彭 飞

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

0 引言

螺栓法兰接头因结构简单、拆卸方便、强度高被广泛应用于石油化工、压力容器和管道连接中。同时，法兰接头也是发生泄漏和逸出的主要源头之一，有报导称有的工厂总挥发物逸出中，来自法兰的占了28%。法兰接头一旦失效，将会对整个设备和管线的正常运行造成严重影响，进而导致设备故障和停工。据统计，螺栓载荷或垫片应力不足是导致法兰接头失效的重要原因之一。本文利用有限元法对法兰接头在一定预紧力下作了密封接触分析，对于分析和验证法兰接头的密封性具有一定的实际意义。

1 有限元模型的建立

如图1所示，法兰接头由法兰盘、垫片和螺栓组成。法兰盘所用材料的弹性模量为2.16×105MPa，泊松比为0.3，螺栓和垫片所用材料的弹性模量为2.11×105MPa，泊松比为0.3。为了得到好的网格质量，对法兰接头的倒圆、倒角和螺栓组进行了简化。同时，采用了1/6模型进行有限元模型的建立，再利用周期对称得到整体的分析结果。这样，网格数量只有整体的1/6，极大的减少了计算量和操作步骤。

图1 法兰接头模型

创建局部圆柱坐标系，轴线方向设置为Z轴，径向方向设置为X轴，周向设置为Y轴，并设置周期对称，选择1/6模型的上面的3个侧面为Low Boundary。下面的3个侧面为High Boundary。

图2 圆柱坐标系的建立和周期对称的设置

本文采用自动网格划分对法兰接头进行划分，控制Body Sizing为5mm。建立完的有限元模型共有66 680个节点，40 899个单元，网格单元质量较好，能够比较精确的进行计算。

图3 1/6有限元模型

2 法兰接头的密封接触分析

设置法兰接头内部压强为10MPa，螺栓预紧力为20 000N。经计算，得到1/6模型的位移云图，由图4可知法兰接头的位移云图左右完全对称，这是由于法兰接头只受到了螺栓预紧力的外力，而没有任何其他沿Y轴方向的外力，最大位移为0.08mm，位于管道管壁处，由内部压力产生的径向位移和轴向位移组成。由整体径向位移云图可知，法兰接头大部分处于膨胀状态，最大位移为0.026mm，法兰盘内侧位移为-0.0085mm，是负值，这是由于法兰接头膨胀，螺栓产生弯曲变形，法兰盘外侧向内侧翻转所导致的。从管道横截面的位移云图看，变形均为正向，变形值为 0.0051～0.0057mm，可见管道处的变形主要为径向变形。

图4 1/6模型的位移云图

图5 整体径向位移云图

图6 管道横截面位移云图

由图7可知，最大应力为200.34MPa，位于螺母与法兰表面接触的位置。为了更好的分析螺栓纵切面内的应力分布，笔者在该位置建立一个平面，得到了该面内的应力云图，从图8中可以知道，螺栓的最大应力为198.25MPa，位于螺母根部，此位置产生了一定程度的应力集中。而螺栓内部的应力分布并不对称，内侧的应力较大，外侧的应力较小，这是由于法兰接头内部压力使法兰接头向外膨胀，造成螺栓发生弯曲变形。

图7 1/6模型的应力云图

图8 螺栓纵截面应力云图

法兰接头是利用螺栓预紧力来压紧垫片和法兰盘，使垫片发生弹性变形或塑性变形，从而使垫片和法兰之间接触平面的凹凸不平及微小间隙得到填充，进而减小液体泄漏的截面积，使其从间隙泄漏的阻力增大从而保证密封性能的。

由法兰盘与垫片接触压强云图9可知，其最大压强为69.05MPa，位于垫片与法兰盘接触的最外侧，远大于内部压强10MPa，且红色部分形成一个封闭环，能够保障法兰接头不发生泄露。

图9 法兰盘与垫片接触压强云图

3 结论

在螺栓预紧力和内部压强的作用下，法兰接头产生一定程度的膨胀变形，最大值为0.026mm，螺栓发生弯曲变形，法兰盘产生一定的翻转变形。最大应力发生在螺母与法兰盘接触的位置，最大值为200.34 MP，小于材料的屈服应力。法兰盘与垫片的接触压强远大于内部压强10MP，法兰接头不会发生泄漏。在20 000N的螺栓预紧力作用下，法兰接头能够满足使用要求。