钢带缠绕增强复合管螺栓法兰式接头密封性能分析

陈伟， 严俊伟，陈长，陈兴阳，白勇

（1. 浙江省特种设备科学研究院， 杭州 310020；2. 浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室， 杭州 310020；3. 浙江大学建筑工程学院， 杭州 310058）

钢带缠绕增强复合管的接头与接头之间的连接方式包括焊接式和法兰连接式。焊接式接头属于整体式对焊接头，其结构形式如图1 所示。该接头整体呈对称式结构，其两端为包含有锯齿环的内外套筒，进行连接操作时，将需要连接的管道端部分别挤进套筒腔并扣紧即可，采用对焊接头的管道具有更高的连接可靠性，但这种接头对施工条件、操作人员技能和施工设备的要求较高。另一种连接方式为螺栓法兰式连接，如图2 所示。螺栓法兰连接广泛地应用在各类海工设备中，具有操作简单、连接可靠的优点。螺栓法兰式接头在进行连接操作时，需要在法兰之间的凹槽内垫入金属密封圈，通过对螺栓施加预紧力使金属密封圈发生局部塑性变形，以填补凹槽内的间隙而起到密封作用。就理论而言，只要按规范选用合适的密封圈，并在操作过程中对螺栓施加足够的预紧力即可保证密封可靠性。但是随着时间推移，螺栓连接副受到外部环境的腐蚀而松弛，发生塑性变形的密封圈不能完全回弹以填充凹槽对接界面之间的间隙，从而导致密封失效，发生泄漏。

图1 对焊式接头（用于管网中管道与管道连接）Fig.1 Coupling end fitting for pipe connection

图2 法兰式接头（用于管道终端与设备连接）Fig.2 Flange end fitting for terminal connection

本文基于某实际工程项目，针对螺栓法兰式接头可能存在的泄漏问题，通过有限元方法对密封圈的密封性能进行校核。通过分析密封圈接触面上接触压力的分布云图确定密封不足的区域，从而对密封圈结构进行改进，分析结果显示改进后的密封圈密封效果明显提升。同时通过有限元法测试了接头在内压和外压下的密封性能，确定了接头密封性能的力学判定准则，得到的结论对接头设计和工程实践具有一定指导意义。

1 接头密封分析

1.1 螺栓法兰式接头密封形式

接头的初始结构如图3 所示，接头主体与法兰盘为分离式结构。接头对接面上有环向凹槽以容纳密封圈，密封圈受到预紧力作用，产生局部塑性变形使唇面与凹槽斜面完美贴合形成可靠密封。接头主体端部带有凸缘，旋转式法兰卡在凸缘中并通过八副螺栓提供预紧力。预紧力的确定可参照ASME VIII-II-2010 中式-4.16.5，对于自紧式密封圈其密封参数m、y均为0，垫圈接触直径362.8 mm。管道内部工作压力为2176 PSI（15 MPa），则其轴向预紧力为[1-2]：

图3 接头的法兰结构形式Fig.3 Cross-section structure of flange connector

钢带管法兰式接头的泄漏路径仅有可能出现在密封圈部位，因此可对接头的主要结构进行如图4 所示处理，并导入ABAQUS，处理后的接头分左右两部分，中间为嵌入凹槽的八角环形金属密封圈，尺寸按ASME B16. 20 标准通过管道的公称直径 （DN50）选择[3]。模型中去掉螺栓并通过位移控制的方式施加预紧力，由金属密封圈的工作原理可知，其材料硬度将略低于法兰材料的硬度，因此密封圈的材料选为316 不锈钢，法兰材料选为12Cr2Mo1[4]，关键零部件材料属性见表1。在分析步中首先对左边法兰施加0.5 mm 的轴向位移以模拟螺栓的预紧过程，定义使密封圈内部大部分区域的Mises 应力超过其屈服应力的法兰轴向位移为合理预紧位移，之后重新对法兰施加合理预紧位移并对管道施加50 MPa 内压，研究施加内压前后密封圈与凹槽之间的接触压力变化趋势。

图4 简化的接头配置形式Fig.4 Simplified configuration of flange connector

表1 关键材料力学性能Table 1 Mechanical properties of some key materials applied on connector

1.2 密封圈应力分析

316 不锈钢的屈服强度为205 MPa，由图6 可知法兰轴向位移为0.05 mm 时，密封圈内部Von Mises应力最大值已超过390 MPa，密封圈与凹槽接触的四个顶点位置已进入塑性应变状态。当位移达到0.15 mm 时，密封圈大部分部位都已进入塑性应变状态，与其贴合的凹槽也部分发生塑性应变，二者形成过盈配合而起到密封作用。由图6 可见密封圈与凹槽接触面四个顶点部位的Mises 应力水平最大。每个顶点处两端部Mises 应力稍微大于中间部分且应力变化梯度很大，说明该处存在因接触不良而产生的应力集中现象[5]。

图5 位移0.05 mm 时密封圈内部Mises 应力分布Fig.5 Mises stress distribution of gasket when displacement is 0.05 mm

图6 不同时期密封圈内部应力分布Fig.6 Mises stress distribution at different loading steps

分别选取密封圈中接触面边缘部位、接触面中间部位等四个点（图6 中标注的4 点），提取该点上的Mises 应力随预紧位移的变化趋势，如图7 所示。由图可见密封圈内部不同位置的Mises 应力水平差异较大，当位移达到0.15 mm 时，接触线上的Mises 应力为538 MPa，远超密封圈材料屈服强度，说明已进入屈服状态。密封圈中间部位的Mises 应力小于密封圈材料屈服强度，说明在整个预紧过程中密封圈中间部位都为弹性变形。

图7 密封圈不同位置Mises 应力变化趋势Fig.7 Mises stress variation at different location

1.3 接触压力分析

在预紧力作用下，密封圈与凹槽之间的接触压力决定了其密封性能，当管道内压超过密封圈与凹槽之间的接触压力时，即可能发生泄漏[6]。不同预紧力水平下密封圈会产生不同程度的塑性变形，从而提供初始密封性能。在密封圈与凹槽的接触面上沿径向标记多个点，并分别提取这些点的接触压力的变化趋势，如图8 所示。

图8 接触压力标记点的位置Fig.8 Location of marked points

提取的不同位置接触压力变化如图9 所示，将接触线的位置进行非量纲化处理后，可见密封圈与凹槽的接触压力呈V 形变化趋势，中间与端部之间的压力差会随着法兰位移增大而逐渐增大，法兰位移量为0.1 mm 时最大接触压力为430 MPa，最小接触压力仅为212 MPa。随着法兰位移量增大，最小接触压力逐渐增大，按文献[5]所述，当接触压力与加载内压比值大于6 时即认为该处密封可靠，当法兰位移量达到0.15 mm 后，接触面上接触压力皆大于300 MPa且部分区域接触压力已超过其抗拉极限，这将造成密封圈内部材料产生裂纹，使密封圈失效。

图9 不同法兰位移量对应的接触压力随位置变化趋势Fig.9 Variation of contact pressure at different location

2 密封圈结构优化设计

针对密封圈内部Mises 应力接触面接触压力分布情形，将密封圈的类型由八角环形密封圈置换为金属透镜密封圈[7]，其型号和尺寸按API 6A[8]和ASME B16. 20 选择，密封圈唇面曲率半径为1.5 倍密封圈半径。建立接头系统的三维模型重新计算，得到接头系统整体Mises 应力分布云图，如图10 所示，由图可见法兰部件和接头大部分区域应力非常小，而密封圈和与密封圈配合的凹槽部分的应力变化较明显。单独将密封圈应力变化趋势提取出来，如图11 所示，由图可见，密封圈接触面上应力会随着预紧位移增加而上升。当预紧位移逐渐增加而达到设定的0.12 mm，时接触面上大部分区域Mises 应力处于320 ～ 520 MPa之间，整个密封面上应力分布均匀，应变变化连续。由图12 亦可见当预紧位移达到0.12 mm 时，整条接触线上的接触压力都大于300 MPa，与加载内压50 MPa 的比值大于6，证明此时整条密封线都处于良好密封状态。

图10 接头的整体应力变化Fig.10 Variation of stress on each components of the connecter

图11 密封圈接触面上Mises 应力云图变化趋势Fig.11 Variation of Mises stress on contact surface

图12 改变密封圈截面形状后沿密封线的接触压力变化趋势Fig.12 Contact pressure distribution of gasket after structure redesign

3 螺栓法兰接头密封性能分析

连接器在已预紧状态下需要对其密封性能进行分析，分析内容包括检测密封圈与凹槽接触面在施加内压荷载后接触压力的变化。主要步骤为：① 在ABAQUS 中建立管道接头模型，并在第一个分析步中以位移加载的方式对接头进行预紧，预紧位移为0.12 mm，并在此基础上施加边界条件和内压荷载；② 根据API RP 17D[9]规范要求进行内压测试，初始压力不大于规定试验压力的5%。本文算例中管道工作压力为15 MPa，安全系数为5，因此试验压力约为75 ～ 80 MPa。密封测试中采用分级加压方式，首先加载至50 MPa，然后加载至测试压力75 MPa。在ABAQUS 中设定压力加载步时长为1，初始步长为0.03，最小步长为0.01，最大步长为0.05，即初始压力2 MPa，每级压力增长不超过4 MPa，按此逐级增加至额定压力50 MPa；③ 保压30 min，然后新建分析步并设置同样步长，逐级增压至75 MPa，最后保压30 min。

保压过程是通过在两级加压过程中增加一个空分析步并将该分析步时长设置为3，但是在该分析步中不设置任何荷载、边界条件或约束条件。荷载具体加载过程如图13 所示，接头系统的边界条件和加载的内压示意图如图14 所示。

图13 内压荷载下密封性能测试流程Fig.13 Test process of sealing capacity under internal pressure

图14 内压荷载加载和边界条件Fig.14 Illustration of load application and boundary condition

图15 密封圈上接触应力云图变化趋势Fig.15 Variation of contact pressure distribution of gasket

文献[10]中提到，对于非黏接柔性管接头，压力对接头密封性的影响较为显著，可能会使密封圈与套筒的贴合面部分区域的接触压力下降[10]。由于该分析案例中的管道内套筒、密封圈、外锥面为径向配合，如图16 所示，当管内压力上升时，管体本身和密封圈会有一定程度的径向变形，从而导致密封圈与接头锥面之间的接触压力下降而使密封性能下降。而在本文分析案例中，法兰接头与密封圈是通过轴向组合并预紧而起到密封作用，当管内受压时管体本身、密封圈会同时发生径向变形，接触面之间的接触状态基本不会改变，因此接触压力变化亦不显著[11]。

图16 非黏接柔性管接头密封结构 [10]Fig.16 Illustration of sealing mechnics of unbonded pipe connector [11]

图17 展示了随机选取的密封圈接触面上四个点的接触压力变化趋势，加载步0～1 表示预紧加载步，1～2 表示内压加载步。可见在预紧过程中接触压力会随法兰位移增加而不断增大，密封圈的接触面上不同位置的接触压力有所不同，但其量级都在350 ～ 500 MPa，即稍大于密封圈材料的屈服应力值[4，12]，而在内压加载步中接触压力基本保持不变而维持在预紧状态时的水平，由此说明内压对管道密封性能影响并不显著。结合有限元分析结果，可确定密封可靠性的判定准则为：密封圈表面的接触压力介于其屈服强度与抗拉强度之间（205 ～ 520 MPa），即密封圈部分发生塑性变形。预紧及加载内压阶段的应力状态和密封状态如表2 所示。

图17 接触面上接触压力变化趋势Fig.17 Variation of contact pressure on gasket contact surface

表2 预紧/内压荷载下密封圈应力典型值对比Table 2 Typical stress of gasket under pretight/inter pressure step

4 结论与讨论

螺栓法兰式接头密封功能是通过螺栓提供预紧力，并挤压卡在两法兰之间的密封圈而实现。由于法兰属于标准件，确定管道尺寸、运行环境压力、运输介质压力等参数后，可通过ASME B16.5 等标准选取合适的法兰类型。因此本章在分析法兰式接头的密封性能时，默认法兰、挡肩等部件的强度足够，在预紧和受荷载作用时不会失效，从而将密封圈及密封圈与凹槽唇面的贴合状态作为分析重点。通过有限元分析确定了密封圈密封性能的力学判定准则：密封圈表面的接触应力介于其屈服强度和抗拉强度之间，从而使密封圈能部分发生塑性变形，增大贴合面积。测试显示该型法兰接头在内压和外压荷载下密封圈的应力状态和变形量都处于允许范围内，加载荷载后密封性能基本保持不变。

（1）接头初始设计中，密封圈为八角环形金属密封圈，预紧后容纳密封圈的凹槽的张角会稍微变大，使得其唇面与密封圈不能很好贴合而影响密封效果。对密封圈进行重新选型，采用金属透镜密封圈，透镜圆弧直径为密封圈公称直径的1.5 倍。分析结果显示，改进后的接头的密封性能提升较大，密封圈表面为塑性变形而内部为弹性变形，密封圈弧形凸面与凹槽唇面接触良好，没有出现应力集中现象，接触压力最大值与加载内压比值大于6。

（2）内压泄漏测试中，按规定程序加载荷载后密封圈接触压力会稍微下降，但接触面仍为塑性应变，接触压力最大值与内压比值仍大于6，证明75 MPa 的运行压力不会影响接头的密封效果。外压测试结果显示，1.5 倍的环境压力不会使接头发生泄漏，在预紧和压力加载阶段密封圈表面接触压力最大值大于400 MPa。综上可见，采用金属透镜密封圈后，该型法兰接头密封性能良好，满足设计要求。