基于Workbench的法兰接头紧密性分析.pdf

新技术新工艺 2 0 2 3年 第7期 5 2 新技术新工艺 试验与研究基于W o r k b e n c h的法兰接头紧密性分析王 文,李春雪,赵文虎(新疆工业职业技术学院,新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0)摘 要:法兰接头广泛应用于各行各业,尤其是石油化工行业。法兰接头在工作环境中一旦发生泄漏,将会造成不可挽回的损失,因此保证法兰接头在工作环境中的密封性良好是十分重要的。在实际的工程运用中,可以运用相关的检测仪器准确地检测出法兰接头处于工作状态下的紧密性情况,不过这对检测仪器的性能、精度要求较高,仪器价格昂贵;且还需安排专人检测,增加了人工成本,检测过程也会费时费力。除了运用仪器检测的方法,还可以应用有限元仿真软件对法兰接头各部件进行模拟分析,将法兰接头各部件材料参数、螺栓预紧力等输入相应的分析模块中,可以得出法兰接头的紧密性情况。在不考虑其他外部因素的影响条件下,由有限元分析软件分析可得,法兰螺栓D N 1 0 0、P N 1 0 0法兰接头螺栓预紧力为螺栓材料的0.5倍的屈服应力(即1 3 5.1 k N)时,法兰接头的法兰盘、螺栓螺母、垫片骨架的强度均符合工况要求,垫片压紧性良好,法兰接头的紧密性良好。关键词:法兰接头;泄漏;紧密性;有限元仿真;模拟分析;预紧力中图分类号:TH 1 3 1 文献标志码:AF l a n g e J o i n t T i g h t n e s s A n a l y s i s b a s e d o n W o r k b e n c hWAN G W e n,L I C h u n x u e,Z HAO W e n h u(X i n j i a n g I n d u s t r i a l V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e,U r u m q i 8 3 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:F l a n g e j o i n t s w e r e w i d e l y u s e d i n a l l w a l k s o f l i f e,e s p e c i a l l y i n t h e p e t r o c h e m i c a l i n d u s t r y.O n c e t h e f l a n g e j o i n t l e a k e d i n t h e w o r k i n g e n v i r o n m e n t,i t w o u l d c a u s e i r r e p a r a b l e l o s s e s,s o i t w a s v e r y i m p o r t a n t t o e n s u r e t h a t t h e f l a n g e j o i n t h a d g o o d s e a l i n g i n t h e w o r k i n g e n v i r o n m e n t.I n a c t u a l e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n,r e l e v a n t t e s t i n g i n s t r u m e n t s c o u l d b e u s e d t o a c c u r a t e l y d e t e c t t h e t i g h t n e s s o f t h e f l a n g e j o i n t i n t h e w o r k i n g s t a t e,b u t t h i s r e q u i r e d h i g h p e r f o r m a n c e a n d a c c u-r a c y o f t h e t e s t i n g i n s t r u m e n t,a n d t h e i n s t r u m e n t w a s e x p e n s i v e.I t w a s a l s o n e c e s s a r y t o a r r a n g e s p e c i a l p e r s o n n e l f o r t e s-t i n g,w h i c h i n c r e a s e d t h e c o s t o f h u m a n c a p i t a l,a n d t h e t e s t i n g p r o c e s s w a s a l s o t i m e-c o n s u m i n g a n d l a b o r i o u s.I n a d d i t i o n t o t h e u s e o f i n s t r u m e n t d e t e c t i o n m e t h o d s,f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s o f t w a r e c o u l d a l s o b e u s e d t o s i m u l a t e a n d a n a l y z e e a c h p a r t o f t h e f l a n g e j o i n t,a n d t h e m a t e r i a l p a r a m e t e r s a n d b o l t p r e t e n s i o n o f e a c h c o m p o n e n t o f t h e f l a n g e j o i n t w o u l d b e e n t e r e d i n t o t h e c o r r e s p o n d i n g a n a l y s i s m o d u l e,a n d t h e t i g h t p h a s e o f t h e f l a n g e j o i n t c o u l d b e o b t a i n e d.W i t h o u t c o n s i d e r-i n g t h e i n f l u e n c e o f o t h e r e x t e r n a l f a c t o r s,i t c o u l d b e o b t a i n e d t h r o u g h f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e a n a l y s i s t h a t w h e n t h e b o l t p r e l o a d o f f l a n g e b o l t s D N 1 0 0 a n d P N 1 0 0 f l a n g e j o i n t s w a s 0.5 t i m e s t h e y i e l d s t r e s s o f t h e b o l t m a t e r i a l,o r 1 3 5.1 k N,t h e s t r e n g t h o f t h e f l a n g e p l a t e,b o l t n u t,a n d g a s k e t s k e l e t o n o f t h e f l a n g e j o i n t m e t t h e w o r k i n g c o n d i t i o n r e q u i r e-m e n t s w i t h g o o d g a s k e t c o m p a c t i o n a n d g o o d t i g h t n e s s o f t h e f l a n g e j o i n t.K e y w o r d s:f l a n g e j o i n t s,l e a k,c o m p a c t n e s s,f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n,s i m u l a t i o n a n a l y s i s,p r e l o a d 法兰系统在工程方面的应用十分广泛,尤其是石化领域。法兰在工作中发生泄漏将会造成很大的损失1,例如,2 0 1 0年兰州石化3 1 6#罐区泄漏,最后发生爆炸,造成6人死亡6人受伤,并造成重大的经济损失,因此法兰泄漏的危害是巨大的。法兰发生泄漏的原因一般有以下几种:法兰盘强度失效、螺栓螺母强度失效、垫片骨架强度失效和垫片压紧力不足。通过检测工作状态下的法兰盘、螺栓螺母和垫片骨架是否发生强度失效和垫片压紧力与垫片比压的关系是一个很好的防止法兰发生泄漏的手段。但是在工作状态下对法兰相关部件的检测是比较复杂费时费力的,且对测量仪器的质量和精度都要求较高,仪器价格昂贵。除了对法兰各部件检测的方法以外,运用有限元仿真软件对法兰各部件进行模拟分析可以达到同等的效果,且省时省力,经济成本也相对较低2。本文应用有限元仿真软件对法兰各部件进行分析,判断法兰系统在预紧工况和操作工况下是否满足工作要求3。1 法兰系统的尺寸及材料性能本次以D N 1 0 0、P N 1 0 0法兰为研究对象,法兰的几何尺寸见标准HG-T 2 0 5 9 2,垫片为对应的石墨波齿复合垫片,其尺寸标准见HG/T 2 0 6 1 0。法兰系统中,上下法兰圆盘以及垫片骨架为3 0 4钢,螺 试验研究 新技术新工艺 试验与研究5 3 栓螺母均为3 5 C r M o,常温下法兰系统各部件性能参数见表1。表1 法兰系统各部件性能参数部件密度/k gm-3弹性模量/MP a泊松比许用应力/MP a法兰盘7 9 3 02 0 4 0 0 00.2 8 51 3 7垫片骨架7 9 3 02 0 4 0 0 00.2 8 51 3 7螺栓、螺母7 9 0 02 1 6 0 7 50.2 8 62 2 82 法兰系统有限元分析2.1 三维模型建立根据上文中法兰盘和垫片的几何尺寸和螺栓螺母的相关尺寸标准,绘制出法兰系统的三维模型。需要注意的是,为了消除边缘应力的影响,由圣维南原理可知,两法兰盘的管道长度应大于2.5R T,式中,R为管道半径,T为壁厚4。经计算管长取4 0 mm。2.2 网格划分由于法兰系统的结构和受力具有周期对称性,为了方便计算,做有限元分析时只需截取法兰的1/8进行分析即可5。截取法兰系统的1/8部分进行网格划分时,上下法兰盘及连接的管网格尺寸设为2.5 mm,垫片网格尺寸设为1 mm,螺栓螺母网格尺寸设为1.5 mm。法兰系统1/8模型、螺栓、螺母和垫片网格如图1所示。a)1/8模型 b)螺栓、螺母 c)垫片图1 法兰系统1/8模型网格2.3 预紧载荷和边界条件的设置本次螺栓的预紧力取0.5倍螺栓的屈服应力与螺栓横截面积的乘积值,螺栓的屈服应力由拉伸试验进行测量,本拉伸试验所使用的仪器为R P L 5 0型蠕变疲劳试验机,由试验测得3 5 C r M o的M 2 7螺栓在常温下的屈服应力为7 3 5 MP a,故通过计算本次螺栓预紧力为1 3 5.1 k N。将上文中法兰各部件的材料参数输入到仿真软件W o r k b e n c h中。分析过程设置两步6,分别为预紧工况和操作工况,每种工况都设置时长为2 s。第1步为预紧工况的设置,设置螺栓的预紧力;第2步为操作工况的设置,给法兰施加1 MP a的内压和相应的轴向拉应力,锁住预紧力。第1、2步边界条件如图2所示。轴向拉应力的值与内压相关7,其计算式如下P拉=P内R2T(1)a)第1步边界条件 b)第2步边界条件图2 第1、2步边界条件3 法兰系统的紧密性分析3.1 法兰强度分析法兰系统在预紧工况和操作工况的等效应力云图如图3所示,预紧工况的最大等效应力比操作工况的最大等效应力小1.6 3 MP a,预紧工况的最大等效应力为7 1 6.8 7 MP a。由于不连续位置属于危险位置,故应分析不连续位置的应力情况。对法兰不连续位置作出4条路径:路径1路径4,示意图如图4所示。路径1路径4在两种工况下的强度分析结果见表2,表2中判断依据指的是一次薄膜应力应小于1.5倍的许用应力Sm,一次加二次应力应小于3倍的许用应力Sm8。法兰部件材料为3 0 4钢,由G B 1 5 0查得,该材料在常温下许用应力为2 0 5.5 MP a。可判断出4条路径均合格,法兰危险位置强度符合要求。新技术新工艺 2 0 2 3年 第7期 5 4 新技术新工艺 试验与研究 a)预紧工况 b)操作工况 图3 法兰系统两种工况下的应力云图 a)路径1路径3 b)路径4 图4 法兰系统危险截面路径示意图表2 路径1路径4在两种工况下的强度分析结果路径工况一次薄膜应力/MP a一次加二次应力/MP a结论1预紧工况7 7.1 29 5.2 2合格操作工况8 3.1 21 0 0.5合格2预紧工况1 0 9.3 71 7 5.8 5合格操作工况1 0 9.8 91 7 5.5 4合格3预紧工况3 2.7 6 81 2 9.8 1合格操作工况3 1.7 1 11 3 0.3合格4预紧工况1 1 8.6 93 8 9.2 5合格操作工况1 1 8.4 93 8 9.9 1合格判据1.5Sm3Sm3.2 螺栓强度分析螺栓螺母两种工况下的等效应力云图如图5所示,预紧工况最大等效应力为7 1 6.8 7 MP a,操作工况最大等效应力为7 1 8.5 MP a。由应力云图可以看出,螺栓应力在两种工况下沿着螺栓中截面呈上下对称分布状,两种工况的最大应力均位于螺栓与螺母接触且离中截面最近位置处。为了对螺栓螺母应力最大位置进行强度分析,在该位置做一条路径5,路径5示意图如图6所示。路径5在两种工况下的一次薄膜应力和一次加二次应力的数据及分析结果见表3,螺母为3 5 C r m o,由G B 1 5 0查得其常温下许用应力为2 2 8 MP a。结果表明,螺栓应力最大位置满足强度要求。a)预紧工况 b)操作工况 图5 螺栓螺母两种工况下的应力云图图6 路径5示意图表3 路径5在两种工况下的强度分析结果路径工况一次薄膜应力/MP a一次加二次应力/MP a结论5预紧工况1 2 5.32 7 2.5合格操作工况1 2 5.12 7 2.3合格判据1.5Sm3Sm3.3 垫片密封性能分析垫片在两种工况下的压应力云图如图7所示,由图7可知,垫片在预紧工况和操作工况下的最大压应力分别为4 1 1.7和4 1 0.1 MP a;由于垫片材料的抗压强度大于5 0 0 MP a,故垫片不会被压环,垫片强度符合要求。法兰的密封性主要取决于垫片9,此次仿真的垫片为石墨金属波齿垫片,通过查阅G B 1 5 0可知,该垫片的比压y为5 0 MP a,垫片系数m为3。法兰密封性良好的判别条件是垫片的最大压应力大于垫片的密封比压1 0,由于预紧工况和操作工况下垫片的最大压应力均大于垫片的密封比压,故法兰系统的密封性良好。4 结语在实际工况下法兰的紧密性还受到工况的温 试验研究 新技术新工艺 试验与研究5 5 度、湿度、法兰接头内介质物理化学性质的影响。在不考虑上述因素下,当法兰接头螺栓的预紧力为1 3 5.1 k N时,可以得出如下结论。a)预紧工况 b)操作工况 图7 垫片在两种工况下压应力云图1)法兰系统预紧工况和操作工况最大等效应力分别为7 1 6.8 7和7 1 8.5 MP a,法兰盘的危险位置强度校核合格。2)螺栓螺母预紧工况和操作工况最大等效应力分别为7 1 6.8 7和7 1 8.5 MP a,对应力最大位置进行路径分析,结果表明螺栓螺母强度符合工况要求。3)垫片预紧工况和操作工况最大压应力分别为4 1 1.7和4 1 0.1 MP a,垫片不会被压坏,且最大压应力大于密封比压,密封性良好。参考文献1 张文泽,王波,解志刚,等.基于有限元分析的螺栓法兰接头紧固方法研究J.新技术新工艺,2 0 2 2(9):5 4-6 4.2 张玉,陈庆.双楔角环垫法兰接头密封性能研究J.石油化工设备,2 0 2 1,5 0(1):1 2-1 8.3 彭飞.法兰接头预紧力密封接触分析J.工业技术与职业教育,2 0 2 0,1 8(1):2 0-2 1.4 王璐,薛吉林.法兰接头预紧过程中垫片应力场数值模拟分析J.管道技术与设备,2 0 1 8(6):5 2-5 6.5 王承彬,多依丽,孙铁,等.高温螺栓法兰连接结构及风险分析J.辽宁石油化工大学学报,2 0 2 2,4 2(2):6 7-7 2.6 王文.基于液压拉伸的管法兰螺栓紧固方法研究D.武汉:武汉工程大学,2 0 2 2.7 刘健,闫振汉,陈庆.基于AN S Y S的凹凸管法兰系统密封性 能 研 究 J.润 滑 与 密 封,2 0 2 1,4 6(6):1 0 9-1 1 3,1 3 5.8 吴晨辉.螺栓-法兰-垫片连接系统高温热紧的研究D.兰州:兰州理工大学,2 0 2 0.9 张赢今,刘增,李子良.基于AN S Y S W o r k b e n c h的地面驱动装置法兰连接应力状态分析J.中 国 设备 工程,2 0 2 0(2 0):1 0 1-1 0 2.1 0 王明伍.高温法兰连接系统的紧密性及评价方法研究D.武汉:武汉工程大学,2 0 1 5.作者简介:王文(1 9 9 5-),男,硕士,主要从事能源与动力工程等方面的研究。收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 1责任编辑 郑练