基于非线性有限元的螺栓法兰接头应力分析

130研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术中国设备工程 2019.03 (上)螺栓法兰接头是石化、核电等领域中最常用的一种静密封连接结构。

目前，法兰设计方法主要依据ASME 规范，该方法未考虑密封性能。

基于此，美国、欧盟提出了新的基于紧密度的法兰设计方法及垫片系数，这些垫片系数的标准测试方法中均规定采用刚性平板对垫片施加压缩载荷，即整个接触面上垫片的接触应力是均匀的。

然而，螺栓法兰接头工作时由于受到螺栓载荷及内压的作用会发生偏转，导致垫片应力分布不均匀。

试验研究表明，螺栓法兰接头的泄漏率不仅取决于垫片平均接触应力，还与垫片应力在宽度方向上的分布有关。

准确的评估由于法兰偏转引起的垫片应力在宽度方向上的分布情况可以对法兰进行优化设计，在满足密封性能要求的基础上避免法兰过量偏转或过大的螺栓预紧载荷。

国内外学者试图通过试验测试的方法获得垫片应力的分布情况，但受限于测试技术，这些研究工作只能定性了解垫片应力分布。

Kobayashi 等人将法兰和垫片简化为空心圆筒，基于三维弹性理论分析了垫片接触应力的分布；Bouzid 等人考虑垫片材料的非线性，基于弹性地基梁的理论建立了理论模型，分析法兰的偏转及垫片接触应力在径向上的分布。

但由于螺栓法兰接头非常复杂，这些理论模型中存在大量的假设和简化。

本文采用ABAQUS 有限元软件，考虑垫片材料的非线性，研究了螺栓预紧载荷、介质内压和法兰尺寸对法兰的偏转角度及垫片接触应力的影响。

1 非线性有限元模型1.1 几何模型模型中法兰选择HG/T 20615标准中Class300的长颈对焊法兰，垫片为带内外环的石墨缠绕垫，法兰和垫片的几何结构及尺寸如基于非线性有限元的螺栓法兰接头应力分析王璐，薛吉林（合肥通用机械研究院有限公司，国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽 合肥 230031） 摘要：考虑法兰接头各元件之间的相互作用以及垫片材料的非线性，建立了管法兰接头的三维有限元模型，研究了螺栓预紧载荷、介质内压和法兰尺寸对法兰的偏转角度及垫片接触应力的影响。

结果表明：螺栓预紧载荷及介质内压的增加均会造成法兰偏转角的增大，从而引起垫片接触应力沿径向方向分布的不均匀程度变大；法兰直径越大，其垫片应力在径向上分布越不均匀；对较小直径的法兰，轴向螺栓力随介质内压的增加而增大，对大直径的法兰，轴向螺栓力随内压增加而减小。

关键词：非线性；法兰接头；垫片应力；有限元分析中图分类号：TB42 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）03（上）-0130-03图1所示。

1.2 材料属性法兰及螺栓材料均假设为各向同性的线弹性体，其中法兰材料为16Mn 锻件，弹性模量和泊松比分别为206GPa 和0.3；螺栓材料为35CrMoA，弹性模量和泊松比分别为206GPa 和0.3；垫片材料的压缩回弹曲线如图2所示。

图2 柔性石墨缠绕垫片的压缩回弹曲线1.3 网格划分考虑螺栓法兰接头几何结构的对称性，选取整体结构的1/M（M 为螺栓个数）模型进行分析。

法兰、螺栓和螺母均采用C3D8R 单元，垫片采用GK3D8N 单元（表1）。

1.4 载荷及约束不考虑螺栓螺母之间的摩擦。

法兰和垫片以及法兰和螺母之间为面-面接触，摩擦系数为0.2。

对下法兰端面施加固定约束，上法兰端面自由。

与介质接触的法兰内壁施加内压，在与上法兰连接的管道端面施加内压引起的等效轴向拉力。

2 有限元计算结果及讨论2.1 法兰偏转角度图3给出了不同尺寸的管法兰接头，法兰偏转角度随螺栓预紧载荷的变化情况。

图4为四种尺寸的管法兰接头，当初始垫片应力90MPa 时法兰偏转角度随介质内压的变化关系。

预紧工况下，法兰公称直径越大，法兰偏转角度越大；法兰偏转角度随螺栓预紧载荷的增大显著增加。

当介质压（a）法兰（b）垫片图1 模型中法兰和垫片的几何结构及尺寸131中国设备工程Engineer ing hina C P lant中国设备工程 2019.03 （上）力施加后，偏转角度增加；随介质压力的增加法兰偏转角度略有增加。

图3 法兰偏转角度随初始垫片预紧应力的变化图4 法兰偏转角度随介质压力的变化2.2 垫片接触应力图5所示为DN600的法兰接头在不同的螺栓预紧载荷及介质内压作用时，垫片接触应力在垫片宽度上的分布情况。

预紧状态下，由于螺栓载荷的作用，法兰发生偏转，垫片内径接触应力减小，外径增大，垫片接触应力从内径到外径逐渐增大。

当初始垫片应力为130MPa 时，垫片内径接触应力为114MPa，外径处应力为150MPa。

在工作状态下，由于介质压力的作用，两法兰密封面发生分离，垫片接触应力整体减小。

图5 DN600法兰接头垫片接触应力沿垫片宽度的分布图6（a）所示为预紧状态下，不同公称直径的法兰接头其垫片应力沿径向方向的分布情况。

对四种尺寸的法兰接头，初始垫片平均应力均为90MPa。

由图可见，法兰尺寸对垫片应力在径向上的分布有显著影响。

公称直径较大的法兰，其垫片应力沿径向的变化远大于公称直径较小的法兰，如对DN80的法兰接头，内外径垫片应力差为4MPa，而DN600的法兰接头，内外径垫片应力差为24MPa。

图6（b）所示为内压4MPa 时，不同公称直径的法兰连接其垫片应力沿径向方向的分布情况。

从图中可见，当有内压作用时，公称直径较大的法兰其垫片接触应力的减小要大于公称直径较小的法兰。

（a）初始预紧（b）内压4MPa图6 不同尺寸的法兰连接其垫片应力沿径向的分布情况 表1 模型中螺栓法兰接头结构尺寸 mm DN80DN200DN400DN600B78200372575A 88.9219.1406.4610N 117260483702d 127269.9469.9692.2K 168.3320.2571.5812.8D 210380650915f 2222C 2739.755.668.3H 78110144167n 8122024L 22263642D181215.9400603.3D2101.6233.4422.4628.7D3120.7263.7463.6685.8D4148.5306538.5774t 3333T4.54.54.54.5132研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术中国设备工程 2019.03 (上)2.3 螺栓载荷图7所示为不同公称直径法兰的轴向螺栓力随介质内压的变化关系，其中横坐标为介质内压，纵坐标为内压作用时轴向螺栓力与螺栓预紧力的比值。

对四种尺寸的法兰，垫片预紧应力均为90MPa。

从图中可以看出，内压对螺栓载荷的影响与法兰的尺寸密切相关。

对轴向螺栓力与螺栓预紧力的比值进行分析。

对四种尺寸的较小直径的法兰接头，轴向螺栓力随介质内压的增加而增大；但对大直径的法兰接头，轴向螺栓力大小却随介质内压的增加而减小。

其原因主要是由于法兰直径越大，偏转角度越大。

图7 不同尺寸的法兰接头其轴向螺栓力随介质内压的变化3 结语（1）法兰偏转会引起垫片内径处应力减小，外径处应力增大；随螺栓预紧载荷及介质内压的增大，法兰偏转角度增大，垫片接触应力沿径向方向分布的不均匀程度变大。

（2）法兰直径越大，其垫片应力在径向上分布越不均匀；当有内压作用时，公称直径较大的法兰其垫片接触应力的减小要大于公称直径较小的法兰。

（3）内压对螺栓载荷的影响与法兰的尺寸密切相关，对较小直径的法兰，轴向螺栓力随介质内压的增加而增大，对大直径的法兰，轴向螺栓力随内压增加而减小。

参考文献: [1]王璐,薛吉林.法兰接头预紧过程中垫片应力场数值模拟分析[J].管道技术与设备,2018,(06): 52-56.[2]Bouzid, A.H., Derenne, M. Analytical Modeling of Contact Stress with Nonlinear Gasket [J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2002,124:47-53.[3]刘富,施纪泽.密封元件密封面接触应力的测量[J].实验力学, 1993,8(04):375-378.[4]安源胜,蔡仁良.垫片接触应力测试研究[J].石油化工设备,1998，27(05):14-16.煤粉流量调节阀是干煤粉加压气化工艺中的关键设备。

由于该阀门是用来调节进入气化炉的煤粉流量，要求精度较高，一旦出现波动就会对整个装置产生较大影响。

另外，该阀门的介质为高压浓相气载煤粉，用普通的单座调节阀会出现堵塞现象，在使用过程中阀门也会因异物进入导致卡涩；高压气载煤粉对阀内件的冲刷磨损严重，需定期更换。

因此，如何解决煤粉流量调节阀的堵塞、卡涩和易磨损问题已成煤化工企业亟需解决的问题。

1 阀门工艺特点干煤粉气化工艺中的关键是控制气化炉中氧气的含量和煤粉的含量，即氧气和煤粉的比例控制。

氧气流量的控制靠氧气调节阀、煤粉流量的控制依靠煤粉流量调节阀。

因此煤粉流量调节阀和氧气调节阀是干煤粉气化工艺的两个生命线，一旦出现问题就会产生重大安全隐患。

煤粉流量调节阀位于煤粉输送工段，在高压氮气的作用下，将粉煤经过煤粉流量调节阀输送到气化炉中，整个输送防异物卡涩及易维护型煤粉流量调节阀的设计明友，王渭，陈凤官，耿圣陶，余宏兵(合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)摘要：针对干煤粉气化工艺中的煤粉流量调节阀易堵塞、卡涩、内件维护成本高等问题，提出一种具有防堵塞、卡涩、易维护的煤粉流量调节阀，实现了高压气载煤粉的稳定调节，为煤化工企业的长周期稳定运行提供了保障。

关键词：卡涩；维护；煤粉；调节阀中图分类号：TQ545 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）03（上）-0132-02过程中通过煤粉流量调节阀来控制煤粉的流量，用传感器来监测煤粉密度以及介质的输送速度（如图1）。

图1 煤粉流量调节阀工艺流程图2 结构特点阀门倒置安装，高压气载煤粉从进口短接进入，经过阀体内衬进入阀芯，通过单边开U 型窗口的桶装阀芯进入与阀体成60°的斜出口排出。

由气动驱动装置驱动阀杆带动阀芯在阀体内上下运动，阀芯在上下运动过程中靠改变阀芯上。