帶八角墊與雙楔角環墊的法蘭接頭密封性能比較

真空法蘭 榮文波 南京工業大學機械與動力工程學院

  利用ABAQUS 有限元軟件對帶新型雙楔角環墊與帶八角墊的螺栓法蘭接頭進行數值模擬分析,對預緊工況和操作工況下的螺栓與法蘭應力最大值、密封面接觸壓力最大值以及有效密封寬度進行分析對比。結果表明:介質內壓使帶雙楔角環墊的法蘭應力最大值下降,但法蘭與螺栓應力值仍高于帶八角墊的法蘭、螺栓應力值;法蘭公稱直徑增加,八角墊內、外側面的有效密封寬度逐漸減小,而雙楔角環墊主、從面有效密封寬度有增大的趨勢;雙楔角環墊特殊的楔形結構使得主、從面接觸應力在介質內壓作用后下降幅度小于八角墊內、外側面,因而具有更好的密封性能,特別是對于大法蘭公稱直徑的密封。

  新型密封元件的開發與設計是墊片密封技術的發展方向之一。2001 年,Kurokouchi等對環形金屬平墊進行結構改進,首先提出了一種楔形密封墊。該新型楔形密封墊因具有良好的密封性能,受到研究人員的廣泛關注,并在此基礎上針對不同工程要求進行了改進。2003 年,Aaron 和John為了解決大量的海底管道施工工程對水下密封技術的要求,提出了楔形墊應用在水下管道密封方面的想法。借鑒其設計理念,我國也開始將該楔形墊應用在海底管線連接中。2009 年,美國Taper-lok 公司提出了一種新型雙楔角環墊。為了研究這種新型雙楔角墊的密封性能,Madazhy 等對僅用3 個螺栓的法蘭接頭中的新型雙楔角環墊的密封接觸壓力分布進行了有限元分析和水壓試驗,并和傳統平墊片進行了比較。結果表明,該新型環墊擁有更出色的密封效果。2010 年的ASME 壓力容器與管道會議上,Gardner 等將雙楔角環墊應用于高壓換熱器中,取代了焊接隔板來防止泄漏,取得了很好的效果。2013 年,徐永杰和陸曉峰用數值模擬方法研究了雙楔角環墊的結構尺寸對其密封接觸壓力的影響。

  目前,國內外對這種新型雙楔角環墊的性能研究報道很少,特別對其法蘭接頭的結構完整性和泄漏緊密封未見有系統研究。本文作者運用ABAQUS 有限元軟件分別對采用新型雙楔角環墊的螺栓法蘭接頭和采用八角墊的螺栓法蘭接頭進行了數值模擬,對預緊工況和操作工況下2 種法蘭接頭中的法蘭與螺栓應力值、密封面接觸壓力值及有效密封寬度進行了分析對比,為探索這種新型雙楔角環墊在實際生產中的應用提供了參考。

1、幾何建模及網格劃分

  1. 1、法蘭、墊片的選用

  研究的新型雙楔角環墊密封接頭由主法蘭、從法蘭、雙楔角環墊與緊固螺栓組成,其中雙楔角環墊的密封面為主、從2 個圓錐面,分別與主法蘭面和從法蘭面相接觸。研究的八角墊法蘭接頭與雙楔角環墊法蘭接頭的模型尺寸,均選用基于ASME B16.5 標準中NPS 80、150、250 和400 mm Class 300lb 帶頸對焊法蘭,八角墊與雙楔角環墊截面形狀如圖1 所示,尺寸參數分別如表1、2 所示。

八角墊與雙楔角環墊截面

圖1 八角墊與雙楔角環墊截面

表1 八角墊尺寸參數

帶八角墊與雙楔角環墊的法蘭接頭密封性能比較

表2 雙楔角環墊尺寸參數

帶八角墊與雙楔角環墊的法蘭接頭密封性能比較

  由于二者的模型結構均為軸對稱模型,分別取其1/16、1/24、1/32、1/40 作為研究對象,模型中所取筒體長度均大于2.5 × (Rt) 0.5,其中R為筒體內半徑,t為筒體厚度。

2、結論

  (1) 密封環墊要獲得初始密封,雙楔角環墊需要的螺栓預緊力小于八角墊的螺栓預緊力;除80mm外,其他公稱直徑下帶雙楔角環墊的法蘭與螺栓應力值均高于帶八角墊的法蘭與螺栓應力值。

  (2) 預緊和操作工況下,雙楔角環墊從面接觸壓力最大值始終大于主面; 相比于預緊工況,操作工況下雙楔角環墊從面接觸壓力最大值隨法蘭公稱直徑的增大均下降,而主面接觸壓力最大值先減小后增加。

  (3) 預緊和操作工況下雙楔角環墊主從面和八墊內外側面的最大應力均隨公稱直徑的增大而增加; 相比于預緊工況,隨著公稱直徑的增加,介質內壓作用后雙楔角環墊主面應力值下降幅度明顯低于八角墊內側面,且當公稱直徑超過160mm 后,雙楔角環墊主、從面接觸壓力最大值開始高于八角墊內、外側面最大壓力。

  (4) 隨著法蘭公稱直徑的增大,雙楔角環墊主、從面有效密封寬度呈增大趨勢,而八角墊內、外側面有效密封寬度逐漸減小; 法蘭直徑超過160mm,雙楔角環墊主、從面有效密封寬度優于八角墊內、外側面。可見,雙楔角環墊具有更好的密封性能,特別是對于大法蘭公稱直徑的密封。