高温下八角型垫片的可靠性分析

加氢反应器在高温下服役，出口管道法兰的温度也很高。为了保证高温下法兰工作的安全性，要求此处法兰的密封性极好。因此，此处法兰连接形式必须采用环连接面，相对应的垫片则使用八角型金属环垫。

1 八角型金属环垫片的特性参数

本文选用加氢反应器出口管法兰，最高工作温度tw=429℃，设计温度 t=450℃。法兰的公称压力PN=25MPa，公称直径DN=250mm，采用欧洲体系标准《整体钢制管法兰》（HG 20596—2009）。结合工程实际及相关标准，本研究中法兰材料选用0Cr18Ni10Ti锻钢，八角垫片材料为00Cr19Ni10锻钢，采用的是全螺纹螺柱，其材料为25Cr2MoVA，螺母材料为30CrMo。垫片材料性质如表1所示［1］。

2 建立有限元模型

利用有限元ANSYS软件对高温法兰连接的垫片进行模拟。对本法兰进行研究时建立的模型很复杂。在建模中，考虑到垫片材质具有非线性特性、需设置接触及施加螺栓预紧力采用预紧单元法等因素，本研究法兰以及垫片、螺栓螺母均采用SOLID45单元，螺母与法兰面之间以及八角垫与密封面间处于接触状态，用CONTA174和TARGT170单元来模拟。

由于法兰连接是轴对称结构，则可取管法兰的1/16进行研究。网格划分采用规则的六面体，垫片上的单元尺寸为3mm，法兰和螺柱螺母上的单元尺寸为4mm。对法兰模型施加约束条件：对法兰模型轴向位移进行限定，对法兰两侧对称截面上施加对称约束，与下法兰连接的管道下端面限定轴向位移，施加轴向约束，而上端面设置为自由状态。划分网格后结构分析有限元模型如图1所示。

3 高温下垫片的数值分析

3.1 垫片温度场分析

法兰与相连接的管道内表面以及垫片内表面施加450℃。高温下，垫片上的温度分布如图2所示。从图2可看出，垫片温度分布情况周向较均匀，但沿径向存在明显的温度梯度，由内向外温度逐渐降低；垫片内径温度达到最高；外径处温度较低，位于垫片外侧两侧面处的温度最低。

表1 00Cr19Ni10性质

图1 结构分析的有限元模型

图2 垫片温度场分布图

3.2 高温下垫片应力分析

在实际中，高温下工作的垫片也承受系统的压力。为了能得到更准确的研究结果，需要进行热-固耦合。耦合场中，垫片应力分布情况如图3所示。在本文模拟中采用的是第四强度理论，实际垫片上的应力是压应力，应为负值，为了便于比较说明，故全为正值。

从图3可看出，在操作状态下，垫片周向应力分布较均匀，但其表面应力的分布极不均匀，应力主要集中在垫片各棱角附近区域，尤其在垫片外侧上下棱角处应力最大；总体上，垫片表面应力值都比较大，本体内部应力较小，但最小也达63MPa。由此可见，在操作工况下，垫片表面局部已被屈服。

图3 高温下垫片应力分布图

图4 垫片接触面的压力

3.3 高温下垫片接触面上的压力

八角型垫片具有径向自紧密封作用，使得整个法兰连接系统主要靠垫片外侧面来保证密封。操作工况下，垫片接触面上的压紧力情况如图4所示。

从图4可以看出，压紧面上受力很不均匀，垫片压紧面中间区域压紧力较小，甚至小于垫片的密封比压，这种情况很容易造成泄漏。

因此，法兰连接系统主要靠垫片外侧面来保证密封，但压紧力分布不均匀会造成密封垫产生间隙，从而造成泄漏。

4 结论

①垫片上温度的分布周向较均匀，径向由内向外存在明显递减梯度。

②温度对垫片的影响很大。高温下，垫片材质的膨胀量较大，与法兰密封面压得更紧，相比下垫片上的应力增大较多。

③温度升高过快，会使垫片与法兰密封面间的变形量不同，易致垫片上压紧力小于密封比压而发生泄漏。因此，要在升温过程中应缓慢加温，可减小压紧面出现的不均现象。