摘要：基于非线性接触分析理论和多场耦合理论，采用通用有限元分析软件，对典型法兰密封系统在不同条件下的密封性能进行了研究。通过建立法兰、垫片和螺栓构成的密封系统三维实体装配模型和离散化处理，综合考虑螺栓预紧载荷、流体热载荷和流体压力载荷设定边界条件，对机械载荷和热载荷综合作用下的部件应力进行了数值计算，得到了不同条件下垫片的接触压力，据此评估密封性能。结果表明：热负荷对垫片接触应力影响显著，但法兰面分离量随温度升高而有所降低。
关键词：有限元分析；法兰垫片；密封性能；热负荷；多场耦合
0 引言
高温条件下法兰垫片密封性能的好坏，直接影响系统运行可靠性，因此，人们对其开展了较多研究。例如，Ma K等研究了金属对金属的法兰密封系统在多种工况条件下的密封性能；Omiya等试验研究了热负荷对螺旋缠绕垫片密封性能的影响；石秀勇等基于接触理论，分析了气缸盖/气缸套密封性能。但对高温条件下法兰垫片密封性能进行多场耦合研究，报道较少。本文基于多场耦合理论，运用3D有限元方法，研究了热负荷对法兰垫片密封性能的影响。
1 热固耦合分析基本思路和步骤
热—固间接耦合分析一般首先根据温度边界条件对结构进行热分析，然后将热分析得到的节点温度结果作为“温度载荷”施加到后续的结构应力分析之中，从而得到温度载荷下结构的热膨胀位移和应力。主要分析步骤有：①对结构进行有限元建模；②施加结构温度边界条件并进行热分析；③存贮热分析结果；④进行结构分析前处理；⑤读取热分析结果并将其作为温度载荷施加到结构的各个节点上；⑥对结构场进行求解并进行相关结果后处理。
2 模型建立与结构离散化
图1 某法兰密封系统结构示意图
研究对象为符合ASME标准的不锈钢焊接法兰密封系统，由法兰、法兰垫片和螺栓等构成，如图1所示。其中法兰垫片内外径分别为50.80mm和60.35mm，厚度为4.5mm，螺栓直径20mm。运用Solidworks软件建立其三维实体模型。在ansys workbench中对模型进行离散化处理，法兰采用SOLID185单元进行离散。为在后续分析中施加螺栓预紧力，对螺栓采用PRETS179单元进行离散。垫片单元类型选择为INTER195。考虑到法兰刚度比螺栓和垫片高，在按接触非线性分析过程中，法兰单元选择为contact 170，螺栓接触面单元选择target 174。在热分析过程中，法兰和螺栓单元分别改为SOLID70和SOLID90。
3 边界条件与材料属性
根据工况条件，静力分析过程中，设单个螺栓预紧为20kN，流体压强分别设为 0、3、6、10 和 15MPa。
热分析过程中，流体温度取值为373、473和573K，对流传热系数设为150W/m2/K。法兰外表面为环境温度，取值为310K，与大气间的自然对流传热系数取值为20W/m2/K。
模型材料属性如表1所示。
表1 模型材料属性
4 数值模拟分析结果
4.1 垫片接触应力
垫片对法兰通道内流体的密封作用，主要取决于垫片与法兰结合面的接触应力大小，在一定范围内，接触应力越大，密封效果越好。因此，数值模拟中，重点关注的是垫片接触压力的大小。如图2所示，在20kN的螺栓预紧力和一定内压作用下，垫片接触应力随着温度升高而减小，例如，当流体温度为310K时，接触应力为-31.75MPa，而573K时为-16.21MPa。从图3还可以得到不同温度下的保证密封的最大安全流体压力，在310K时许用安全流体压力为10.70MPa，而当温度升高至573K时，许用的安全流体压力降为6.46MPa，温度高低对安全许用压力大小有显著影响。
图2 垫片接触应力随温度和内压的变化规律
4.2 法兰结合面分离
图3是373K时的密封系统温度分布图，清晰显示了温度分布的非均匀性。数值模拟结果表明，法兰密封系统温度分布的非均匀性和结构的局部的尺寸突变性，导致法兰结合面在内压、螺栓预紧力和高温作用下降发生分离现象（如图4所示），削弱密封接触压力，降低密封性能。
图3 373K时法兰密封系统温度分布
图4 法兰结合面分离角度示意图
流体温度不同，法兰结合面分离角度大小不同，在20KN螺栓预紧力和3MPa液体内压作用下，310、373、473和573K时法兰分离角大小分别为0.406、0.362、0.312和0.256×10-3度，表明法兰结合面分离角随温度升高而减小。
5 结论
①非线性接触分析理论和多场耦合理论，采用有限元分析方法，对典型法兰密封系统密封性能进行数值模拟，可以分析预测其密封性能，有利于缩短产品研发周期和提高法兰系统密封可靠性。②垫片接触应力对热负荷比较敏感，随温度升高而减小。流体温度高低对法兰密封系统安全许用压力大小有显著影响。③法兰结合面分离程度随温度升高而降低，对提高密封性能有一定积极作用。
