LNG超低温球阀的螺栓预紧力分析

李树勋 尹会全 赵敏捷 杨玲霞 刘太雨

(1.兰州理工大学 石油化工学院∥机械工业泵及特殊阀门工程研究中心，甘肃 兰州 730050；2.上海高中压阀门股份有限公司，上海 201401)

随着经济的高速发展和能源需求的逐渐增大，液化天然气(LNG)作为一种清洁能源被广泛应用于工业生产和居民生活。超低温球阀是LNG管线运输过程中的主要截流装置之一，设备使用温度最低可达到-196 ℃，受温度载荷的影响，常温环境对螺栓施加的预紧力在低温工况运行时将会发生变化[1]。同时，法兰结构各组件发生热变形，使得垫片的应力分布不均匀，严重时将导致密封失效，进而引发泄漏，因此对低温下的螺栓预紧力进行研究显得尤为重要。

李操等[2]通过有限元分析研究了螺栓预紧力、法兰厚度、螺栓分布状态等因素对箭体结构舱段对接面连接刚度的影响；Yan等[3]通过有限元仿真分析验证了预紧力预测公式在计算低温环境下螺栓预紧力变化的可行性和准确性；杨陈等[4]研究了温度载荷对发动机各零部件应力分布和密封性能的影响；杜静等[5]利用有限元方法分析了螺栓预紧力对轴承载荷分布的影响；Yang等[6]借助有限元接触模型分析了螺栓在承受预紧载荷时的应力、应变状态；Nelson等[7]利用有限元方法研究了不同工况下单垫片和双垫片法兰接头的接触应力。以上研究只分析了螺栓预紧力变化对法兰结构各组件的应力、应变状态以及密封性能的影响，针对线膨胀系数不同的螺栓材料在低温下的预紧力变化趋势的研究鲜有报道。本文以LNG超低温球阀为载体，利用ANSYS有限元软件，分析了LNG超低温球阀中法兰不同材料的螺栓在低温下的预紧力变化以及密封性能。

1 螺栓预紧力理论分析

螺栓预紧力是保证法兰具备良好密封性能的关键因素，而螺栓预紧力也由于受到不同因素的影响，在紧固期间以及阀门正常使用过程中，均有可能出现预紧力变化的情况。因此，需要针对螺栓预紧力变化的主要影响因素进行讨论。

当法兰螺栓分布数量较多且负载较大时，沿顺时针(或逆时针)方向依次紧固的装配方式不再适用，在紧固过程中将会导致先前紧固好的螺栓出现预紧力不足的现象。对于LNG超低温球阀，应严格按照对称紧固的方式装配螺栓，首先将所有螺栓预紧力从0增加到计算值的一半，然后逐步均匀增加预紧力，直至完全紧固[8]。

在螺栓装配期间以及装配之后，螺栓、螺母和法兰的接触区域会出现局部塑性变形，进而导致螺栓连接件发生松弛。同时，由于螺栓材料的粘弹性效应，随着球阀运行时间的积累，螺栓将发生蠕变导致预紧力损失[9]。

LNG超低温球阀的装配工作是在常温环境下完成的，低温试验工况下其温度将达到-196 ℃。在此温度下，法兰螺栓系统的各个组件均会发生变形。假设因温度变化而引起的螺栓和中法兰的热变形，均在其材料的弹性范围内，遵循胡克定律。

当螺栓和阀体、阀盖材料的热膨胀系数不同时，螺栓和阀体、阀盖的热弹性变形量分别如下[10]：

δLB=αB(t-t0)lB

(1)

δLFB=αF(t-t0)lFB

(2)

δLFC=αF(t-t0)lFC

(3)

阀体和阀盖选用同种材料，线膨胀系数相同，阀体和阀盖的热弹性变形量可总体表示为中法兰的热弹性变形量，即

δLF=αF(t-t0)(lFB+lFC)

(4)

则中法兰相对于螺栓的热弹性变形量为

δL=δLF-δLB

(5)

式中，t0为球阀初始预紧时的环境温度，t为球阀工作温度，αB为螺栓材料的线膨胀系数，αF为阀体、阀盖材料的线膨胀系数，lB为螺栓的有效长度，lFB和lFC分别为阀体中法兰和阀盖的厚度。

结构的刚度k是指弹性体抵抗变形拉伸的能力，螺栓和中法兰结构的刚度分别为

图1 温度对预紧力及变形的影响

(6)

(7)

因此，螺栓预紧力的变化量ΔFP可表示为

(8)

(9)

综合上述分析，影响螺栓预紧力的因素主要有螺栓紧固顺序、材料松弛现象以及温度，本文就温度对螺栓预紧力的影响进行下一步有限元分析。

2 LNG超低温球阀有限元模型

2.1 材料属性

阀体、阀盖材料选用FXM- 19，螺栓材料分别选用B8M、XM- 19、Inconel 625。通过查阅相关文献资料，上述材料的物理性能参数如表1所示。

表1 材料的物理性能参数

LNG超低温球阀垫片密封的准确计算需要考虑到垫片材料的非线性[13- 15]。金属缠绕垫片为多层缠绕式多材料弹性体，响应存在高度非线性，完整的垫片特性通过应力-应变关系表示，其加载、卸载曲线呈非线性，金属缠绕垫片的回弹性曲线如图2所示。

图2 金属缠绕垫片的回弹性曲线

2.2 网格划分

由于本研究只考虑温度载荷对球阀中法兰螺栓预紧力和密封性能的影响，因此对球阀结构进行了适当简化，在建立几何模型时忽略阀杆、球体以及阀体下部的密封结构。对球阀模型进行网格划分时，采用自适应网格划分和局部网格控制技术，金属缠绕垫片采用特殊的界面单元划分网格，并进行网格无关性验证(当单元数为473 611、561 748、613 354时，最大应力分别为299.61、316.24、317.09 MPa)，最终确定网格节点数为917 003，网格单元数为561 748，网格模型如图3所示。

2.3 载荷与约束施加

为了真实模拟低温下的螺栓预紧过程，本分析将设置7个载荷步。第一个载荷步在螺栓与阀盖接触面施加螺栓预紧力238 722.3 N，并在第二个载荷步中锁定该载荷产生的形变，而后几个载荷步逐步施加温度载荷至-196 ℃。

图3 球阀的网格模型

2.4 接触设置

采用非对称绑定接触模拟螺母和螺栓的连接，采用非对称摩擦接触模拟螺母与阀盖以及阀盖、阀体与金属缠绕垫片间的连接，摩擦系数取0.15，采用多个载荷步施加螺栓预紧力的加载方式来模拟螺栓的拧紧过程[16- 17]。按接触设置规则，设置金属缠绕垫片密封面为接触面，阀体、阀盖密封面为目标面，设置非对称接触行为，选取增广拉格朗日算法进行计算[18]。

3 有限元分析结果

3.1 螺栓预紧力分析

为了使分析结果清晰有序，按照空间位置沿阀盖从靠近阀体左侧法兰螺栓开始，顺时针依次编号为1#-16#。考虑到螺栓法兰系统是周期对称结构，并且所受载荷和约束也是周期对称分布的，有限元分析时只选用1#-4#螺栓进行计算。不同螺栓材料的预紧力变化趋势如图4所示。

从图4可以看出，1#、2#螺栓在低温下的平均预紧力均大于3#、4#螺栓，1#、2#螺栓分布在靠近管法兰一侧，法兰螺栓系统各组件发生热变形，中法兰在与流道平行两侧的变形程度大于与流道垂直两侧的变形，使得分布在靠近管法兰两侧的螺栓受到的拉应力大于其他位置的螺栓。

由图4(a)可知，螺栓预紧力先随着温度的降低缓慢增加，在-120 ℃以后增长趋势较为明显，-196 ℃时平均预紧力为293 360 N，较常温下的螺栓预紧力增加了24.93%。由于螺栓材料B8M的线膨胀系数大于阀体和阀盖材料FXM- 19的线膨胀系数，在低温环境下螺栓材料的轴向收缩程度比阀体、阀盖大，金属缠绕垫片被进一步压紧，能够更好地保证密封。当螺栓预紧力过大时，即使在非螺纹区域的总拉伸应力是安全的，但在螺栓根部会发生应力集中，增加产生裂纹的风险。同时，预紧力过大将导致垫片被压溃而发生泄漏。

图4 不同螺栓材料的预紧力变化

由图4(b)可知，螺栓预紧力随温度的降低均匀增加，近似呈线性增长趋势，-196 ℃时平均预紧力为253 725 N，较常温下的螺栓预紧力增加了6.28%。螺栓材料XM- 19的线膨胀系数与阀体、阀盖材料FXM- 19的线膨胀系数相同，随着温度的降低，螺栓与阀体、阀盖在轴向的收缩程度也相同，但由于材料的弹性模量会随温度的降低而增大，使得预紧力也相应地随温度的降低略微增加。

由图4(c)可知，螺栓预紧力随温度的降低而急剧减小，-196 ℃时平均预紧力为175 735 N，较常温下的螺栓预紧力减小了26.39%。螺栓材料Inconel 625的线膨胀系数小于阀体和阀盖材料FXM- 19的线膨胀系数，在低温环境下螺栓材料的轴向收缩程度比阀体、阀盖小，密封效果与常温相比有所下降。如果预紧力过小将使垫片无法获得足够的压紧应力，进而引发泄漏，因此还需要对中法兰结构的密封性能做进一步分析。

3.2 金属缠绕垫片密封比压分析

为简化计算，选取1/4模型分别模拟3种线膨胀系数不同的螺栓材料与阀体、阀盖组合在常温和低温下的垫片密封比压，结果如图5所示。

由图5可以看出，金属缠绕垫片的应力分布规律基本一致，沿径向由内而外逐渐增大，这是因为垫片的受力不是直接施加在垫片表面，而是在螺栓预紧力的作用下以垫片反作用力为支点发生偏转，产生轴向位移，造成垫片预紧比压沿径向分布不均，形成外紧内松的分布状态。低温工况下的垫片内外侧密封比压差值比常温工况下的密封比压小。

当螺栓材料选用B8M时，随温度的降低，垫片密封比压显著提高，最大密封比压由常温下的95.119 MPa增大到103.410 MPa，较常温时增大了8.72%；当螺栓材料选用XM- 19时，随温度的降低，垫片密封比压略微增大，最大密封比压由常温下的95.144 MPa增大到97.356 MPa，较常温时增大了2.33%；当螺栓材料选用Inconel 625时，随温度的降低，垫片密封比压减小，最大密封比压由常温下的94.600 MPa减小到83.603 MPa，较常温时减小了11.63%。

经计算，金属缠绕垫片最小预紧比压为69 MPa，螺栓选用线膨胀系数不同的3种材料时，垫片平均密封比压均大于其最小预紧比压，能够形成有效密封环带，从而保证垫片密封而不发生泄漏。由于垫片密封受多种因素的影响，如温度、压力等，当螺栓法兰结构受到介质压力时，垫片会发生回弹，导致密封比压减小，密封性能下降。考虑到实际工况阀体内部有介质压力的存在，当螺栓材料的线膨胀系数小于阀体和阀盖材料的线膨胀系数时，随着温度的降低，中法兰的密封性能会大幅下降。

图5 不同螺栓材料下金属缠绕垫片的应力分布

4 结论

(1)当螺栓材料的线膨胀系数大于法兰材料的线膨胀系数时，预紧力随温度的降低而增大，且增长趋势逐渐明显；当螺栓材料的线膨胀系数等于法兰材料的线膨胀系数时，预紧力随温度的降低而略微增大，近似呈线性增长趋势；当螺栓材料的线膨胀系数小于法兰材料的线膨胀系数时，预紧力随温度的降低而急剧减小。同时，在低温环境下，靠近管法兰两侧螺栓的预紧力均大于其他位置螺栓的预紧力。

(2)金属缠绕垫片应力分布沿径向由内而外逐渐增大，形成内紧外松的分布状态，且低温下垫片内外侧密封比压差值比常温时小。螺栓选用线膨胀系数不同的3种材料时，随温度的降低，金属缠绕垫片的密封比压呈现出与预紧力相同的变化趋势。垫片的平均密封比压均大于其最小预紧比压，能够保证密封。

(3)在LNG超低温球阀的中法兰结构中，应避免螺栓材料的线膨胀系数小于阀体和阀盖材料的线膨胀系数，以免实际运行过程中垫片密封比压骤减而造成泄漏。同时，对于LNG其他阀门，LNG泵、管道等其他低温设备的法兰结构也应避免螺栓材料的线膨胀系数小于法兰材料的线膨胀系数。