊力、流體壓力和溫度3個(gè)因素的影響。在螺栓預(yù)緊力、流體壓力一定的條件下，溫度不同導(dǎo)致卡套的最大應(yīng)力分布區(qū)域不同，這主要與金屬材料的受熱膨脹有關(guān)。當(dāng)管道內(nèi)流體溫度較高時(shí)，裝置的金屬部件會(huì)受熱膨脹，體積變大，增大了部件之間的接觸面壓力。加之套節(jié)受熱時(shí)，主要沿管道方向膨脹，膨脹張力作用在卡套和套節(jié)的接觸面上，接觸面的拐角處受到熱膨脹張力作用的影響最大，導(dǎo)致拐角區(qū)域出現(xiàn)最大應(yīng)力。

4 安全校核

高壓自緊式法蘭的使用安全性校核主要包括：①密封圈、套節(jié)和卡套的強(qiáng)度校核；②密封圈的密封性能分析。

4.1 密封圈

自緊式法蘭的密封件是密封圈，在不同工作條件下密封圈應(yīng)力的變化范圍和應(yīng)力的分布特征是保證密封的關(guān)鍵。金屬密封圈的密封性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求是，工作時(shí)密封圈密封面上要有超過密封比壓的連續(xù)完整的閉合區(qū)域上的應(yīng)力，且整個(gè)密封圈的應(yīng)力值應(yīng)小于密封圈材料的許用應(yīng)力。由表2得知，不同流體壓力下密封圈密封面上的應(yīng)力能滿足密封的要求，同時(shí)凸緣上接觸應(yīng)力也高于密封比壓，能實(shí)現(xiàn)二次密封。而且，隨著流體壓力的增大，套節(jié)密封面附近的應(yīng)力增大，套節(jié)與密封圈唇部的接觸密封性能得到提高，這證明了該裝置具有壓力自緊性。

由表3可知，不同流體溫度下密封圈最大應(yīng)力都出現(xiàn)在密封圈肋部的凸緣上，可見凸緣對(duì)抑制套節(jié)變形擠壓密封圈的作用明顯，并使密封圈唇部變形處于彈性變形。隨著流體溫度的逐漸增加，密封圈的最大應(yīng)力逐漸增大且增大的速率呈上升趨勢(shì)，密封圈的最大應(yīng)力和其唇部密封面的應(yīng)力也增大，因此，在密封圈材料42CrMo的許用應(yīng)力下，溫度的升高有利于提高自緊式法蘭的密封性能。

綜合分析表2和表3的模擬結(jié)果可知，在設(shè)定的不同工作條件下，自緊式法蘭密封圈唇部密封面上均有連續(xù)的區(qū)域滿足密封要求，即其應(yīng)力大于所需的密封比壓，可以實(shí)現(xiàn)密封。此外，凸緣還能實(shí)現(xiàn)二次密封，增強(qiáng)了裝置的密封性能。而且密封圈上的最大應(yīng)力，也低于其材質(zhì)42CrMo的許用應(yīng)力，即符合強(qiáng)度要求。故密封圈的工作狀態(tài)安全和密封性能達(dá)標(biāo)。

4.2 卡套

卡套是緊固件，使用要求是在工作時(shí)不發(fā)生塑性變形。表2中結(jié)果表明，流體壓力對(duì)卡套的最大應(yīng)力影響不大，且最大應(yīng)力均低于45#鋼的屈服強(qiáng)度。這說明在溫度20 ℃時(shí)，影響卡套應(yīng)力分布的主要是螺栓預(yù)緊力，卡套對(duì)稱面凹部處是被預(yù)緊力擠壓最嚴(yán)重的區(qū)域，且流體壓力對(duì)卡套對(duì)稱面凹部的作用小，主要影響套節(jié)、密封圈及卡套與套節(jié)接觸的區(qū)域。但是，安裝螺栓后卡套與套節(jié)接觸面之間的應(yīng)力較小，即使流體壓力增大到60 MPa，卡套與套節(jié)接觸面的應(yīng)力亦不是卡套的最大應(yīng)力，故接觸面處于安全狀態(tài)。

表3中結(jié)果顯示，當(dāng)流體溫度為90 ℃時(shí)，卡套最大應(yīng)力為337 MPa，低于45#鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa。而當(dāng)流體溫度為120 ℃時(shí)，卡套最大應(yīng)力為389 MPa，超過45#鋼的屈服強(qiáng)度。因此，以45#鋼生產(chǎn)的卡套，在螺栓預(yù)緊力12 000N，流體壓力21 MPa的前提下，低于90 ℃使用可滿足安全評(píng)定要求。若要在更高溫度的環(huán)境下使用自緊式法蘭，需要使用屈服強(qiáng)度更高的材料。

4.3 套節(jié)

圖4 90 ℃下套節(jié)應(yīng)力分布圖

法蘭在螺栓預(yù)緊力為12 000 N、流體壓力為21 MPa、流體溫度為90 ℃條件下工作時(shí)，套節(jié)的應(yīng)力場(chǎng)分布圖如圖4所示。可看出套節(jié)上的最大應(yīng)力位于其與卡套的接觸面上，應(yīng)力較大的區(qū)域呈帶狀分布于接觸面，且套節(jié)與卡套的兩個(gè)面在工作時(shí)并沒有完全接觸，接觸面寬度也較窄，受外加載荷影響較大，易發(fā)生應(yīng)力集中。雖然卡套和套節(jié)接觸面的設(shè)計(jì)在安裝初始是完全接觸的，但是卡套在受力發(fā)生微小位移后，導(dǎo)致只存在一小部分面積接觸。卡套的擠壓、流體壓力向外的張力作用、溫度升高引起的熱膨脹等都會(huì)減小套節(jié)上的接觸面，從而增大套節(jié)接觸面的應(yīng)力。因此表3中流體溫度在90 ℃時(shí)套節(jié)的受力是滿足強(qiáng)度要求的。

套節(jié)是高壓自緊式法蘭的主要受力部件，卡套、密封圈、流體壓力都對(duì)其有直接作用。當(dāng)連接裝置安裝完成后，螺栓預(yù)緊力、卡套對(duì)套節(jié)的壓力作用也基本確定。因此，研究管道內(nèi)流體壓力的變化對(duì)套節(jié)應(yīng)力的影響，可以確定法蘭的工作壓力范圍。由表2可知，套節(jié)在不同流體壓力下最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置不同。流體壓力相對(duì)較低時(shí)，套節(jié)最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡套與套節(jié)接觸區(qū)域(見圖4)。流體壓力較高時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在套節(jié)焊接處(此處也最薄)，在彈性變形范圍內(nèi)，該處應(yīng)力隨流體壓力增加呈線性增加，借助表2的數(shù)據(jù)，采用插值法可得，當(dāng)套節(jié)焊接處應(yīng)力為許用應(yīng)力400 MPa時(shí)，流體壓力對(duì)應(yīng)值為54 MPa。此數(shù)值與式(1)的計(jì)算結(jié)果60 MPa存在一定偏差，這可能是由于式(1)計(jì)算時(shí)選取的壁厚沒有進(jìn)行修正所致。因此，建議安裝該自緊式法蘭的管道工作壓力應(yīng)控制在不高于54 MPa，以確保整個(gè)裝置的安全運(yùn)行。

通過對(duì)該高壓自緊式法蘭的研究，企業(yè)對(duì)該法蘭進(jìn)行了生產(chǎn)制備和使用。使用效果良好，安全可靠。其實(shí)物如圖5所示。

圖5 機(jī)械自緊式管道連接裝置實(shí)體圖

5 結(jié)論

(1)高壓自緊式法蘭在不同流體壓力下工作時(shí)，其應(yīng)力場(chǎng)的分布不同。當(dāng)流體壓力較低和較高時(shí)，法蘭的最大應(yīng)力分別出現(xiàn)在卡套上和套節(jié)壁厚最薄處。

(2)隨著流體溫度的升高，法蘭各部件上的應(yīng)力也相應(yīng)增大。法蘭上的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在卡套上，但低溫時(shí)最大應(yīng)力處于卡套對(duì)稱面凹槽，高溫時(shí)最大應(yīng)力處于卡套與套節(jié)的接觸面拐角。

(3)規(guī)格2″自緊式法蘭在螺栓預(yù)緊力12 000 N，溫度20 ℃下安全運(yùn)行的最高工作壓力為54 MPa。在螺栓預(yù)緊力12 000 N，流體壓力21 MPa，溫度低于90 ℃時(shí)可以安全使用。

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