法兰接头预紧力密封接触分析
2020-04-01彭飞
彭 飞
(唐山工业职业技术学院,河北 唐山 063299)
0 引言
螺栓法兰接头因结构简单、拆卸方便、强度高被广泛应用于石油化工、压力容器和管道连接中。同时,法兰接头也是发生泄漏和逸出的主要源头之一,有报导称有的工厂总挥发物逸出中,来自法兰的占了28%。法兰接头一旦失效,将会对整个设备和管线的正常运行造成严重影响,进而导致设备故障和停工。据统计,螺栓载荷或垫片应力不足是导致法兰接头失效的重要原因之一。本文利用有限元法对法兰接头在一定预紧力下作了密封接触分析,对于分析和验证法兰接头的密封性具有一定的实际意义。
1 有限元模型的建立
如图1所示,法兰接头由法兰盘、垫片和螺栓组成。法兰盘所用材料的弹性模量为2.16×105MPa,泊松比为0.3,螺栓和垫片所用材料的弹性模量为2.11×105MPa,泊松比为0.3。为了得到好的网格质量,对法兰接头的倒圆、倒角和螺栓组进行了简化。同时,采用了1/6模型进行有限元模型的建立,再利用周期对称得到整体的分析结果。这样,网格数量只有整体的1/6,极大的减少了计算量和操作步骤。
图1 法兰接头模型
创建局部圆柱坐标系,轴线方向设置为Z轴,径向方向设置为X轴,周向设置为Y轴,并设置周期对称,选择1/6模型的上面的3个侧面为Low Boundary。下面的3个侧面为High Boundary。
图2 圆柱坐标系的建立和周期对称的设置
本文采用自动网格划分对法兰接头进行划分,控制Body Sizing为5mm。建立完的有限元模型共有66 680个节点,40 899个单元,网格单元质量较好,能够比较精确的进行计算。
图3 1/6有限元模型
2 法兰接头的密封接触分析
设置法兰接头内部压强为10MPa,螺栓预紧力为20 000N。经计算,得到1/6模型的位移云图,由图4可知法兰接头的位移云图左右完全对称,这是由于法兰接头只受到了螺栓预紧力的外力,而没有任何其他沿Y轴方向的外力,最大位移为0.08mm,位于管道管壁处,由内部压力产生的径向位移和轴向位移组成。由整体径向位移云图可知,法兰接头大部分处于膨胀状态,最大位移为0.026mm,法兰盘内侧位移为-0.0085mm,是负值,这是由于法兰接头膨胀,螺栓产生弯曲变形,法兰盘外侧向内侧翻转所导致的。从管道横截面的位移云图看,变形均为正向,变形值为 0.0051~0.0057mm,可见管道处的变形主要为径向变形。
图4 1/6模型的位移云图
图5 整体径向位移云图
图6 管道横截面位移云图
由图7可知,最大应力为200.34MPa,位于螺母与法兰表面接触的位置。为了更好的分析螺栓纵切面内的应力分布,笔者在该位置建立一个平面,得到了该面内的应力云图,从图8中可以知道,螺栓的最大应力为198.25MPa,位于螺母根部,此位置产生了一定程度的应力集中。而螺栓内部的应力分布并不对称,内侧的应力较大,外侧的应力较小,这是由于法兰接头内部压力使法兰接头向外膨胀,造成螺栓发生弯曲变形。
图7 1/6模型的应力云图
图8 螺栓纵截面应力云图
法兰接头是利用螺栓预紧力来压紧垫片和法兰盘,使垫片发生弹性变形或塑性变形,从而使垫片和法兰之间接触平面的凹凸不平及微小间隙得到填充,进而减小液体泄漏的截面积,使其从间隙泄漏的阻力增大从而保证密封性能的。
由法兰盘与垫片接触压强云图9可知,其最大压强为69.05MPa,位于垫片与法兰盘接触的最外侧,远大于内部压强10MPa,且红色部分形成一个封闭环,能够保障法兰接头不发生泄露。
图9 法兰盘与垫片接触压强云图
3 结论
在螺栓预紧力和内部压强的作用下,法兰接头产生一定程度的膨胀变形,最大值为0.026mm,螺栓发生弯曲变形,法兰盘产生一定的翻转变形。最大应力发生在螺母与法兰盘接触的位置,最大值为200.34 MP,小于材料的屈服应力。法兰盘与垫片的接触压强远大于内部压强10MP,法兰接头不会发生泄漏。在20 000N的螺栓预紧力作用下,法兰接头能够满足使用要求。