径向受载型金属垫片法兰密封结构的力学特性研究-河北奥赛罗密封材料有限公司
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径向受载型金属垫片法兰密封结构的力学特性研究
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　　【摘要】 介绍了一种径向受载型金属法兰密封结构，分析了其受力特点和密封机理。利用有限元分析方法对它的力学特性进行了研究，计算了不同的法兰锥形张角在不同轴向压缩量下的轴向力、径向力以及密封面上的最大 von Mises 应力，分析了其规律及对密封结构装配特性、密封特性的影响。与普通轴向受载型金属垫片法兰密封结构相比，其所需的紧固载荷较小，用较轻的法兰及较小的螺栓载荷即能实现密封作用，尤其适用于装配空间小、装配时间要求短、有辐射、需远距离操作等场合。
　　【关键词】金属垫片; 法兰; 径向载荷; 密封; 力学特性
　　0 引言
　　金属垫片法兰密封结构广泛应用于航空、 航天、 核能、 石油、 化工等领域的压力容器、 管路、 阀门等装置，适用于低温、 高温、 高压、 高真空、 辐射、强酸、强碱及强腐蚀等工作条件恶劣、 密封要求高、 其他密封形式难以满足要求的场合[ 1 - 5] 。
　　一般的金属垫片法兰密封结构通过较大的螺栓载荷使法兰与垫片紧密贴合， 接触面上所产生的压应力使垫片表面发生屈服并产生塑性流动，填充接触面之间的微观泄漏通道，以实现介质的密封要求[ 6 - 7] 。这种连接结构一般需要较为笨重的法兰以及较大的螺栓载荷， 不适用于重量要求较轻、装配空间受限以及需远距离操作等场合; 另外，过大的螺栓紧固载荷， 安装及检修工作中， 易发生螺栓力超出许用值而破坏密封面、甚至压溃垫片的情况[ 8] 。
　　文中介绍一种金属垫片法兰密封结构， 该结构中金属垫片的密封面不是上、 下表面， 而是其内、 外圆周面; 在法兰及螺栓载荷的作用下，依靠其自身的扭转变形， 形成与法兰径向接触的密封力; 用较轻的法兰及较小的螺栓载荷即能实现密封作用， 适用于装配空间小、装配时间要求短、 有辐射、 需远距离拆装等场合。
　　该密封结构依靠金属垫片的径向变形产生密封力，故称其为径向受载型金属垫片法兰密封结构，文中通过结构分析及有限元分析计算，对其密封机理及力学特性形成了基本认识。
　　1 密封结构及机理
　　1. 1 密封结构
　　径向受载型金属垫片法兰密封结构如图 1 所示，由金属垫片、 上法兰、 下法兰以及紧固件组成。上、 下法兰密封沟槽的设计有别于普通法兰，其与金属垫片轴向、径向接触的面均有一定的角度。密封结构的初始装配状态如图 1 所示，金属垫片水平安装在上、下法兰的密封沟槽之间，没有产生变形。
　　装配完成的密封结构如图 2 所示。当在螺栓载荷的作用下， 上、下法兰结合面贴合时，金属垫片发生偏转，因其扭转变形，在与上、下法兰的接触面上均产生了较大的接触应力，起到阻止介质轴向泄漏的作用。
　　1. 2 受力特点及密封机理
　　金属垫片与上、 下法兰初始接触时的受力状态如图 3 所示。刚开始产生轴向接触， 金属垫片受到轴向压缩力 Fa; 随着轴向压缩的增加， 金属垫片开始产生变形，径向挤压应力建立起来，其径向力为 Fr; 金属垫片内、 外圆所受径向力大小相等、 方向相反， 形成了一对力偶， 其偏心距为 Lr，其对金属垫片变形所形成的约束力矩由法兰的紧固载荷平衡。法兰密封部位的锥形张角 α 是径向受载型金属垫片法兰密封结构的一个重要设计参数，与影响密封性能的密封面宽度、 径向力以及螺栓载荷等有着密切联系[ 9] ， 在后续的力学特性分析中将重点介绍。
　　密封结构装配完成后， 金属垫片的受力状态如图 4 所示。垫片发生了扭转变形， 因挤压变形较大，径向力 Fr大幅增大， 偏心距 Lr已减至很小，接近为 0，故径向力偶对金属垫片的作用已可忽略不计[ 9] 。
　　装配完成后，金属垫片与上、 下法兰的径向接触面均已进入屈服，产生了一定量的塑性变形，表面材料的塑性流动填充了密封面上微观的凹凸不平，从而消除了接触面之间的泄漏通道，实现介质的密封要求。
　　2 力学特性分析
　　采用有限元法对径向受载型金属垫片法兰密封结构的轴向力、 径向力以及密封面上的应力状态进行了计算和分析， 对其力学特性有了基本的认识。
　　2. 1 有限元模型
　　采用 ANSYS 有限元软件对径向受载型金属垫片法兰密封结构进行计算，因密封结构、 载荷和约束均具有对称性，故建立其二维轴对称有限元简化模型。建立了锥形张角 α 分别为 0，3°和 6°时的密封结构有限元模型， 其中 α 为 3°时的有限元模型如图 5 所示。
　　所研究的金属垫片及上、 下法兰的材料均为0Cr18Ni9，采用基于 von Mises 屈服准则的双线性等向强化材料模型来定义其材料特性， 其基本力学性能参数见表 1[ 10] 。采用 ANSYS 软件中的罚单元法处理密封结构中的接触非线性问题， 即在两接触面的各节点间建立一种伪单元来模拟面与面的接触。在 ANSYS 有限元分析模型中， 金属垫片和法兰均采用实体单元 Plane 182; 建立接触对时，按照有限元接触分析中的定义准则确定金属垫片作为接触体，法兰作为目标体，法兰之间的接触则定义上法兰为接触体，所用接触单元和目标单元分别是 CONTACT 172 和 TARGE 169[ 11] 。
　　2. 2 轴向力和径向力的计算和分析
　　分别计算了 α 为 0，3°和 6°时不同的轴向压缩量下的轴向力 Fa， 结果如图 6 所示。可以看出: 当 α = 0 时， Fa 随着轴向压缩量的增大而减小，当轴向压缩量小于 0. 4 时， Fa 随压缩量的变化幅度较大; 当 α = 3° 时， 随着轴向压缩量的增大，Fa 先增大后减小， 在轴向压缩量为 0. 15 mm时达到峰值; 当 α = 6° 时， 随着轴向压缩量的增大，Fa也是先增大后减小， 在轴向压缩量为 0. 25mm 时达到峰值， Fa 随压缩量的变化幅度较为平缓; 当轴向压缩量小于 0. 5 mm 时， α 越大， Fa 越小; 当轴向压缩量大于 0. 5 mm 时，3 种结构的 Fa较为接近，且 Fa随压缩量变化的幅度较小。
　　图 7 示出 α 分别为 0，3°和 6°时不同的轴向压缩量下的径向力 Fr。由图 7 可知( 与图 6 所反映的规律基本一致) : 当 α = 0 时， Fr 随轴向压缩量的增大而减小，Fr随压缩量的变化幅度较大; 当α = 3°时， 随着轴向压缩量的增大， Fr 先增大后减小，在轴向压缩量为 0. 15 mm 时达到峰值; 当 α =6°时，随着轴向压缩量的增大， Fr 先增大后减小，在轴向压缩量为 0. 25 mm 时达到峰值， Fr随压缩量的变化幅度比较小。当轴向压缩量小于 0. 55mm 时，α 越大， Fr 越小; 当轴向压缩量大于 0. 55mm 时，3 种密封结构的 Fr比较接近。
　　比较图 6，7 可知，径向力 Fr和轴向力 Fa随轴向压缩量的变化规律基本一致; 在同一轴向压缩量下，Fr比 Fa大，约为其 10 倍左右。
　　在不考虑介质压力及其他附加载荷的情况下，法兰螺栓的紧固载荷主要用于平衡金属垫片反作用在法兰上的轴向力 Fa 以及径向力 Fr 所产生的约束力矩。由上述分析可知， 虽然 Fa， Fr 的值与 α 以及压缩量有关， 但所需要的轴向力及产生的约束力矩较普通金属垫片密封结构要小很多; Fa和 Fr与 α 的关系均非常密切，可以 α 为优化参数进行该种密封结构的优化设计， 以改善金属垫片和法兰的受力状态; Fa 和 Fr 同样与压缩量也有较大的关系，可通过结构设计，保证金属垫片在较为合理的压缩状态下工作。
　　2. 3 密封面上最大 von Mises 应力的计算和分析
　　当 α 为 0 时，金属垫片内、 外圆密封面上的最大 von Mises 应力随轴向压缩量的变化关系如图8 所示。
　　可以看出，两个密封面上的最大 von Mises 应力随轴向压缩量的变化规律基本一致: 随着轴向压缩量的增大， 最大 von Mises 应力先增大后减小，在轴向压缩量为 0. 3 mm 时达到峰值; 在同一轴向压缩量下，内圆密封面上的最大 von Mises 应力较外圆密封面上的稍大; 在如图所示的轴向压缩量下，内、外圆密封面上的最大 von Mises 应力均大于金属垫片密封材料的屈服强度。
　　当 α 为 3°时， 金属垫片内、 外圆密封面上的最大 von Mises 应力随轴向压缩量的变化关系如图 9 所示。可以看出，两个密封面上的最大 vonMises 应力均随着轴向压缩量的增大而增大; 在同一轴向压缩量下，内圆密封面上的最大 von Mises应力较外圆密封面上的大， 且当轴向压缩量大于0. 4 mm 时，两者之间的差值较大; 在所计算的轴向压缩量下， 内、 外圆密封面上的最大 von Mises应力均大于金属垫片密封材料的屈服强度。
　　当 α 为 6°时， 金属垫片内、 外圆密封面上的最大 von Mises 应力随轴向压缩量的变化关系如图 10 所示。可以看出，两个密封面上的最大 vonMises 应力均随着轴向压缩量的增大而增大; 在同一轴向压缩量下，内、 外圆密封面上的最大 vonMises 应力值比较接近; 当轴向压缩量大于 0. 1mm 时， 内、 外圆密封面上的最大 von Mises 应力均大于金属垫片密封材料的屈服应力。
　　密封面上最大 von Mises 应力的大小较大程度上说明了密封面上的塑性变形程度， 在满足密封结构强度、刚度和稳定性要求的前提下，密封面上的塑性变形程度需在一个较为合理的范围内。另外，只有密封结构的内、 外圆密封面均起有效密封作用时，密封结构才有效。比较图 8 ～ 10 可知，在同一压缩量下， α = 0大 von Mises 应力均小于 α = 3°时的最大 von Mises 应力; α = 6° 时内、 外圆密封面上的最大 vonMises 应力介于 α = 3°时的最大 von Mises 应力之间。因此， α 和轴向压缩量与密封结构的密封性能有着密切关系，需根据密封要求在结构设计中予以保证。
　　3 结语
　　研究结果表明， 径向受载型金属垫片法兰密封结构所需的紧固载荷较小， 使用较小的螺栓载荷、 较轻便的法兰即可实现密封作用， 为其装配、检修及应用领域拓展提供了较大便利。文中仅对径向受载型金属垫片法兰密封结构的力学特性进行了初步分析，其法兰结构设计参数 α 以及轴向压缩量等与整体密封系统的力学和密封特性等的关系，需作进一步的后续研究。
　　【参考文献】
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　　[ 4] 刘洁，王强. 阀用柔性石墨金属波齿复合垫片密封失效分 析 及 改 进[ J] . 流 体 机 械， 2013， 41 ( 3 ) :
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　　[ 6] 刘维滨， 郝木明， 李振涛， 等. 金属锥形密封性能的非线性有限元分析[ J] . 润滑与密封，) :60 - 65.
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带颈不锈钢法兰是，法兰的一种，法兰又叫法兰盘或突缘.是管子与管子相互连接的零件。连接于管端。法兰上有孔眼，可穿螺栓，使两法兰紧连。
密封垫应有良好的耐油和抗老化性能，以及比较好的弹性和机械强度。安装应根据连接处形状选用不同截面和尺寸的密封确。
没有产生一定的质量和性能问题。不锈钢法兰并非是一种通常意义上的简朴机械零部件，而是一种包含了丰硕技术内涵的机械产品载体。
不锈钢法兰应有足够的强度，紧固时不得变形。法兰密封面应平整清洁，安装时要认真清理油污和锈斑。
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不锈钢法兰与碳钢产品的计算公式
不锈钢法兰的计算最常见的是按无缝管来计算，这个意思就是说把产品平放于地，从上面将其看成一个管材的头儿，无缝管的理论公式知道如何计算了之后，就可以套到这个大型法兰上了，就是（外径—厚度）X厚度X0.02466而得出来的一个碳钢产品的理论数据。
是这样的来计算的。而不锈钢的产品前面的计算是一样的，只是后来不是乘以0.02466，而是乘以0.02491.是这样的一个区别，至于其它的方面，就与碳钢的大型法兰没有什么区别了。
&碳钢的产品与不锈钢的计算的公式是不一样的。这是由于这两种材质的密度不一样，所含的亦是不一样。所以国家在订制这个计算的公式的时候有了不同的数据的。
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