摘要：NiTi合金具有优异的形状记忆效应和超弹性效应，是制备新一代金属密封垫片的理想材料。采用有限元分析软件ABAQUS研究了安装工况对法兰密封连接接头密封性能的影响，并将计算结果和20#钢金属垫片作对比。结果表明：与仅考虑NiTi合金超弹性效应相比，考虑NiTi合金形状记忆效应，可使垫片接触应力提高17.4%；在介质内压、端部载荷作用下，NiTi合金垫片接触应力降低了5%，20#钢金属垫片降低了9%。说明NiTi合金作为密封垫片，在Ms温度下安装，Af温度以上使用的条件下，其密封性能要优于20#钢垫片，可有效的提高法兰螺栓连接接头的密封性能。
关键词：NiTi合金；螺栓法兰接头；安装工况；垫片接触应力
1 引言
螺栓法兰连接是压力容器和管道中最常用的连接形式，广泛地使用在石油化工、电力、原子能等领域。法兰连接结构密封机理非常复杂，垫片性能是直接影响连接密封可靠性的决定性因素之一，垫片密封失效造成的跑、冒、滴、漏会严重地影响生产，不仅会造成巨大的经济损失，而且会污染环境，甚至造成重大人员伤亡事故。
法兰密封垫片材料可以分为非金属、半金属和金属。非金属材料在压缩-回弹性能上有优势，然而在蠕变松弛、抗老化、抗腐蚀、抗辐射方面的性能有缺陷，金属材料的强度高，但是其压缩-回弹性能差，长期使用会由于螺栓或自身材料的蠕变松弛导致密封压紧力下降，半金属材料结合了非金属材料和金属材料的性能，但其稳定性是一直有待解决的问题。
NiTi形状记忆合金的优点有超弹性性能，和普通金属垫片相比其弹性模量小，回弹率高，同时又比非金属材料垫片的抗老化性能好，是近年来逐渐受到关注的新型密封材料。文献[1]基于合金形状记忆效应设计出一种密封缠绕垫片，研究发现NiTi合金的形状记忆效应可以解决法兰连接工作期间密封压紧力下降的问题，但是其加工性能差，需要通过一定的训练方式才可以获得较好的形状记忆效应。文献[2-4]提出形状记忆合金组合螺栓和形状记忆合金波纹垫片，研究结果表明通过改变材料的相变温度和形状记忆效应恢复抗力来满足不同工况下的法兰连接要求，提高密封性能。文献[5]使用有限元方法，研究了在预紧后受内压力和弯矩载荷作用下，垫片密封面上的压紧力分布。结果表明在内压力和弯矩作用下，NiTi形状记忆合金密封面上的压紧力分布均匀性优于纯铝垫片和金属石墨缠绕垫片。NiTi合金的形状记忆效应和超弹性效应和NiTi合金中的马氏体含量有关，温度和应力水平都将影响马氏体含量，目前的研究主要集中在某一温度，不同应力水平下的密封性能或某一应力水平下，不同温度的密封性能，然而基于NiTi合金优点的螺栓法兰密封接头安装工况的研究未见报道。基于不同温度下NiTi合金压缩回弹实验数据，利用ABAQUS有限元软件对NiTi合金垫片在不同安装工况下的垫片接触应力进行了探讨，并且与20#钢垫片进行了对比。
2 有限元模型的建立
2.1 法兰连接系统基本参数
选用PN15MPa、DN100的带颈对焊钢制管法兰（HG/ T20615-2009）材料为42CrMo，螺栓为8×M30的螺柱，材料为35CrMoA。法兰的几何参数，如图1所示。垫片的几何参数，如图2所示。
图1 对焊法兰接头的几何图
Fig.1 Geometric Figure of Butt Welding Flanged Joint
图2 垫片尺寸
Fig.2 The Dimension of Gasket
2.2 各元件材料特性
螺栓法兰连接系统中上、下法兰和螺栓，螺母材料均为线弹性材料参数，如表1所示[6]。垫片材料为NiTi合金和20#钢金属垫片。NiTi合金具有两相，马氏体相和奥氏体相，在不同的组织下，其膨胀系数和弹性模量不同。
表1 各线弹性元件的材料特性
Tab.1 Material Properties of Linear Elastic Parts
20#钢垫片的弹性模量为190GPa，泊松比为0.3，真实应力和真实应变[7]，如图3所示。
图3 20#钢金属垫片的真实应力-真实应变曲线
Fig.3 The True Stress-True Strain Curves of 20#metal Gasket
2.3 NiTi合金在不同温度下压缩-回弹试验
NiTi合金作为典型的形状记忆合金，因马氏体相变而具有超弹性和形状记忆效应特性，但不论是哪种特征均与相转变温度有关。因为NiTi合金处于不同的转变温度下，其金相组织有所不同进而影响材质的力学性能。NiTi合金试样经一定热处理后具备唯一的相转变温度。当相转变温度确定后，另一值得注意的是，试样所处的环境温度，这直接关系到NiTi合金在工程上的应用。本研究以810℃固溶+300℃/1h时效处理的NiTi合金作为研究对象，研究NiTi合金在不同温度下的压缩-回弹性能[8]。
热处理后的NiTi合金的相转变温度Af、As、Ms和Mf分别为-5.07℃、-17.21℃、-25.57℃、-38.65℃。试验采用自主设计夹具，如图4所示。室温条件下进行试验，以0.5MPa/s的加载速度分别加载到600MPa，再以同样的速度0.5MPa/s将试样卸载，得到室温下应力-应变曲线。
图4 压缩试验示意图
Fig.4 Schematic of Experimental Setup in the Compression Tests
试样同样经过810℃固溶+300℃/1h时效的热处理。试验在添加环境箱的MTS试验机上进行压缩-回弹试验，试验设备，如图5所示。试验温度为-40℃、-30℃、-20℃、-10℃。最终可以得到不同环境温度下的应力-应变曲线。将这些曲线与室温下的应力-应变曲线汇总，如图6所示。
图5 加装环境箱的MTS试验机
Fig.5 MTS Testing Machine with a Environmental Chamber
图6 不同温度下NiTi合金的应力应变关系图
Fig.6 The Relationship Between Stress and Strain of Gasket Under Different Temperatures
2.4 有限元分析模型
管法兰连接具有周期对称性，载荷也具有对称性，沿法兰圆周方向取1/8，即包含一个完整螺栓建立模型，如图7所示。有限元模型，如图7（a）所示；网格模型，如图7（b）所示。建模过程中，法兰，螺栓使用C3D8R单元，NiTi合金垫片使用GK3D8N单元，20#钢金属垫片使用C3D8R单元。螺栓、法兰、垫片之间的接触摩擦系数设置为0.2。下法兰接管下端面设为固支，法兰两个侧面设为轴对称约束，上法兰上端面自由，依据圣维南定理，法兰接管长度大于
时，可以忽略由于边界几何不连续造成的应力集中影响。
图7 模型
Fig.7 Model
预紧力是影响密封性能的一个重要因素，通过法兰压紧面传递给垫片，实现初始密封条件[9]。根据GB150-2011在操作工况下，螺栓载荷Wp为：
式中：b—有效垫片压紧宽度，mm；DG—垫片载荷作用中心圆的直径，mm。有效密封宽度按照下面方法计算：
当b0≤6.4mm
当b0＞6.4mm
式中：b0—基本垫片压紧宽度，mm；D0、Di-垫片的外、内径，mm。
对于20#钢垫片，其m=5.5[7]，计算出螺栓载荷为103295N，操作内压为15MPa，在上法兰上端面施加一个等效拉应力46MPa。
基于以上模型，对不同安装工况下NiTi合金垫片密封性能进行了分析，并将计算结果与普通金属垫片进行了对比，模拟工况有：（1）工况1，低温下安装（Ms温度以下安装），正常温度下使用（Af温度以上使用），即考虑NiTi合金材料的形状记忆性及超弹性；（2）工况2，正常温度下安装及使用（Af温度以上安装和使用），即考虑NiTi合金材料的超弹性；（3）工况3，20#钢垫片。三种工况的分析步设置，如表2所示。
表2 分析步设置
Tab.2 The Step Set
3 有限元分析结果
对法兰密封连接而言，影响密封效果的最直接问题就是“泄漏”。密封垫片的泄漏包括渗透泄漏和界面泄漏，在使用金属垫片的法兰连接中，仅有界面泄漏，与界面泄漏相对应的问题就是密封压紧力[10]，即垫片与法兰之间的接触应力。为了更好的分析对比NiTi合金垫片密封性能，在垫片径向上选取7条采样路径，以平均值作为分析对象，其采样路径，如图8所示。
图8 垫片径向方向路径
Fig.8 The Radial Direction Path in Gasket
3.1 螺栓预紧状态下垫片的接触应力分布
不同工况预紧条件下，垫片接触应力分布云图，如图9所示。从图9可以看出，不同安装工况的NiTi合金垫片和20#钢垫片，在螺栓预紧力作用下，垫片上的接触应力沿着周向分布比较均匀，沿径向方向接触应力由内向外逐渐增大，垫片外紧内松，这是由于法兰偏转所引起的。
图9 不同安装方式和材料的垫片在螺栓预紧力作用下的接触应力
Fig.9 The Contact Stress of Different Installation and Materials Under Bolt Load
不同工况预紧条件下，垫片接触应力分布对比，如图10所示。从图10中可以看出，虽然20#钢垫片比NiTi垫片具有更高的接触应力，但20#钢垫片在径向方向的接触应力变化非常大，其内侧有6.5mm宽度的接触应力为0，而两种不同安装工况下的NiTi垫片的接触应力呈线性分布，表现出较好的均匀性。说明NiTi合金的形状记忆效应和超弹性效应可以使得垫片的接触应力分布均匀。对比工况1低温状态和工况1常温状态发现，当垫片温度上升至25℃时，垫片平均接触应力明显增加，平均最大应力由原来的214MPa增加至259MPa，这是因为NiTi合金形状记忆性发挥了作用，NiTi合金形状记忆性带来的垫片接触应力所占比重约为17.4%，说明NiTi合金的形状记忆性是提高垫片密封性能的重要手段之一。
图10 预紧力作用下垫片接触应力沿垫片径向方向上的分布
Fig.10 The Contact Stress along the Radial Direction of the Gasket Under Bolt Preload
3.2 预紧+内压下的垫片接触应力分布
不同工况下，预紧+内压作用的垫片接触应力对比，如图11所示。施加内压后，20#钢垫片内侧接触应力为0的宽度继续增大，大约有7.6mm宽，径向接触应力分布仍然不均匀，对比图10和图11可以看出，在介质内压的作用下，20#钢金属垫片接触应力由427MPa下降到390MPa，降幅为9%；采用工况1安装的NiTi合金垫片接触应力由259MPa下降到246MPa，降幅为5%；采用工况2安装的NiTi合金垫片接触应力由282MPa下降到263MPa，降幅为6.7%。说明NiTi合金垫片能有效的提高法兰螺栓连接接头的密封性能，并且由于NiTi合金的超弹性和形状记忆性，可以有效的解决螺栓变形造成的法兰连接接头泄漏问题。
图11 内压作用下垫片接触应力沿垫片径向方向上的分布
Fig.11 The Contact Stress of the Gasket Under Internal Pressure
4 结论
基于NiTi合金在不同温度下的压缩-回弹试验，采用有限元软件ABAQUS研究了安装工况对NiTi合金垫片螺栓法兰接头接触应力的影响，并与20#钢金属垫片进行了对比，得到如下结论：
（1）在工况1下的NiTi合金垫片，当垫片温度由-30℃上升至25℃时，在预紧状态下，垫片上的接触应力由214MPa增加至259MPa，这是因为NiTi合金形状记忆性发挥了作用，NiTi合金形状记忆性带来的垫片接触应力所占比重约为17.4%。
（2）在介质内压和端部载荷的作用下，20#钢垫片接触应力下降9%，NiTi合金垫片下降了5%，NiTi合金的超弹性和形状记忆性，可以有效的解决螺栓变形造成的法兰连接接头泄漏问题。
