对垫片进行有限元分析的螺栓法兰连接的密封性研究(2)

3.5.2施加压力工况

除了螺栓预紧载荷外，垫片法兰的分析还要考虑内部压力。由于内压，在接头上产生流体静压端部力和压力。施加在管道系统封闭端的流体静压端部力的计算基于管道的内径，流体静压轴向力的计算基于垫片的内径。流体静压轴向力和法兰内部流体静压端部力之间的区别在于压力大小。流体静压端部力沿轴线方向均匀地施加在管道的一端，管道的另一端在轴向方向固定（Uz=0）。由于内压产生的力沿轴向均匀地施加在两法兰面的内表面上。这个阶段同样也限制如在螺栓预紧条件下限制的周向位移（Uθ=0）。

考虑螺栓预紧阶段和加压阶段各有二十个载荷步。发现二十个载荷步足够表征非线性行为并且给出两个阶段中应力值的收敛。

4. ASME规范下的法兰偏转

在螺栓预紧载荷和反作用力影响下法兰的角位移称为法兰偏转。这是就法兰横截面的中心进行衡量的。ASME规范中有一个刚性指数“J”来检验法兰的偏转。整体法兰（对焊）的刚度系数相当于法兰偏转的极限为0.3°。由于随着内部压力的变化，法兰的偏转不是一个唯一值，这可能是不足够的。

当垫片接头受到内部压力时，随着压力试图将接头零件分开，垫片上的应力降低。当应力降低时，由于其弹性性质垫片将扩展。然而，在实际使用情况的负载下，它不会恢复到初始几何形状。经验表明，加压情况下垫片降低的应力和初始应力同等重要。当垫片应力过小时，接头可能泄露或者垫片从接头上吹出。ASME规范根据垫片的无量纲“维护”（“软化”）系数“m” 定义了这个减小的应力（称为残余应力）。将“m”和内部压力（P）的乘积称为所需的最小残余应力。此规范同时也提出了一个因子“y”，此因子为当系统加压预紧时或者密封垫片以防止接头泄漏所需要的初始垫片应力或者表面压力[6,7]。

5. 有限元分析结果

5. 1 法兰偏转

当拧紧螺栓以获得所需要的表面压力时，密封材料（垫片）发生变形。由于螺栓预紧载荷的偏心，流体静压端部力作用在法兰上，支力（垫片反作用力）和内部压力作用在法兰的内表面上，一个弯曲载荷作用在法兰上，因此导致了法兰的偏转。由于法兰的偏转使垫片受到非均匀的接触应力，接头的密封将出现困难。对于螺旋缠绕垫片，由于法兰可能与作为支点的凸面外径接触，大型偏转可能造成内圈的屈曲或密封单元的分离。

图5示出了石棉填充螺旋缠绕垫片模型沿径向环底面的轴向位移的法兰偏转，此模型的螺栓预紧力F=30kN，承受不同内部压力（P=0,3,5以及10MPa）。

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可以看出沿半径方向轴向位移呈非线性的变化。当计算法兰偏转时，为简化只考虑法兰内径和外径的轴向位移。图6示出了石棉填充螺旋缠绕垫片在不同螺栓预紧载荷和内部压力下计算得到的法兰偏转。当接头受到内部压力时，偏转变形大。表1列出了带有八个螺栓不同螺旋缠绕垫片的法兰偏转。可以看到，计算得到的法兰变形小于0.3°，正如ASME所规定的[10]。

图5. 沿径向就轴线位移而言的法兰偏转

图6. 法兰偏转随着内部压力的改变

表1.

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带有八个螺栓不同螺旋缠绕垫片的法兰偏转

5. 2 轴向螺栓力的变化

当使用螺栓预紧载荷压紧接头时，螺栓上引进一个初始张力，连接元件上引进一个初始压缩力。当一个内部压力作用在接头上时，螺栓受到一个增大的拉伸载荷，连接元件受到一个减小的压缩载荷。轴向螺栓力的变化取决于螺栓和连接元件的相对刚度。提供垫片以防止泄露，相比于接头的其他元件，垫片相对较软。结果，垫片接头的刚度几乎等于垫片的刚度，轴向螺栓力的变化受到垫片刚度的影响。

图7示出了带有八个螺栓、初始螺栓预紧力F=30kN的受到内部压力作用的不同螺旋缠绕垫片的轴向螺栓力的变化。可以看出，由于聚四氟乙烯螺旋缠绕垫片的刚度较低，其轴向螺栓力的增大是最高的，石墨填充垫片最低。表2列出了承受不同载荷、不同操作工况下各种缠绕垫片轴向螺栓力的增长。

图7. 受内压的不同螺旋缠绕垫片的轴向螺栓力的增加

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表2. 八螺栓模型不同类型垫片的轴向螺栓力的增加

5. 3 垫片接触应力

对内部压力为0，5，10 MPa、螺栓预紧力为30kN、石棉填充螺旋缠绕垫片、带有八个螺栓的接头进行有限元分析的结果在图8中示出。图形表示了螺栓预紧载荷和内部压力对垫片接触应力沿径向分布的影响。可以看出接触应力是压缩应力，并且随着内部压力的增加而减小。发现较低的内部压力（5 MPa）作用下垫片接触应力减小量为15 21%，较高的内部压力（10 MPa）作用下减小量为30 40%。还可以发现从垫片内圈到外圈接触应力发生变化，外圈半径的值要高出1 4%。原因在于5.1部分讨论的法兰偏转。当系统受到5 MPa的内部压力时，接触应力减小8 10%。

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图8. 石棉填充螺旋缠绕垫片沿径向接触应力的变化

图9示出了在螺栓预紧载荷（F=30kN）和加压（P=5MPa）条件下不同缠绕垫片沿垫片径向接触应力的比较分析。可以看出垫片上从内径到外径接触应力变化较大的是石墨填充垫片（GF），接着是石棉填充垫片（AF）和聚四氟乙烯填充（TF）螺旋缠绕垫片。表3列出了不同螺栓预紧载荷和内部压力下各种螺旋缠绕垫片上内半径和外半径位置的接触应力。

图9. 不同类型缠绕垫片接触应力的分布：9（a）螺栓预紧载荷F=30kN（b）内

部压力P=5MPa。

表3. 八螺栓模型不同螺旋缠绕垫片上接触应力的变化

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5. 4 密封性能

考虑垫片内径处的接触应力，因为内径处的应力值低于外径处并且泄漏容易在低应力区发生。图10（a）示出了带有八个螺栓的石棉填充螺旋缠绕垫片在不同螺栓预紧载荷下受内部压力时接触应力的变化。按照ASME规范对于不同内部压力的最小残余应力也绘制在此图中。对于给定的螺栓预紧力，接触应力曲线和残余应力（ASME）曲线的交点给出了其极限内部压力。

例如，针对石棉填充螺旋缠绕垫片提出的垫片系数“m”和“y”[10]分别为3和68.95MPa（1000psi）。如果一个八螺栓模型（图10（a））的螺栓预紧载荷为F=30kN，与ASME残余应力曲线的交点表明，当内部压力达到15.9MPa 时，最小接触应力达到47.70MPa（3×15.9）时将会发生泄漏。图10（b）示出了六个、八个、十个螺栓模型受到内部压力时接触应力的变化。可以看出当螺栓的数目小于给定的总螺栓预紧载荷等级（W=30×8=240kN）时，泄漏将在较低的内部压力和接触应力下发生。

表4列出了带有六个、八个、十个螺栓的垫片模型维持最小接触应力以避免泄漏的最大 …… 此处隐藏：3146字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……