彭 飛

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299）

0 引言

螺栓法蘭接頭因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸方便、強(qiáng)度高被廣泛應(yīng)用于石油化工、壓力容器和管道連接中。同時(shí)，法蘭接頭也是發(fā)生泄漏和逸出的主要源頭之一，有報(bào)導(dǎo)稱有的工廠總揮發(fā)物逸出中，來(lái)自法蘭的占了28%。法蘭接頭一旦失效，將會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備和管線的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備故障和停工。據(jù)統(tǒng)計(jì)，螺栓載荷或墊片應(yīng)力不足是導(dǎo)致法蘭接頭失效的重要原因之一。本文利用有限元法對(duì)法蘭接頭在一定預(yù)緊力下作了密封接觸分析，對(duì)于分析和驗(yàn)證法蘭接頭的密封性具有一定的實(shí)際意義。

1 有限元模型的建立

如圖1所示，法蘭接頭由法蘭盤、墊片和螺栓組成。法蘭盤所用材料的彈性模量為2.16×105MPa，泊松比為0.3，螺栓和墊片所用材料的彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.3。為了得到好的網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)法蘭接頭的倒圓、倒角和螺栓組進(jìn)行了簡(jiǎn)化。同時(shí)，采用了1/6模型進(jìn)行有限元模型的建立，再利用周期對(duì)稱得到整體的分析結(jié)果。這樣，網(wǎng)格數(shù)量只有整體的1/6，極大的減少了計(jì)算量和操作步驟。

圖1 法蘭接頭模型

創(chuàng)建局部圓柱坐標(biāo)系，軸線方向設(shè)置為Z軸，徑向方向設(shè)置為X軸，周向設(shè)置為Y軸，并設(shè)置周期對(duì)稱，選擇1/6模型的上面的3個(gè)側(cè)面為L(zhǎng)ow Boundary。下面的3個(gè)側(cè)面為High Boundary。

圖2 圓柱坐標(biāo)系的建立和周期對(duì)稱的設(shè)置

本文采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分對(duì)法蘭接頭進(jìn)行劃分，控制Body Sizing為5mm。建立完的有限元模型共有66 680個(gè)節(jié)點(diǎn)，40 899個(gè)單元，網(wǎng)格單元質(zhì)量較好，能夠比較精確的進(jìn)行計(jì)算。

圖3 1/6有限元模型

2 法蘭接頭的密封接觸分析

設(shè)置法蘭接頭內(nèi)部壓強(qiáng)為10MPa，螺栓預(yù)緊力為20 000N。經(jīng)計(jì)算，得到1/6模型的位移云圖，由圖4可知法蘭接頭的位移云圖左右完全對(duì)稱，這是由于法蘭接頭只受到了螺栓預(yù)緊力的外力，而沒(méi)有任何其他沿Y軸方向的外力，最大位移為0.08mm，位于管道管壁處，由內(nèi)部壓力產(chǎn)生的徑向位移和軸向位移組成。由整體徑向位移云圖可知，法蘭接頭大部分處于膨脹狀態(tài)，最大位移為0.026mm，法蘭盤內(nèi)側(cè)位移為-0.0085mm，是負(fù)值，這是由于法蘭接頭膨脹，螺栓產(chǎn)生彎曲變形，法蘭盤外側(cè)向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的。從管道橫截面的位移云圖看，變形均為正向，變形值為 0.0051～0.0057mm，可見(jiàn)管道處的變形主要為徑向變形。

圖4 1/6模型的位移云圖

圖5 整體徑向位移云圖

圖6 管道橫截面位移云圖

由圖7可知，最大應(yīng)力為200.34MPa，位于螺母與法蘭表面接觸的位置。為了更好的分析螺栓縱切面內(nèi)的應(yīng)力分布，筆者在該位置建立一個(gè)平面，得到了該面內(nèi)的應(yīng)力云圖，從圖8中可以知道，螺栓的最大應(yīng)力為198.25MPa，位于螺母根部，此位置產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中。而螺栓內(nèi)部的應(yīng)力分布并不對(duì)稱，內(nèi)側(cè)的應(yīng)力較大，外側(cè)的應(yīng)力較小，這是由于法蘭接頭內(nèi)部壓力使法蘭接頭向外膨脹，造成螺栓發(fā)生彎曲變形。

圖7 1/6模型的應(yīng)力云圖

圖8 螺栓縱截面應(yīng)力云圖

法蘭接頭是利用螺栓預(yù)緊力來(lái)壓緊墊片和法蘭盤，使墊片發(fā)生彈性變形或塑性變形，從而使墊片和法蘭之間接觸平面的凹凸不平及微小間隙得到填充，進(jìn)而減小液體泄漏的截面積，使其從間隙泄漏的阻力增大從而保證密封性能的。

由法蘭盤與墊片接觸壓強(qiáng)云圖9可知，其最大壓強(qiáng)為69.05MPa，位于墊片與法蘭盤接觸的最外側(cè)，遠(yuǎn)大于內(nèi)部壓強(qiáng)10MPa，且紅色部分形成一個(gè)封閉環(huán)，能夠保障法蘭接頭不發(fā)生泄露。

圖9 法蘭盤與墊片接觸壓強(qiáng)云圖

3 結(jié)論

在螺栓預(yù)緊力和內(nèi)部壓強(qiáng)的作用下，法蘭接頭產(chǎn)生一定程度的膨脹變形，最大值為0.026mm，螺栓發(fā)生彎曲變形，法蘭盤產(chǎn)生一定的翻轉(zhuǎn)變形。最大應(yīng)力發(fā)生在螺母與法蘭盤接觸的位置，最大值為200.34 MP，小于材料的屈服應(yīng)力。法蘭盤與墊片的接觸壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于內(nèi)部壓強(qiáng)10MP，法蘭接頭不會(huì)發(fā)生泄漏。在20 000N的螺栓預(yù)緊力作用下，法蘭接頭能夠滿足使用要求。