王志遠(yuǎn)，李倫，3，張毅，高琦，劉興玉，趙朋舉，劉永剛

(1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2.河南科技大學(xué)，河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽(yáng) 471003；3.龍門(mén)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽(yáng) 471000；4.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所(洛陽(yáng)船舶材料研究所)，河南洛陽(yáng) 471000)

0 前言

閥門(mén)是流體管路中重要的液壓元件，在石油、化工、能源等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。閥門(mén)管路在工作過(guò)程中，由于法蘭聯(lián)接螺栓的松動(dòng)或管路流體載荷的沖擊，使得密封結(jié)構(gòu)之間發(fā)生位置變化，進(jìn)而在密封區(qū)域產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致高壓管路中介質(zhì)泄漏，極可能造成經(jīng)濟(jì)損失或環(huán)境污染[1]。因此，研究閥門(mén)-法蘭螺栓聯(lián)接的密封性能具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

閥門(mén)法蘭-盲板密封結(jié)構(gòu)通常采用螺栓聯(lián)接。諸多學(xué)者已通過(guò)理論、試驗(yàn)或有限元方法對(duì)其進(jìn)行研究，驗(yàn)證了實(shí)體螺栓聯(lián)接閥門(mén)-法蘭模型具有廣泛的適用性[2]，可用于螺栓靜態(tài)聯(lián)接的準(zhǔn)確分析[3-4]。梁瑞等人[5]采用EN法和Waters法對(duì)不同工況、不同尺寸的法蘭-螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力進(jìn)行計(jì)算分析，得出該算法所計(jì)算的預(yù)緊力能滿足密封條件。袁成乾、楊建良[6]采用ASME PCC-1與GB/T 150.3—2011(Taylor-Waters法)中兩種方法，對(duì)螺栓聯(lián)接預(yù)緊力進(jìn)行計(jì)算分析，得出不同方法預(yù)緊力有較大差異。LIAO、SUN等[7-8]通過(guò)對(duì)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得到螺栓軸向載荷及應(yīng)力分布規(guī)律，表明螺旋效應(yīng)對(duì)軸向載荷和應(yīng)力分布無(wú)關(guān)，為螺栓聯(lián)接模型簡(jiǎn)化提供了理論依據(jù)。潘嘉誠(chéng)等[9]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)法蘭盤(pán)接觸面間接觸應(yīng)力較小時(shí)，螺栓-法蘭結(jié)構(gòu)軸向剛度呈非線性。董智等人[10]采用有限元法對(duì)法蘭螺栓聯(lián)接密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：在螺栓預(yù)緊力和內(nèi)壓的作用下，螺栓應(yīng)力、墊片平均應(yīng)力近似呈線性變化。岳文駿等[11]通過(guò)對(duì)壓力容器密封性能進(jìn)行仿真計(jì)算，密封面處會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，但未能明確指出塑性變形對(duì)密封性能的影響。廖傳軍等[12-13]通過(guò)研究金屬墊片法蘭密封結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和密封機(jī)制，分析了墊片壓縮量對(duì)密封性能的影響規(guī)律。朱德等人[14]通過(guò)研究不同密封壓力下密封區(qū)域的壓力分布，為密封圈的密封性能提供了參考。

上述研究，雖然分析了預(yù)緊力對(duì)密封性能的影響，但沒(méi)有明確指出螺栓預(yù)緊力范圍下限。對(duì)于閥門(mén)密封區(qū)域，雖然分析了墊片接觸應(yīng)力或軸向壓縮量，未能指明接觸應(yīng)力或軸向壓縮對(duì)密封性能的影響。本文作者基于有限元方法，以閥門(mén)法蘭-盲板螺栓聯(lián)接為研究對(duì)象，對(duì)高壓閥門(mén)法蘭-螺栓聯(lián)接進(jìn)行密封性研究。建立閥門(mén)法蘭-盲板螺栓聯(lián)接模型，對(duì)法蘭圓周方向進(jìn)行密封性分析；通過(guò)有限元仿真分析接觸區(qū)域軸向形變、密封墊片的接觸應(yīng)力，以及開(kāi)展閥門(mén)密封性試驗(yàn)，檢驗(yàn)高壓閥門(mén)法蘭在螺栓規(guī)定預(yù)緊力工況下的密封性。

1 閥門(mén)法蘭-盲板螺栓模型簡(jiǎn)化

閥門(mén)法蘭螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)包括盲板、閥體法蘭、密封墊及螺栓。根據(jù)GB/T 9113—2010建立公稱(chēng)尺寸DN300、class2500凹凸面(MF)整體鋼制管法蘭三維實(shí)體模型。為了研究閥門(mén)盲板周向變形的差異性，采用ANSYS Workbench中Static Structural模塊，建立閥門(mén)法蘭-盲板螺栓聯(lián)接模型。在分析過(guò)程中，對(duì)閥門(mén)法蘭-盲板螺栓聯(lián)接模型做出以下假設(shè)：(1)閥門(mén)內(nèi)流體壓力引起的螺栓軸向載荷，均勻分布在各個(gè)聯(lián)接螺栓上；(2)忽略法蘭、盲板因受力變形引起的螺栓橫向載荷；(3)法蘭、盲板、螺栓受載時(shí)，恒處于彈性變形階段。

因閥門(mén)和螺栓位置的對(duì)稱(chēng)性，建立法蘭-盲板螺栓聯(lián)接1/4有限元模型，包含兩個(gè)完整螺栓以及兩個(gè)半螺栓，如圖1所示。

圖1 法蘭-盲板螺栓聯(lián)接有限元模型

其中：螺栓和螺母采用Bonded聯(lián)接，螺母與盲板上端面、法蘭與墊片、螺母與閥體法蘭下端面之間采用Frictional聯(lián)接，預(yù)緊力施加在兩螺母之間。螺紋聯(lián)接處受力較為復(fù)雜，存在較大的應(yīng)力集中，局部螺紋牙可能發(fā)生塑性變形，但螺栓整體處于彈性變形階段，因此仿真過(guò)程中忽略螺栓、螺母的螺紋對(duì)螺栓整體形變的影響。

2 周向密封性分析

2.1 螺栓預(yù)緊力的確定

對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊，是保證法蘭-盲板螺栓密封的重要步驟，合理的預(yù)緊力應(yīng)為一個(gè)范圍，其下限應(yīng)能夠滿足法蘭預(yù)密封和操作密封，上限是保證在預(yù)緊過(guò)程中螺栓不會(huì)屈服且密封墊片不會(huì)被壓潰[15]。因此對(duì)以下兩種預(yù)緊力計(jì)算方法進(jìn)行分析，以確定合理的螺栓預(yù)緊力。

2.1.1 基于螺栓強(qiáng)度的預(yù)緊力

一般規(guī)定螺紋聯(lián)接件預(yù)緊力不得大于其材料屈服強(qiáng)度σs的80%[16]，對(duì)于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓，其預(yù)緊力F0取值如下：

F0=(0.5～0.6)σsAs

(1)

式中：σs為螺栓材料的屈服強(qiáng)度，MPa；As為螺栓公稱(chēng)應(yīng)力截面積，mm2。

2.1.2 基于GB150算法螺栓預(yù)緊力

根據(jù)GB 150.3—2011壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，螺栓預(yù)緊力Fy取值為Fa與Fp+F的最大值，即

Fy=max(Fa；Fp+F)

(2)

預(yù)緊狀態(tài)下墊片最小壓緊力Fa為

Fa=3.14DGby

(3)

操作狀態(tài)下所需的墊片最小壓緊力Fp

Fp=6.28DGbmpc

(4)

內(nèi)壓引起的軸向力F為

(5)

式中：Fa為預(yù)緊狀態(tài)下墊片最小壓緊力，N；Fp為操作狀態(tài)下，所需的墊片最小壓緊力，N；F為內(nèi)壓引起的軸向力，N；DG為墊片壓緊作用圓直徑，mm；b為墊片的有效寬度，mm；m為墊片的特性參數(shù)；y為比壓力；pc為試驗(yàn)壓力，MPa。

螺栓和密封墊片參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 螺栓性能參數(shù)

表2 密封墊片性能參數(shù)

對(duì)上述建立的閥門(mén)模型進(jìn)行預(yù)緊力計(jì)算，試驗(yàn)壓力為42 MPa，基于螺栓強(qiáng)度預(yù)緊力F0=(1.5～1.8)×106N；基于GB150算法預(yù)緊力Fy=6.5×105N，且最小預(yù)緊力為1.04×105N。

由于GB150算法考慮到試驗(yàn)工況、材料屬性，且遠(yuǎn)小于螺栓強(qiáng)度法計(jì)算的預(yù)緊力。為研究預(yù)緊力范圍下限，采用GB150算法計(jì)算的預(yù)緊力進(jìn)行仿真和試驗(yàn)。

2.2 法蘭-盲板圓周結(jié)合面軸向變形分析

螺栓在法蘭周?chē)鶆蚍植?，法蘭受到預(yù)緊力和閥體內(nèi)流體壓力的聯(lián)合作用，螺栓聯(lián)接處與相鄰兩螺栓的中間部位受力不均，法蘭周?chē)l(fā)生的形變不相同。因此在盲板上提取兩條線，如圖2所示。其中Line1從圓心穿過(guò)螺栓孔中心，Line2從圓心出發(fā)，穿過(guò)相鄰兩個(gè)螺栓的中間位置，兩線間的夾角為15°。

圖2 盲板提取線

將建立的實(shí)體螺栓聯(lián)接模型在ANSYS軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真過(guò)程中，固定下閥體位置，施加預(yù)緊力Fy，大小為6.5×105N，并對(duì)盲板下表面壓力區(qū)施加42 MPa的流體壓力，仿真計(jì)算兩條線的軸向位移，分析其周向密封性。

根據(jù)盲板的軸向形變，提取兩條直線的軸向位移，其密封接觸區(qū)域位置在半徑164～185 mm，結(jié)果如圖3所示。

圖3 圓心到圓周的軸向位移

仿真數(shù)據(jù)表明：在預(yù)緊力和壓力聯(lián)合作用下，接觸區(qū)域內(nèi)法蘭軸向位移為負(fù)，接觸區(qū)域法蘭的最大軸向位移為-0.048 mm，其中Line1中的斷點(diǎn)為螺栓孔的位置；從圓心到密封區(qū)域，兩條位移曲線高度重合，法蘭邊緣軸向位移偏差約為3%(Line1法蘭邊緣為-0.269 4 mm，Line2為-0.264 2 mm)。因此該閥門(mén)法蘭-盲板采用12個(gè)螺栓聯(lián)接，能夠保證法蘭-盲板圓周結(jié)合面在軸向變形的一致性。

3 試驗(yàn)壓力和預(yù)緊力對(duì)密封性的影響

在通常情況下，閥體的密封性與緊固螺栓的預(yù)緊力和閥體內(nèi)流體的壓力有關(guān)。利用ANSYS有限元仿真，通過(guò)研究密封接觸區(qū)域法蘭軸向形變量、墊片接觸應(yīng)力與試驗(yàn)壓力、預(yù)緊力之間的關(guān)系，分析閥門(mén)密封性能的影響因素。

3.1 預(yù)緊力對(duì)密封性能的影響

在42 MPa的試驗(yàn)壓力下，對(duì)螺栓施加預(yù)緊力，大小從1×105N到6.5×105N，步長(zhǎng)為20 000 N，分析密封接觸區(qū)域法蘭內(nèi)側(cè)、外側(cè)的軸向形變，以及密封區(qū)域的最小、最大接觸應(yīng)力。由密封條件可知：墊片必須處于壓縮狀態(tài)，密封面之間須有足夠大的流體阻力，且大于由介質(zhì)內(nèi)外壓力差引起的推動(dòng)力，才能保證閥門(mén)的密封性能。圖4所示為42 MPa壓力下，預(yù)緊力為4.2×105N，密封接觸區(qū)域法蘭、墊片應(yīng)力分布情況。

圖4 42 MPa壓力下密封接觸區(qū)域應(yīng)力分布

對(duì)第1節(jié)建立的實(shí)體螺栓模型進(jìn)行仿真分析，通過(guò)改變螺栓預(yù)緊力，提取接觸區(qū)域法蘭內(nèi)側(cè)、外側(cè)的軸向形變和密封墊內(nèi)側(cè)、外側(cè)的接觸應(yīng)力，結(jié)果如圖5所示。

圖5 接觸區(qū)域形變、墊片應(yīng)力隨螺栓預(yù)緊力變化曲線

圖5表明：閥體試驗(yàn)壓力為42 MPa、螺栓預(yù)緊力為4.2×105N時(shí)，密封區(qū)域法蘭內(nèi)側(cè)變形量為0 mm，法蘭外側(cè)形變?yōu)?0.037 mm，密封區(qū)域最小接觸應(yīng)力為62 MPa，最大接觸應(yīng)力為135 MPa，符合密封條件。此時(shí)預(yù)緊力僅為GB150算法預(yù)緊力6.5×105N的65%。

在閥體法蘭密封區(qū)域，受閥體內(nèi)壓和螺栓預(yù)緊力聯(lián)合作用，法蘭軸向形變和接觸應(yīng)力均表現(xiàn)為非線性關(guān)系。仿真結(jié)果表明：在壓力確定的工況下，預(yù)緊力不是固定的數(shù)值，大于預(yù)緊力下限可以滿足閥門(mén)的密封。仿真過(guò)程中，提取墊片內(nèi)、外側(cè)的接觸應(yīng)力，墊片的內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力始終小于外側(cè)接觸應(yīng)力，當(dāng)墊片內(nèi)側(cè)不能滿足密封要求時(shí)，墊片外側(cè)起主要密封作用。

3.2 試驗(yàn)壓力對(duì)密封性的影響

采用實(shí)體螺栓聯(lián)接模型，對(duì)螺栓施加6.5×105N的預(yù)緊力，試驗(yàn)壓力從42 MPa增加至63 MPa。在預(yù)緊力確定而試驗(yàn)壓力高于額定值時(shí)，分析密封接觸區(qū)域法蘭的形變量及墊片接觸應(yīng)力，通過(guò)法蘭的形變量及墊片間接觸應(yīng)力的變化，分析閥門(mén)密封性能。

對(duì)建立的實(shí)體螺栓聯(lián)接模型進(jìn)行仿真分析，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)壓力，提取接觸區(qū)域法蘭內(nèi)側(cè)、外側(cè)的軸向形變和密封墊內(nèi)側(cè)、外側(cè)的接觸應(yīng)力，試驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 接觸區(qū)域形變、墊片應(yīng)力隨試驗(yàn)壓力變化曲線

圖6數(shù)據(jù)表明：預(yù)緊力為6.5×105N，試驗(yàn)壓力為54 MPa時(shí)，最小接觸應(yīng)力為90 MPa，最大接觸應(yīng)力158 MPa，壓力提高了28%，閥體法蘭仍可以保持密封狀態(tài)；試驗(yàn)壓力為58 MPa時(shí)，密封區(qū)域雖有分離的趨勢(shì)，但墊片仍處于壓縮的狀態(tài)，只有部分墊片起到密封作用，接觸區(qū)域最大接觸應(yīng)力為101 MPa。在密封區(qū)域，法蘭軸向形變隨著試驗(yàn)壓力增大近似線性增大；密封區(qū)域接觸應(yīng)力隨著壓力的增大近似線性減小。根據(jù)仿真接觸應(yīng)力曲線，接觸應(yīng)力受法蘭和墊片形變影響，墊片內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力始終小于外側(cè)接觸應(yīng)力，試驗(yàn)壓力較大時(shí)，墊片外側(cè)起主要密封作用。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出閥門(mén)螺栓最小預(yù)緊力是否合理及其研究方法的可行性，需對(duì)閥門(mén)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。由于DN300閥門(mén)試驗(yàn)壓力較高且極具風(fēng)險(xiǎn)性，現(xiàn)有試驗(yàn)裝備無(wú)法滿足要求。依據(jù)某公司現(xiàn)有設(shè)備及DN300閥門(mén)，通過(guò)上述方法，進(jìn)行仿真與試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)壓力5.0～7.5 MPa，驗(yàn)證閥門(mén)在預(yù)定預(yù)緊力工況下的密封性能。

3.3.1 仿真分析

根據(jù)GB/T 9113—2000建立公稱(chēng)通徑DN300、class300凸面(RF)鋼制管法蘭，如圖7所示為1/4實(shí)體螺栓聯(lián)接模型。

圖7 實(shí)體螺栓聯(lián)接有限元模型

將建立的閥門(mén)模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中仿真計(jì)算，法蘭與墊片采用Frictional聯(lián)接，根據(jù)公式(2)計(jì)算螺栓預(yù)緊力，并按照第3.1節(jié)將螺栓預(yù)緊力減小35%進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真過(guò)程中，提取閥門(mén)密封區(qū)域接觸應(yīng)力和接觸區(qū)域法蘭軸向形變。仿真結(jié)果如表3所示。

表3 仿真數(shù)據(jù)

3.3.2 試驗(yàn)分析

基于某公司閥門(mén)壓力試驗(yàn)臺(tái)，試件采用DN300、class300閥門(mén)，密封件為金屬波形墊片，緊固螺栓為M30×175 mm螺栓。試驗(yàn)采用扭矩扳手對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊，根據(jù)GB/T 26480—2011《閥門(mén)的檢驗(yàn)與試驗(yàn)》進(jìn)行檢驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8 閥門(mén)密封性試驗(yàn)裝置

閥門(mén)螺栓擰緊力矩依據(jù)表4中擰緊力矩進(jìn)行預(yù)緊并施加壓力，每種試驗(yàn)壓力下保壓10 min，用肥皂水涂抹法蘭-盲板結(jié)合面的圓周，檢驗(yàn)密封性。擰緊力矩與預(yù)緊力滿足下式：

表4 閥門(mén)密封性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

T=0.2F0d

(6)

式中：T為擰緊力矩，N·m；F0為預(yù)緊力，N；d為螺栓公稱(chēng)直徑，m。

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

閥門(mén)密封性試驗(yàn)表明，采用表4中的擰緊力矩，即將GB150算法計(jì)算的螺栓預(yù)緊力減小35%，閥門(mén)沒(méi)有泄漏現(xiàn)象。由此可知，采用上述所提出的預(yù)緊力下限，仍具有良好的密封性能。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)閥門(mén)法蘭-盲板螺栓聯(lián)接的理論計(jì)算和有限元仿真分析，得到高壓閥門(mén)法蘭-盲板螺栓聯(lián)接預(yù)緊力和試驗(yàn)壓力對(duì)密封性能的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)閥體法蘭在圓周方向螺栓處的軸向位移和兩個(gè)螺栓中間點(diǎn)處的位移曲線近似一致，表明在適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力作用下，采用螺栓聯(lián)接能保證法蘭-盲板軸向變形一致性。

(2)采用有限元方法研究法蘭密封區(qū)域內(nèi)軸向形變和墊片的接觸應(yīng)力，基于GB150算法，當(dāng)施加的預(yù)緊力為該算法的65%時(shí)或預(yù)緊力不變，提高28%試驗(yàn)壓力時(shí)，仍具有密封作用。

(3)不同螺栓預(yù)緊力、不同試驗(yàn)壓力造成接觸區(qū)域法蘭內(nèi)、外側(cè)軸向形變和墊片內(nèi)、外側(cè)接觸應(yīng)力明顯不同，墊片外側(cè)起主要密封作用。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)選擇密封區(qū)域的位置，使密封墊片獲得適當(dāng)?shù)膲嚎s量，保證閥門(mén)密封性能。