多锥面法兰几何特性对法兰联接应力松弛的影响研究

祝明威，于东林*，张 彬，赵伟刚

(1.吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林机电工程学校，吉林 吉林 132101；3.西安航天动力研究所，陕西 西安 710100)

法兰联接应力松弛是指在法兰螺栓预紧，法兰正常联接后，随着时间的推移，法兰连接面应力减小的现象.常规法兰联接包括法兰、密封垫片和联接螺栓，称为法兰联接系统.法兰联接应力松弛，是法兰联接失效的主要原因[1-2]，到目前为止，业界围绕着法兰、垫片和联接螺栓的法兰系统展开的法兰联接应力松弛失效研究与治理有许多，并且也对法兰联接系统做了结构上的改造，如紧凑法兰联接，但这些研究结果在对法兰联接应力松弛的减小和避免上并没有达到理想的效果.本文设计了一种新型的多锥面法兰联接，并对联接应力松弛的情况做以验证，对影响应力松弛的几何特性做了实验和研究.该型法兰近几年才在国内出现，理论研究较少，多用于高温、高压、易燃、易爆等特殊环境，应用前景广阔[3].

1 多锥面法兰的结构与特征

1.1 多锥面法兰的结构形式

多锥面法兰是把法兰联接结合面改成联接装配面，改变原来标准法兰盘的厚度尺寸，在一对联接法兰的原有结合面上，分别加工出两个环形T型槽，法兰安装时原来结合面就形成了装配关系；同时，把法兰联接的光螺栓孔改为螺纹孔，即法兰联接时使用螺纹联接.显而易见，这种法兰联接不能使用垫片，靠法兰装配的两道T型槽形成迷宫式密封结构,一对法兰要形成A-B式法兰装配，以保证锥面形成合适装配[4].具体法兰结构形式如图1所示.

图1 多锥面法兰结构形式

1.2 多锥面法兰的几何特征

多锥面法兰联接对减小法兰联接应力松弛是比较有效的，但其加工的精度要求较常规的标准法兰要高[5].从几何特征上看，一方面法兰盘T型槽的加工要求较高，要有良好的尺寸精度、良好的形状精度和良好的表面质量；另一方面，法兰盘的径向尺寸和轴向尺寸要求比较严格，形体的同轴度要求也比较高.多锥面法兰目前作为非标准件，从T型槽的角度、开槽尺寸，到法兰盘径向和轴向尺寸，都要以法兰联接的强度、刚度和防止应力松弛的效果等方面来进行研究优化，以达到产品的系列化和规范化.目前，经过理论研究和实践验证，已经对多锥面法兰进行了初步的系列化和规范化设计[6-7].

2 多锥面法兰几何特性对应力松弛的影响

经过实际使用验证，多锥面法兰对减小法兰联接应力松弛效果是比较好的.从几何特征的角度分析，有以下3个特征：

(1)多锥面法兰联接不使用垫片，这就增加了法兰联接系统的刚度，去除了法兰联接应力松弛的最大影响因素；

(2)多锥面法兰联接，法兰结合面形成装配关系，而且T型槽的装配有利于较小联接的应力松弛；

(3)多锥面法兰联接的连接孔是螺纹孔，这就大大降低了普通螺栓联接的螺栓应力松弛[8].

常规普通法兰螺栓联接，应力松弛的力学模型如图2所示，并由此可以得到多锥面法兰联接的力学模型如图3所示.

图2 普通法兰联接力学模型

图3 多锥面法兰联接力学模型

对普通法兰联接，

式中：l为表示在材料蠕变过程中杆的伸长值；εσ为弹性蠕变；σ为杆的应力；k为刚度系数.

而且应变量

εl+εc=εl0，为常数[1,8-9]；

式中：εl为弹性应变；εc为蠕变应变；εl0为初始弹性应变

在法兰使用过程中，弹性应变逐渐减小，蠕变应变逐渐增加，法兰联接紧密型越来越差[8-9].

而对多锥面法兰联接，应变量为

εl+εc=εl0，为常数，而且

εc≤Δ×sinα

式中：εb为螺栓应变；εf为法兰应变；εl为弹性应变

因为一般来说螺栓和被连接法兰的刚度比较大，而且螺纹配合的间隙值Δ比较小，所以多锥面法兰联接总应变较普通法兰联接小得多，最大蠕变量也受到限制.

3 几何特征影响分析

多锥面法兰的几何公差要求较高，而且几何公差是影响该法兰蠕变的主要因素.

几何特征影响的简单分析方法是：对同一规格(取DN100的304钢法兰)，既定设计精度的法兰，因为加工的实际公差值不相等，取3对法兰，按实际公差由小到大，分成3组[7,10-11]，如表1所示.

表1 法兰组实际公差(单位：mm)

3对法兰均以320 MPa安装紧固后，隔一定时间，测量紧固应力变化，测量值如表2所示[12].

表2 应力测量值(MPa)

由表3，可以得到法兰应力松弛与法兰几何公差的关系，如图4所示.

t/h图4 法兰组应力状态图

4 结 论

多锥面法兰作为非标准件，一方面又良好的抗应力松弛性能，可以有效地减小法兰联接系统应力松弛现象，一方面加工成本较高，经实验严正说明，需要对该类型法兰的几何参数和加工公差，给以合理的优化，以提高法兰联接性能.