带八角垫与双楔角环垫的法兰接头密封性能比较

　　利用ABAQUS 有限元软件对带新型双楔角环垫与带八角垫的螺栓法兰接头进行数值模拟分析，对预紧工况和操作工况下的螺栓与法兰应力最大值、密封面接触压力最大值以及有效密封宽度进行分析对比。结果表明：介质内压使带双楔角环垫的法兰应力最大值下降，但法兰与螺栓应力值仍高于带八角垫的法兰、螺栓应力值；法兰公称直径增加，八角垫内、外侧面的有效密封宽度逐渐减小，而双楔角环垫主、从面有效密封宽度有增大的趋势；双楔角环垫特殊的楔形结构使得主、从面接触应力在介质内压作用后下降幅度小于八角垫内、外侧面，因而具有更好的密封性能，特别是对于大法兰公称直径的密封。

　　新型密封元件的开发与设计是垫片密封技术的发展方向之一。2001 年，Kurokouchi等对环形金属平垫进行结构改进，首先提出了一种楔形密封垫。该新型楔形密封垫因具有良好的密封性能，受到研究人员的广泛关注，并在此基础上针对不同工程要求进行了改进。2003 年，Aaron 和John为了解决大量的海底管道施工工程对水下密封技术的要求，提出了楔形垫应用在水下管道密封方面的想法。借鉴其设计理念，我国也开始将该楔形垫应用在海底管线连接中。2009 年，美国Taper-lok 公司提出了一种新型双楔角环垫。为了研究这种新型双楔角垫的密封性能，Madazhy 等对仅用3 个螺栓的法兰接头中的新型双楔角环垫的密封接触压力分布进行了有限元分析和水压试验，并和传统平垫片进行了比较。结果表明，该新型环垫拥有更出色的密封效果。2010 年的ASME 压力容器与管道会议上，Gardner 等将双楔角环垫应用于高压换热器中，取代了焊接隔板来防止泄漏，取得了很好的效果。2013 年，徐永杰和陆晓峰用数值模拟方法研究了双楔角环垫的结构尺寸对其密封接触压力的影响。

　　目前，国内外对这种新型双楔角环垫的性能研究报道很少，特别对其法兰接头的结构完整性和泄漏紧密封未见有系统研究。本文作者运用ABAQUS 有限元软件分别对采用新型双楔角环垫的螺栓法兰接头和采用八角垫的螺栓法兰接头进行了数值模拟，对预紧工况和操作工况下2 种法兰接头中的法兰与螺栓应力值、密封面接触压力值及有效密封宽度进行了分析对比，为探索这种新型双楔角环垫在实际生产中的应用提供了参考。

1、几何建模及网格划分

　　1. 1、法兰、垫片的选用

　　研究的新型双楔角环垫密封接头由主法兰、从法兰、双楔角环垫与紧固螺栓组成，其中双楔角环垫的密封面为主、从2 个圆锥面，分别与主法兰面和从法兰面相接触。研究的八角垫法兰接头与双楔角环垫法兰接头的模型尺寸，均选用基于ASME B16.5 标准中NPS 80、150、250 和400 mm Class 300lb 带颈对焊法兰，八角垫与双楔角环垫截面形状如图1 所示，尺寸参数分别如表1、2 所示。

图1 八角垫与双楔角环垫截面

表1 八角垫尺寸参数

表2 双楔角环垫尺寸参数

　　由于二者的模型结构均为轴对称模型，分别取其1/16、1/24、1/32、1/40 作为研究对象，模型中所取筒体长度均大于2.5 × (Rt) ^0.5，其中R为筒体内半径，t为筒体厚度。

2、结论

　　(1) 密封环垫要获得初始密封，双楔角环垫需要的螺栓预紧力小于八角垫的螺栓预紧力；除80mm外，其他公称直径下带双楔角环垫的法兰与螺栓应力值均高于带八角垫的法兰与螺栓应力值。

　　(2) 预紧和操作工况下，双楔角环垫从面接触压力最大值始终大于主面; 相比于预紧工况，操作工况下双楔角环垫从面接触压力最大值随法兰公称直径的增大均下降，而主面接触压力最大值先减小后增加。

　　(3) 预紧和操作工况下双楔角环垫主从面和八垫内外侧面的最大应力均随公称直径的增大而增加; 相比于预紧工况，随着公称直径的增加，介质内压作用后双楔角环垫主面应力值下降幅度明显低于八角垫内侧面，且当公称直径超过160mm 后，双楔角环垫主、从面接触压力最大值开始高于八角垫内、外侧面最大压力。

　　(4) 随着法兰公称直径的增大，双楔角环垫主、从面有效密封宽度呈增大趋势，而八角垫内、外侧面有效密封宽度逐渐减小; 法兰直径超过160mm，双楔角环垫主、从面有效密封宽度优于八角垫内、外侧面。可见，双楔角环垫具有更好的密封性能，特别是对于大法兰公称直径的密封。