金属石墨缠绕垫片蠕变对法兰接头密封性能的影响.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：沈伟明，章兰珠，李科金属石墨缠绕垫片蠕变对法兰接头密封性能的影响润滑与密封，（）：，（）：基金项目：国家重点研发计划项目（）收稿日期：；修回日期：作者简介：沈伟明（），男，硕士研究生，研究方向为垫片蠕变性能。：。通信作者：章兰珠（），女，博士，教授，研究方向为机械动力学及密封技术。：。金属石墨缠绕垫片蠕变对法兰接头密封性能的影响沈伟明 章兰珠 李 科（华东理工大学机械与动力工程学院 上海；江苏省特种设备安全监督检验研究院张家港分院 江苏张家港）摘要：法兰接头在高温环境中工作时，接头各个部件的蠕变松弛会加剧，然而在法兰接头的研究中，大多没有考虑垫片的蠕变松弛。以金属石墨缠绕垫片为例，在不同温度及不同初始密封比压情况下进行蠕变松弛性能试验；将试验结果进行拟合得到垫片蠕变松弛性能计算公式，将其代入法兰接头变形协调方程中，计算得到接头蠕变 年的螺栓力随时间的变化情况。使用 软件建立法兰接头有限元模型，并计算不同部件蠕变 年所造成的螺栓力的松弛情况。理论计算结果与有限元计算结果相近，表明建立的理论模型可用于接头螺栓力松弛的评估。研究结果表明：初始密封比压相同时，温度越大则垫片的蠕变量越大，温度相同时，初始密封比压越大则垫片的蠕变量越大；垫片蠕变对法兰接头有显著影响，在一些情况下仅垫片蠕变就能使螺栓力下降，因此垫片蠕变对法兰接头的影响不能忽略。关键词：金属石墨缠绕垫片；法兰接头；垫片蠕变；蠕变性能；密封性能中图分类号：（，；，）：，：；螺栓法兰接头具有经济、安全、易于拆装、密封性能优良的特点，广泛应用于石油、化工、航空航天等领域。螺栓法兰接头在工作过程中，很少有因强度不足引起的失效，更多的失效是由于法兰接头的泄漏引起的。特别是当法兰接头在高温环境中工作时，高温不仅会加速垫片的老化和蠕变松弛，降低其弹性，还会加剧螺栓和法兰的变形。此时，如果出现温度波动，就会引起垫片的热棘轮效应，从而进一步降低垫片上的密封比压，最终导致密封不满足要求而发生泄漏。垫片是法兰连接系统中最关键的密封元件，其力学性能和密封性能直接影响整个法兰接头，而密封垫片的蠕变松弛失效通常是法兰连接失效的主要原因。因此，研究密封垫片的密封性能及力学性能，尤其是蠕变松弛性能就显得尤为重要。目前，学者们已对垫片的蠕变松弛性能进行了深入研究。等详细介绍了密封垫片试验所采用的高温试验装置和试验方法，并研究了温度对垫片蠕变性能的影响以及其对法兰接头密封性能的影响。、通过理论方法及有限元仿真方法综合分析了兰接头各部分的蠕变、温度，并研究了 法 兰 接 头 蠕 变 对 密 封 性 能 的 影 响。顾 伯 勤等研制了垫片高温性能试验装置，成功地解决了在高温条件下垫片泄漏率精确测量等技术难题，并提出了高温螺栓法兰连接紧密性的概念。在之前研究的基础上，陆晓峰和沈轶提出了高温法兰接头的可靠性算法和寿命预测方法，考虑了垫片蠕变、螺栓应力松弛和法兰的密封性要求。虽然垫片的蠕变松弛对法兰接头载荷的影响已得到公认，但在对法兰接头的研究中，目前大多没有考虑垫片的蠕变松弛；另外国内外在研究法兰接头方面大多还是采用数值模拟方法，也有一些学者采用程序来评估螺栓载荷的损失，其中垫片的蠕变量是通过理论计算的方式来获得的。章兰珠和毕乐文研究了法兰蠕变速率大于或小于螺栓蠕变速率时对密封性能的影响，其中也忽略了垫片蠕变。本文作者通过对金属石墨缠绕垫片的蠕变松弛试验结果进行拟合，得到金属石墨缠绕垫片蠕变量的表征方法，并结合法兰接头的变形协调方程，通过理论计算获得法兰接头的螺栓残余预紧力；同时建立了法兰接头几何模型，通过有限元分析验证了理论计算结果的准确性。垫片蠕变性能的表征方法 垫片蠕变松弛试验蠕变松弛性能表征了材料的尺寸稳定性。一种复合材料，尤其是用于制造精密零件的材料，应具有在即定载荷的持续作用下长期保持其尺寸和形状的能力。由于不同的分子结构或不同的加工和使用条件，各种复合材料的蠕变性能可能会有很大差异，因此有必要对其蠕变松弛能力进行表征。文中采用浙江某公司生产的 金属石墨缠绕垫片进行试验，试验依照 标准进行，加载速率为 ，升温速率为 。试验分为两组，第一组保持初始密封比压 不变，试验温度分别为、；第二组保持试验温度 不变，初始密封比压分别为、。垫片蠕变松弛性能的表征在初始密封比压为 ，测试温度分别为、时，垫片蠕变松弛试验结果如图 所示。在试验温度为 ，初始密封比压分别为、时，垫片蠕变松弛试验结果如图 所示。图 不同温度下垫片蠕变量及拟合曲线（）（）图 不同初始密封比压下垫片蠕变量及拟合曲线（）（）由图 与图 可知，垫片蠕变与工作温度、服役润滑与密封第 卷时间以及初始密封比压有关。如图 所示，在初始密封比压相同的情况下，垫片蠕变量会随着工作温度的增加而增加，且在温度较低的区间内（如 ），温度升高所造成的垫片蠕变量增幅较大，而在温度较高的区间内（如 ），温度升高所造成的垫片蠕变量增幅较小。如图 所示，在试验温度相同的情况下，垫片的蠕变量会随着初始密封比压的增加而增加。在试验刚开始的较短时间内，垫片会产生一个瞬时蠕变效应，在这段时间内垫片的蠕变速率较快，大部分的垫片蠕变量都在这个时间段内产生，经过 之后垫片蠕变速率逐渐趋于缓慢。这是由于试验刚开始的阶段是升温阶段，温度的升高导致垫片蠕变量迅速增大，经过升温阶段进入保温阶段时，垫片蠕变速率就会较为平缓。通过对试验数据进行分析拟合，可以得到垫片的蠕变量随时间的变化规律如式（）所示。（）（）（）（）（）式中：为蠕变时间，；（）为垫片在 时间的厚度，；（）为垫片的初始压缩量，；、为拟合参数，其中 为温度，。法兰接头的理论计算 变形协调分析法兰接头是一个预应力静不定系统，预紧时各元件发生一定的变形。法兰接头在工作时，介质压力会在法兰接头处产生轴向静压载荷，尤其是在高温情况下更是会加剧法兰、螺栓和垫片的蠕变松弛，此时，法兰轴向位移、螺栓伸长量以及垫片的压缩量与预紧时相比都发生了变化，这些变化量符合法兰接头的变形协调方程，其具体表现形式如式（）所示。（）其中，另外，式中：为螺栓圆中心到垫片作用力的长度，；为法兰力矩，；为内压，；为法兰对力矩的刚度，；为法兰对内压的刚度，；为 螺 栓 力，；为 螺 栓 刚 度，；为垫片压力，；为垫片刚度，；为垫片反力直径所包围的受压区域面积，；为从螺栓中心到法兰内径的径向距离，。由以上各式可将式（）化简为（）（）式中：，、和 可由文献 和 查找计算得到。蠕变量的计算由式（）可知，计算螺栓预紧力还需要知道各个部分的蠕变量，对于法兰，其蠕变主要造成法兰的偏转角产生变化：（）（）（）式中：为蠕变时间，；为法兰凸缘厚度，；为法兰外半径，；为法兰内半径，；为蠕变引起的法兰偏转角，。于是，法兰蠕变造成的轴向位移为（）（）对于螺栓，由于文中使用的螺栓蠕变本构模型为 模型，可表示如下：（）式中：为蠕变应变速率，；、为蠕变常数，为应力，；为温度，。由式（）可以得到螺栓的蠕变量为 （）式中：为螺栓截面积；为螺栓有效长度。对于垫片，则由式（）得（）（）高温对法兰接头的影响高温工况下，由于法兰螺栓接头不均匀的温度分布和各部件热膨胀系数的不同，常温下达成的变形协调关系会被破坏，螺栓法兰接头因为高温引起的轴向位移由两部分组成，一部分是由法兰、螺栓和垫片 个部件轴向方向热膨胀的相互作用产生的，另一部分是由高温导致法兰偏转引起的轴向位移，即：（）式中：为热膨胀系数，；为温差，；为垫片厚度，；为由于温度而导致的法兰偏转角，根据文献 可查找计算。年第 期沈伟明等：金属石墨缠绕垫片蠕变对法兰接头密封性能的影响 法兰接头有限元仿真 法兰接头的尺寸及材料性能为了验证所得到的垫片蠕变松弛模型，文中选用 的带颈对焊法兰进行分析，接头所使用的螺栓型号为，数量为 个，使用金属石墨缠绕式垫片。法兰及垫片的具体尺寸如图 所示。图 模型几何尺寸（）（）：（）；（）由于法兰接头的结构和所受载荷具有周期对称的特点，故可以沿圆周方向取 建立模型，并对模型进行多次分割，以便于划分网格。法兰接头的网格图如图 所示。由于 软件中的垫片单元不支持蠕变分析，为了模拟垫片的蠕变效应，在法兰模型中加入了一块虚拟刚性板，虚拟板位于垫片中间，厚度为垫片的。加入虚拟板后对法兰接头整体的刚度没有太大影响，在虚拟板蠕变时，由于变形协调，垫片厚度也会产生相应的变化，。图 法兰接头有限元计算模型 文中法兰材料使用 ，螺栓材料使用，其材料性能分别如表、表 所示。法兰和螺栓材料的蠕变本构关系均采用 方程，分别如式（）和式（）所示。（）（）表 法兰材料（）的物理性能 （）温度 弹性模量 泊松比 屈服强度 热导率 （）热膨胀系数 （）表 螺栓材料（）的物理性能 （）温度 弹性模量 泊松比 屈服强度 热导率 （）热膨胀系数 （）法兰接头温度场分析在法兰内壁面分别施加、的均匀温度载荷，并将所有节点的初始温度设置为。在模型两侧施加绝热边界条件，将法兰、螺栓与螺母裸露在空气中的表面的对流换热系数设置为 （），两法兰之间以及垫片外侧散热较差，故将 其 对 流 换 热 系 数 设 置 为 （），法兰接头周围环境设置为。法兰接头温度分布如图 所示。可知，内壁面温度为、的法兰接头温度变化趋势基本一致，都是内壁面的温度最高，螺栓末端温度最低，并由内壁面往外逐渐降低；且内壁面温度越高，则接头的整体温差就越大，其中内壁面温度为 时温差最大为 ，内壁面温度为 时温差最小为 。润滑与密封第 卷图 法兰接头温度场分布 ：（）；（）；（）；（）法兰接头热固耦合分析法兰接头的载荷情况如图 所示。由于文中利用法兰接头载荷与结构的对称性建立了沿圆周方向 的模型，故结构分析时需要在模型 个侧面施加对称约束。接头的工作内压为 ，一个端面施加固定约束，选取螺栓表面施加 的初始预紧力，内压引起的端部轴向力转化为等效轴向应力施加在另一个端面，端面等效轴向应力的计算公式为 ，其中，为等效轴向应力，；为内压，；为法兰连接筒体的平均直径，；为筒体的壁厚，。由于螺栓法兰接头主要受预紧、内压、温度、蠕变 个因素的影响，故参考实际法兰工作过程，对法兰接头的加载顺序设置为：（）施加螺栓预紧力；（）锁定螺栓力，施加内压载荷；（）施加温度载荷；（）打开蠕变设置，进行蠕变计算。图 法兰接头载荷及边界条件 解析计算与有限元结果的分析文中针对考虑垫片法兰螺栓三者蠕变、仅考虑垫片蠕变以及仅考虑法兰螺栓蠕变 种情况，对 的带颈对焊法兰进行、下的理论计算与有限元仿真，并将蠕变 年的理论计算结果与有限元计算结果进行对比，结果如图 所示。图 工作温度为 时螺栓力变化（预紧力 ，内压 ）（，）图 工作温度为 时螺栓力变化（预紧力 ，内压 ）（，）年第 期沈伟明等：金属石墨缠绕垫片蠕变对法兰接头密封性能的影响 图 工作温度为 时螺栓力变化（预紧力 ，内压 ）（，）图 工作温度为 时螺栓力变化（预紧力 ，内压 ）（，）由图 可知，垫片的蠕变松弛所引起的螺栓力减小是较为显著的。工作温度为 且考虑三者蠕变的情况下，有限元分析结果和由式（）计算所得的结果都表明，法兰接头在经过了 年的蠕变之后螺栓力的损失超过了，且其中大部分的螺栓力减小发生在法兰接头刚工作时的几十个小时之内。从螺栓力减小曲线来看，理论计算结果与有限元结果较为吻合，这表明建立的理论模型较好地反映了实际情况下螺栓法兰垫片蠕变所造成的螺栓力的松弛，使用理论计算式来计算螺栓残余预紧力是较为合理的。表 中给出了工作温度为、时，蠕变 年后，考虑三者蠕变、仅考虑垫片蠕变以及仅考虑法兰螺栓蠕变 种情况下理论与有限元计算所得到的螺栓力松弛量百分比。由表 可知，螺栓力的减小量随着温度增加而增加，这是由于温度的升高导致了垫片、法兰与螺栓蠕变速率的增大，进而导致了螺栓力减小量的增加。且在温度较低的区间内（如 ），温度升高所造成的螺栓力的减小量较大，在温度较高的区间内（如 ），温度升高所造成的螺栓力的减小量较小，这与前面所提到的垫片蠕变量随温度的变化规律一致。仅考虑垫片蠕变时所产生的螺栓力的减小量与考虑垫片、法兰和螺栓的蠕变时所产生的螺栓力的减小量相差不多，原因是法兰与螺栓所采用的材料都具有较好的抗蠕变性能。在工作温度 的情况下，仅考虑法兰与螺栓蠕变时，理论计算结果显示螺栓预紧力仅发生了 的减小，有限元计算结果显示螺栓预紧力仅产生了 的减小。在工作温度为、的情况下，法兰和螺栓的蠕变速率比 时更低，理论计算结果显示该 个温度下螺栓力的减小量为，基本可以忽略不计，有限元计算结果也仅分别为 、。这也说明了在文中模型中垫片蠕变为引起螺栓力下降的主要因素。表 蠕变引起的螺栓力松弛百分比 温度 三者蠕变下松弛 仅垫片蠕变下松弛 法兰与螺栓蠕变下松弛 理论计算有限元计算理论计算有限元计算理论计算有限元计算 仅考虑垫片蠕变时，、下模型未开始蠕变和开始蠕变 年后的垫片应力云图如图 所示。润滑与密封第 卷图 时的垫片应力云图（）（）：（）；（）图 工作温度为 时垫片应力云图（）（）：（）；（）图 工作温度为 时垫片应力云图（）（）：（）；（）图 工作温度为 时垫片应力云图（）（）：（）；（）由图 可知，垫片蠕变未开始时，在 种工作温度下垫片的受力都很均匀，垫片外侧压力稍大于内侧压力；且在几种工作温度下垫片的最大应力相差不大，如 时垫片最大应力为 ，时垫片最大应力为 。在垫片蠕变 年后，工作温度为、时蠕变后的最大应力与 蠕变前的最 大应力的比 值 分 别 为、，可 以 看 出，垫片的工作温度越高，垫片的最大应力就越小，且工作温度越高，蠕变后垫片的应力分布就越不均匀。结论与展望对金属石墨缠绕式垫片进行蠕变松弛试验，对试验结果进行拟合，得到其蠕变量的表征方法，将其代入法兰接头变形协调方程中得到螺栓力的减小情况；建立了有限元分析模型，并将理论计算结果与有限元计算结果进行了对比。主要结论如下：（）在初始密封比压相同的情况下，温度越大，则垫片的蠕变量越大；在温度相同的情况下，初始密封比压越大则垫片的蠕变量越大，且垫片的蠕变主要发生在试验刚开始的几个小时内。（）垫片蠕变对接头蠕变的影响主要发生在前几十个小时，这段时间内螺栓力会产生明显下降。垫片蠕变在接头蠕变中是很重要的一部分，不能忽略垫片的蠕变，某些工况下仅由于垫片的蠕变就可以导致以上的螺栓力松弛。（）理论计算结果与有限元计算结果较为吻合，表明建立的理论计算模型可用于评估法兰接头螺栓力损失。然而文中虽证明了垫片蠕变在接头蠕变中是不可忽略的一部分，但在研究过程中存在着以下不足：（）在实际情况下，不只法兰、螺栓、垫片的蠕变会对螺栓力产生影响，温度的波动、接头内流体的压力变化等也会对其造成影响，在理论计算和有限元仿真中忽略掉了这些因素的影响。（）在法兰接头的理论计算中，忽略了法兰轮毂的蠕变效应，并认为接头各部分只在螺栓轴向方向上存在蠕变，这导致理论计算结果与实际情况相比偏小。参考文献 周期律核级石墨密封垫片的循环压缩回弹及蠕变性能研究成都：西南交通大学，：，年第 期沈伟明等：金属石墨缠绕垫片蠕变对法兰接头密封性能的影响 宋兆哲，刘美红，周坤高温下垫片的蠕变失效分析科学技术与工程，（）：，（）：王德成，刘宏杰，曾超，等无石棉垫片压缩回弹性能分析及密封设计改进柴油机设计与制造，（）：，（）：刘忠旭金属垫片结构和工艺参数及基本性能的研究中国石油和化工标准与质量，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：顾伯勤，陆晓峰垫片高温性能试验装置及测漏方法研究石油机械，（）：，（）：顾伯勤，陈晔高温螺栓法兰连接的紧密性评价方法润滑与密封，（）：，（）：陆晓峰，沈轶高温法兰密封接头的可靠性分析压力容器，（）：，（）：，（）：章兰珠，毕乐文考虑高温蠕变的螺栓和法兰材料的选配润滑与密封，（）：，（）：，：，：，（）：黄鑫法兰设计方法比较及螺栓预紧力确定的研究兰州：兰州理工大学，：，润滑与密封第 卷