螺栓法兰连接系统的热应力场

郑小涛，陈 瑶，喻九阳，徐建民，王成刚

化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室(武汉工程大学)，湖北 武汉 430205

0 引 言

法兰连接由一对法兰、垫片和螺栓组成，借助螺栓把两部分设备连接在一起，并压紧垫片使连接处紧密不漏.在压力容器应力分析中，法兰具有特殊性，因为法兰本身就是一个承受外载荷的结构部件，而且法兰连同螺栓和垫片一起成为一个承受初始预紧力的装配结构(也称为螺栓法兰系统)，而失效主要表现为泄露，因此要解决法兰连接的问题，需要对整个系统的特性进行分析.文献[1]是比较二维轴对称力学模型和三维实体模型在螺栓法兰系统中的差别，文献[2]采用了接触有限元方法计算螺栓法兰垫片三者之间的相互作用，指出法兰接头密封时管道内压是一个不可忽略的计算因素，文献[3]通过三维建模软件与ANSYS workbench有限元软件实现无缝对接，直接将Inventor建立的三维模型导入ANSYS workbench中进行有限元单元网格的划分与受力分析，其中拉杆的等效应力最大达到1 428 MPa，文献[4]的结果表明接触设置方式对应力集中系数影响最大.

1 螺栓法兰几何模型及参数

选择DN=100 mm，PN=6 MPa的法兰，上下法兰相同，材料为1.25Cr1Mo；螺栓型号为M16，4个，材料为25Cr2MoVA；垫片选择金属缠绕垫，材料为00Cr17Ni14Mo2，螺母型号为M16，4个，材料为35CrMoA.对计算模型进行如下简化：

(1)螺纹牙型为三角型.

(2)忽略螺旋角的存在.

(3)在100 ℃内所有材料的屈服应力不发生变化.

法兰及垫片具体尺寸如图1和图2所示.材料参数如表1所示.

图1 法兰几何尺寸Fig.1 Geometrical model of flange

图2 垫片几何尺寸Fig.2 Geometrical model of Gasket

表1 螺栓法兰系统材料参数Table 1 Material parameters of bolted flanged system

2 螺栓法兰系统有限元模型

2.1 网格模型

有限元模型是基于软件ABAQUS建立的，其网格划分模型如图3所示.

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 边界条件

2.3 接触条件

螺栓与螺母设置接触，螺栓及螺母与法兰设置面面接触.

2.4 加载次序

(1)施加少量的预紧力5 N.

(2)施加所有的预紧力19 265 N，该预紧力由F0=(0.5～0.6)σsAs(σs是螺栓材料屈服点，MPa，As是螺栓公称应力截面积，mm2).

(3)保持螺栓预紧时的长度不变，添加温度场.

3 分析结果

采用热力顺序耦合的方法计算螺栓法兰系统的应力场，主要进行三个分析，首先分析螺栓法兰系统的温度场，接着研究螺栓法兰系统施加预紧力与温度时的应力场.

3.1 温度场结果

分析螺栓法兰系统的温度场，螺栓法兰系统的对流换热系数参考文献[6],当工作温度为100 ℃时，系统的温度场由图4有，管道以及法兰内侧温度均为100 ℃，最低温度为81 ℃位于螺栓底侧，法兰最外侧温度为86 ℃.在没有特别散热情况下，螺栓法兰整体温度都在80 ℃以上，说明工作温度对法兰整体温度有较大影响.

图4 螺栓法兰系统温度场Fig.4 Temperature field of bolted flanged system

3.2 施加预紧力时的应力分布

分析的目的是比较在预紧力作用时温度场的存在与否对于整个应力场的影响大小，且主要研究对象为螺栓与螺母.于是根据需要定义几条研究路径，路径如图5所示，这几条路径都是设置在螺栓的轴向方向.重点分析路径1上的mises等效应力、切向应力、轴向应力、径向应力以及路径2、3上的mises等效应力.

图5 研究路径图Fig.5 Analysis path

图6至图9是路径1上的应力分析，图6是路径1上的mises应力，其中一条线是未施加温度场，仅施加预紧力的一个应力分布，另外一条是同时作用预紧力以及温度场的一个应力场结果.由该结果发现温度场对螺栓螺母接触部位和螺栓法兰接触部位影响大，对于螺栓中间部位影响小.图7是路径1上的切向应力，由该图可知螺栓中部切向应力近似为0 MPa，切应力在螺栓与法兰接触部位受温度场影响明显.图8是路径1上的轴向应力，两条线几乎重合，表明温度场不影响螺栓路径1处的轴向力.图9是路径1上的径向应力，其趋势与切向应力一致，螺栓中部的径向应力也是近似为0 MPa.图10是路径2上的Mises应力，图11是路径3上的Mises应力.比较图6、图10、图11，可知螺栓靠近法兰内侧的等效应力是大于螺栓法兰外侧的等效应力.

图6 路径1上的mises应力Fig.6 Mises stress on path1注：

图7 路径1上的切向应力Fig.7 Tangential stress on path1注：

图8 路径1上的轴向应力Fig.8 Axial stress on path1注：

图9 路径1上的径向应力Fig.9 Radial stress on path1注：

图10 路径2上的mises应力Fig.10 Mises stress on path2注：

图11 路径3上的mises应力Fig.11 Mises stress on path3注：

4 结 语

(1)螺栓靠近法兰一侧的螺纹受力更大，应力增加值最大超过100 MPa.

(2)螺栓中部只受轴向力，不受切向力与径向力，并且温度场也不影响螺栓中部的应力.

(3)温度场影响螺栓两端的应力，对螺栓头的影响更为明显，应力增加值最大为250 MPa.

致 谢

感谢国家自然科学基金委员会和湖北省教育厅的资助！

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