趙登東

哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司 （河北秦皇島 066206）

影響法蘭密封的主要因素有螺栓預(yù)緊力、墊片密封性能、法蘭密封面特征、法蘭剛度和螺栓剛度、操作條件等。預(yù)緊力是影響密封的一個重要因素，合適的預(yù)緊力可保證墊片在工作時保留一定的密封比壓，預(yù)緊力過大則會把墊片壓壞或擠出，從而破壞密封。另外，當(dāng)剛度不足時，法蘭會產(chǎn)生過大翹曲變形而導(dǎo)致密封失效。

利用ANSYS有限元分析軟件對法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析，找到合適的螺栓預(yù)緊力，既能滿足密封，又不會使法蘭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形而導(dǎo)致密封失效或強(qiáng)度不足。

1 密封結(jié)構(gòu)介紹

密封結(jié)構(gòu)為某核電壓力容器人孔裝置，結(jié)構(gòu)見圖1。該設(shè)備的技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力為3.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度為300℃，工作介質(zhì)為河水；水壓試驗(yàn)壓力為4.03 MPa，溫度為20℃。墊片采用石墨纏繞墊片，螺柱螺紋規(guī)格為M36×3，材料為0Cr17Ni12Mo2，人孔內(nèi)徑為448 mm。

2 螺栓預(yù)緊力的計(jì)算

一般情況下，在確定螺栓預(yù)緊力時應(yīng)綜合考慮法蘭操作工況、外載荷、法蘭剛度、允許泄露率、墊片性能及螺栓上緊方式等因素，按法蘭當(dāng)量計(jì)算壓力計(jì)算螺栓預(yù)緊載荷。單個螺栓最小和最大預(yù)緊力可

圖1 人孔裝置結(jié)構(gòu)

式中：pe為等效壓力，MPa；

M為外部彎曲力矩，N·mm；

G為墊片負(fù)荷作用位置直徑，mm；

pr為徑向載荷，N；

p 為內(nèi)壓，MPa；

Wa為墊片安裝所需最小螺栓載荷，N；

b為墊片有效密封寬度，mm；

y為墊片比壓力，MPa

F為內(nèi)壓引起的總軸向力，N；參考如下方法進(jìn)行計(jì)算：

Fp為操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N；

m為墊片系數(shù)；

Wp為操作狀態(tài)下初始要求的最小螺栓載荷，N。

密封要求總的預(yù)緊力W=Wa或Wp中的較大者。

考慮到螺栓緊固時的摩擦力和緊固工具的精度等因素，密封面在第一次擰緊后幾乎總是松弛的，初始預(yù)加載荷松弛10%～20%也非常普遍，因此，需要量W的額外預(yù)加載荷來補(bǔ)償密封面的這種“松弛”。螺栓預(yù)緊力建議取最大預(yù)緊力的上限，必要時可將預(yù)緊力提高10%；也有國外案例按螺栓屈服應(yīng)力的50%作為螺栓預(yù)緊力計(jì)算。在確定預(yù)緊載荷的同時，還需考慮墊片在所提供螺栓預(yù)緊載荷的作用下應(yīng)獲得適宜的壓縮量。

3 密封結(jié)構(gòu)有限元分析情況

人孔裝置是一種可拆卸的密封結(jié)構(gòu)，由人孔蓋、人孔法蘭，墊片及其緊固件組成，該結(jié)構(gòu)具有軸對稱性，對其建立1/4模型，見圖2。

圖2 人孔裝置模型

螺栓、螺母、筒體、法蘭蓋和人孔法蘭都選用SOLID185單元，但各模擬元件具有不同的材料特性：墊片采用INTER195單元進(jìn)行模擬，墊片材料彈性模量根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)手冊選取，纏繞墊片型號為N569；墊片、螺母與上下法蘭和法蘭蓋之間的接觸采用面面接觸單元TARGR170和CONTA175進(jìn)行模擬，接觸面相對滑動摩擦系數(shù)取0.3；螺栓預(yù)緊力模擬采用螺栓預(yù)緊單元PRETS179。

在邊界處理上，由于人孔結(jié)構(gòu)、載荷和約束都具有軸對稱性，因此，在有限元模型的三個對稱平面上施加對稱約束，同時在筒體的端部施加軸方向的位移約束。

人孔密封結(jié)構(gòu)有預(yù)緊和加內(nèi)壓兩種工況。預(yù)緊工況的載荷是給人孔螺栓施加螺栓預(yù)緊力，根據(jù)公式（1）～（4）計(jì)算得到最小螺栓預(yù)緊力，然后依次增加最小預(yù)緊力的10%，20%，30%以及選取屈服應(yīng)力的50%作為螺栓預(yù)緊力。內(nèi)壓按設(shè)計(jì)壓力3.0 MPa輸入計(jì)算。圖3和圖4是在操作工況下，螺栓預(yù)緊力為59 kN，內(nèi)壓為3.0 MPa時的應(yīng)力云圖和變形情況。圖3中：最大應(yīng)力值在螺母與法蘭蓋的接觸處，為288 MPa；其次是接管與筒體連接處，應(yīng)力值為285 MPa；法蘭環(huán)壓緊處有從內(nèi)向外的閉合趨勢。圖4中：最大應(yīng)力值在螺栓的一個側(cè)面上，為269.8 MPa；在內(nèi)壓和螺栓預(yù)緊力共同作用下，法蘭環(huán)壓緊處從內(nèi)向外有閉合變形，導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，在彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用下，螺栓發(fā)生彎曲變形。圖5顯示了人孔結(jié)構(gòu)在預(yù)緊工況下螺栓預(yù)緊力為59 kN時，墊片和螺母的接觸壓力分布。圖6顯示了人孔結(jié)構(gòu)在操作工況下螺栓預(yù)緊力為59 kN時，施加內(nèi)壓3.0 MPa后，墊片和螺母的接觸壓力分布。從圖5和圖6可看出：螺母的接觸壓力最大，預(yù)緊工況下為95.6 MPa，操作工況下為134 MPa；墊片的接觸壓力在預(yù)緊工況下為53 MPa，在操作工況下為21 MPa。這是因?yàn)椴僮鞴r下由于內(nèi)壓軸向壓力的作用，墊片的壓緊力減小，螺母壓緊力增大。

圖3 操作工況下應(yīng)力云圖

4 計(jì)算結(jié)果的對比分析

表1列出預(yù)緊工況和操作工況下不同預(yù)緊力（A～E）的墊片接觸壓力和操作工況下不同預(yù)緊力下密封結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值及其位置。

圖4 操作工況下變形情況

圖5 墊片和螺母的接觸壓力分布情況

圖6 操作工況下墊片和螺母的接觸壓力分布情況

從表1可看出，給螺栓施加最小的預(yù)緊力也能滿足操作工況墊片密封的最小壓力（12.5 MPa）要求，B～D組隨著預(yù)緊力的增大，人孔結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值也增大，但不影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求。在石墨墊片壓緊力低于屈服強(qiáng)度壓緊力時，增大墊片壓緊力可使墊片回彈能力提高，進(jìn)而使法蘭面與墊片密封面間有較大的彈性接觸，增加介質(zhì)泄露的阻力，提高密封性能。如果選取屈服應(yīng)力的50%作為螺栓預(yù)緊力，螺栓最高應(yīng)力達(dá)到448 MPa，螺栓局部會造成屈服。從預(yù)緊力的松弛、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度方面綜合考慮，螺栓預(yù)緊力最小值選取C組對應(yīng)的數(shù)據(jù)，最大值選取D組對應(yīng)的數(shù)據(jù)，這樣既可以保證法蘭連接的密封性能，又可以防止法蘭或螺栓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（或剛度）的不足。

表1 不同預(yù)緊力下墊片接觸壓力及量大應(yīng)力位置

5 結(jié)語

預(yù)緊力是法蘭連接系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一。通過公式計(jì)算和有限元計(jì)算的對比分析，可以找到比較理想的螺栓預(yù)緊力范圍，既可以保證密封效果，又可以避免在預(yù)緊力過大的情況下造成法蘭局部應(yīng)力過大或法蘭剛度不足而導(dǎo)致密封失效。墊片與螺母之間摩擦力的不同導(dǎo)致每個螺栓的預(yù)緊程度不同（即每個螺栓的受力狀態(tài)不同），引起螺栓孔周圍的受力情況不同，所以在保證預(yù)緊力的前提下，應(yīng)盡量使每個螺栓的預(yù)緊力保持一致。