阀门法兰-盲板螺栓联接密封性研究

2023-11-09王志远李伦张毅高琦刘兴玉赵朋举刘永刚

机床与液压 2023年19期

王志远，李伦，3，张毅，高琦，刘兴玉，赵朋举，刘永刚

(1.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2.河南科技大学，河南省机械设计及传动系统重点实验室，河南洛阳 471003；3.龙门实验室，河南洛阳 471000；4.中国船舶重工集团公司第七二五研究所(洛阳船舶材料研究所)，河南洛阳 471000)

0 前言

阀门是流体管路中重要的液压元件，在石油、化工、能源等领域具有广泛应用。阀门管路在工作过程中，由于法兰联接螺栓的松动或管路流体载荷的冲击，使得密封结构之间发生位置变化，进而在密封区域产生间隙，导致高压管路中介质泄漏，极可能造成经济损失或环境污染[1]。因此，研究阀门-法兰螺栓联接的密封性能具有重要的理论意义和工程应用价值。

阀门法兰-盲板密封结构通常采用螺栓联接。诸多学者已通过理论、试验或有限元方法对其进行研究，验证了实体螺栓联接阀门-法兰模型具有广泛的适用性[2]，可用于螺栓静态联接的准确分析[3-4]。梁瑞等人[5]采用EN法和Waters法对不同工况、不同尺寸的法兰-螺栓联接的预紧力进行计算分析，得出该算法所计算的预紧力能满足密封条件。袁成乾、杨建良[6]采用ASME PCC-1与GB/T 150.3—2011(Taylor-Waters法)中两种方法，对螺栓联接预紧力进行计算分析，得出不同方法预紧力有较大差异。LIAO、SUN等[7-8]通过对螺栓联接结构进行仿真分析，得到螺栓轴向载荷及应力分布规律，表明螺旋效应对轴向载荷和应力分布无关，为螺栓联接模型简化提供了理论依据。潘嘉诚等[9]通过研究发现当法兰盘接触面间接触应力较小时，螺栓-法兰结构轴向刚度呈非线性。董智等人[10]采用有限元法对法兰螺栓联接密封结构进行研究，结果表明：在螺栓预紧力和内压的作用下，螺栓应力、垫片平均应力近似呈线性变化。岳文骏等[11]通过对压力容器密封性能进行仿真计算，密封面处会产生较大的塑性变形，但未能明确指出塑性变形对密封性能的影响。廖传军等[12-13]通过研究金属垫片法兰密封结构受力特点和密封机制，分析了垫片压缩量对密封性能的影响规律。朱德等人[14]通过研究不同密封压力下密封区域的压力分布，为密封圈的密封性能提供了参考。

上述研究，虽然分析了预紧力对密封性能的影响，但没有明确指出螺栓预紧力范围下限。对于阀门密封区域，虽然分析了垫片接触应力或轴向压缩量，未能指明接触应力或轴向压缩对密封性能的影响。本文作者基于有限元方法，以阀门法兰-盲板螺栓联接为研究对象，对高压阀门法兰-螺栓联接进行密封性研究。建立阀门法兰-盲板螺栓联接模型，对法兰圆周方向进行密封性分析；通过有限元仿真分析接触区域轴向形变、密封垫片的接触应力，以及开展阀门密封性试验，检验高压阀门法兰在螺栓规定预紧力工况下的密封性。

1 阀门法兰-盲板螺栓模型简化

阀门法兰螺栓联接结构包括盲板、阀体法兰、密封垫及螺栓。根据GB/T 9113—2010建立公称尺寸DN300、class2500凹凸面(MF)整体钢制管法兰三维实体模型。为了研究阀门盲板周向变形的差异性，采用ANSYS Workbench中Static Structural模块，建立阀门法兰-盲板螺栓联接模型。在分析过程中，对阀门法兰-盲板螺栓联接模型做出以下假设：(1)阀门内流体压力引起的螺栓轴向载荷，均匀分布在各个联接螺栓上；(2)忽略法兰、盲板因受力变形引起的螺栓横向载荷；(3)法兰、盲板、螺栓受载时，恒处于弹性变形阶段。

因阀门和螺栓位置的对称性，建立法兰-盲板螺栓联接1/4有限元模型，包含两个完整螺栓以及两个半螺栓，如图1所示。

图1 法兰-盲板螺栓联接有限元模型

其中：螺栓和螺母采用Bonded联接，螺母与盲板上端面、法兰与垫片、螺母与阀体法兰下端面之间采用Frictional联接，预紧力施加在两螺母之间。螺纹联接处受力较为复杂，存在较大的应力集中，局部螺纹牙可能发生塑性变形，但螺栓整体处于弹性变形阶段，因此仿真过程中忽略螺栓、螺母的螺纹对螺栓整体形变的影响。

2 周向密封性分析

2.1 螺栓预紧力的确定

对螺栓进行预紧，是保证法兰-盲板螺栓密封的重要步骤，合理的预紧力应为一个范围，其下限应能够满足法兰预密封和操作密封，上限是保证在预紧过程中螺栓不会屈服且密封垫片不会被压溃[15]。因此对以下两种预紧力计算方法进行分析，以确定合理的螺栓预紧力。

2.1.1 基于螺栓强度的预紧力

一般规定螺纹联接件预紧力不得大于其材料屈服强度σs的80%[16]，对于一般联接用的钢制螺栓，其预紧力F0取值如下：

F0=(0.5～0.6)σsAs

(1)

式中：σs为螺栓材料的屈服强度，MPa；As为螺栓公称应力截面积，mm2。

2.1.2 基于GB150算法螺栓预紧力

根据GB 150.3—2011压力容器标准，螺栓预紧力Fy取值为Fa与Fp+F的最大值，即

Fy=max(Fa；Fp+F)

(2)

预紧状态下垫片最小压紧力Fa为

Fa=3.14DGby

(3)

操作状态下所需的垫片最小压紧力Fp

Fp=6.28DGbmpc

(4)

内压引起的轴向力F为

(5)

式中：Fa为预紧状态下垫片最小压紧力，N；Fp为操作状态下，所需的垫片最小压紧力，N；F为内压引起的轴向力，N；DG为垫片压紧作用圆直径，mm；b为垫片的有效宽度，mm；m为垫片的特性参数；y为比压力；pc为试验压力，MPa。

螺栓和密封垫片参数分别见表1和表2。

表1 螺栓性能参数

表2 密封垫片性能参数

对上述建立的阀门模型进行预紧力计算，试验压力为42 MPa，基于螺栓强度预紧力F0=(1.5～1.8)×106N；基于GB150算法预紧力Fy=6.5×105N，且最小预紧力为1.04×105N。

由于GB150算法考虑到试验工况、材料属性，且远小于螺栓强度法计算的预紧力。为研究预紧力范围下限，采用GB150算法计算的预紧力进行仿真和试验。

2.2 法兰-盲板圆周结合面轴向变形分析

螺栓在法兰周围均匀分布，法兰受到预紧力和阀体内流体压力的联合作用，螺栓联接处与相邻两螺栓的中间部位受力不均，法兰周围发生的形变不相同。因此在盲板上提取两条线，如图2所示。其中Line1从圆心穿过螺栓孔中心，Line2从圆心出发，穿过相邻两个螺栓的中间位置，两线间的夹角为15°。

图2 盲板提取线

将建立的实体螺栓联接模型在ANSYS软件中进行仿真计算。仿真过程中，固定下阀体位置，施加预紧力Fy，大小为6.5×105N，并对盲板下表面压力区施加42 MPa的流体压力，仿真计算两条线的轴向位移，分析其周向密封性。

根据盲板的轴向形变，提取两条直线的轴向位移，其密封接触区域位置在半径164～185 mm，结果如图3所示。

图3 圆心到圆周的轴向位移

仿真数据表明：在预紧力和压力联合作用下，接触区域内法兰轴向位移为负，接触区域法兰的最大轴向位移为-0.048 mm，其中Line1中的断点为螺栓孔的位置；从圆心到密封区域，两条位移曲线高度重合，法兰边缘轴向位移偏差约为3%(Line1法兰边缘为-0.269 4 mm，Line2为-0.264 2 mm)。因此该阀门法兰-盲板采用12个螺栓联接，能够保证法兰-盲板圆周结合面在轴向变形的一致性。

3 试验压力和预紧力对密封性的影响

在通常情况下，阀体的密封性与紧固螺栓的预紧力和阀体内流体的压力有关。利用ANSYS有限元仿真，通过研究密封接触区域法兰轴向形变量、垫片接触应力与试验压力、预紧力之间的关系，分析阀门密封性能的影响因素。

3.1 预紧力对密封性能的影响

在42 MPa的试验压力下，对螺栓施加预紧力，大小从1×105N到6.5×105N，步长为20 000 N，分析密封接触区域法兰内侧、外侧的轴向形变，以及密封区域的最小、最大接触应力。由密封条件可知：垫片必须处于压缩状态，密封面之间须有足够大的流体阻力，且大于由介质内外压力差引起的推动力，才能保证阀门的密封性能。图4所示为42 MPa压力下，预紧力为4.2×105N，密封接触区域法兰、垫片应力分布情况。

图4 42 MPa压力下密封接触区域应力分布

对第1节建立的实体螺栓模型进行仿真分析，通过改变螺栓预紧力，提取接触区域法兰内侧、外侧的轴向形变和密封垫内侧、外侧的接触应力，结果如图5所示。

图5 接触区域形变、垫片应力随螺栓预紧力变化曲线

图5表明：阀体试验压力为42 MPa、螺栓预紧力为4.2×105N时，密封区域法兰内侧变形量为0 mm，法兰外侧形变为-0.037 mm，密封区域最小接触应力为62 MPa，最大接触应力为135 MPa，符合密封条件。此时预紧力仅为GB150算法预紧力6.5×105N的65%。

在阀体法兰密封区域，受阀体内压和螺栓预紧力联合作用，法兰轴向形变和接触应力均表现为非线性关系。仿真结果表明：在压力确定的工况下，预紧力不是固定的数值，大于预紧力下限可以满足阀门的密封。仿真过程中，提取垫片内、外侧的接触应力，垫片的内侧接触应力始终小于外侧接触应力，当垫片内侧不能满足密封要求时，垫片外侧起主要密封作用。

3.2 试验压力对密封性的影响

采用实体螺栓联接模型，对螺栓施加6.5×105N的预紧力，试验压力从42 MPa增加至63 MPa。在预紧力确定而试验压力高于额定值时，分析密封接触区域法兰的形变量及垫片接触应力，通过法兰的形变量及垫片间接触应力的变化，分析阀门密封性能。

对建立的实体螺栓联接模型进行仿真分析，通过改变试验压力，提取接触区域法兰内侧、外侧的轴向形变和密封垫内侧、外侧的接触应力，试验仿真数据如图6所示。

图6 接触区域形变、垫片应力随试验压力变化曲线

图6数据表明：预紧力为6.5×105N，试验压力为54 MPa时，最小接触应力为90 MPa，最大接触应力158 MPa，压力提高了28%，阀体法兰仍可以保持密封状态；试验压力为58 MPa时，密封区域虽有分离的趋势，但垫片仍处于压缩的状态，只有部分垫片起到密封作用，接触区域最大接触应力为101 MPa。在密封区域，法兰轴向形变随着试验压力增大近似线性增大；密封区域接触应力随着压力的增大近似线性减小。根据仿真接触应力曲线，接触应力受法兰和垫片形变影响，垫片内侧接触应力始终小于外侧接触应力，试验压力较大时，垫片外侧起主要密封作用。