法兰密封系统应力松弛有限元分析

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现役的螺栓垫片法兰密封系统(简称法兰密封系统”)大多直接裸露在大气中，没有保温，导致大量能源的浪费。针对此种情况，目前尚无行之有效的保温标准可循 ，盲 目地对其进行保温处理，极易导致系统泄漏和安全事故。随着科学技术的发展 ，法兰密封系统逐步向高压力、高温度和大尺寸方向发展，从而对它们的安全和节能要求也不断提高。因此，法兰密封系统的保温研究受到越来越多的关注 。

1 螺栓材料应力松弛试验应力松弛试验是获取材料应力松弛数据的主要途径，是研究和验证材料应力松弛性能最为关键的方法 。为了获取螺栓材料应力松弛数据，CPVT 法兰密封系统应力松弛有限元分析 Vo130.No4 2013分别对 35CrMoA和40MnB试样在 400 oC条件下进行了拉伸应力松弛试验。

根据GB/T 10120-1996(金属应力松弛试验方法》和 GB/T 4338-2006(金属材料 高温拉伸试验方法》中对试样尺寸和表面粗糙度的相关规定，结合试验所用试验机夹头的形状，最终确定试样型式和尺寸，如图1所示，试样具体参数取值如表 1所示。应力松弛试验所用设备为 CMT5105微机控制电子万能实验机，高温炉采用 GW300整体高温炉 图1 应力松弛试样表 1 试样具体参数取值 mm试样 D C H 三40MnB 10 M16 2 5 100 110 30 180 B1.6/535CrMoA l0 M16 2 5 100 l15 30 190 B1.6/51.1 试 验数 据 处理根据螺栓的服役状态，计算出操作状态下保证垫片最小密封比压时螺栓中的应力为80 MPa。

螺栓应力松弛试验时，为加速试验，取 40MnB材质螺栓试验载荷为 7300 N(螺栓 中应力为 90MPa)，35CrMoA材质螺栓具有良好的高温性能，取其试验载荷为 9738 N(螺栓 中应力为 120MPa)。

(1)35CrMoA钢的应力松弛试验按照试验程序，2 h内将试样加热到400℃并同时施加预载荷，稳定之后对试样加载9738 N的载荷，开始试验，试验时间为400000 S(约 111 h)，试验数据如图2所示。

12070图 2 35CrMoA应力松弛曲线(2)40MnB钢的应力松弛试验· 24·与 35CrMoA钢 的应力 松弛试 验相似，对40MnB材质的试样进行加热和预拉伸，然后开始试验，试验载荷为 7300 N，试验时间 86400 S(约24 h)，试验数据如图3所示。

根据 35CrMoA试样 的应力松弛曲线，可得35CrMoA在 400℃条件下的应力松弛率 - 5×10～MPa·S～，应力松弛稳定系数 S 0.84，晶 问稳定 系 数 t 1.22。图 2表 明35CrMoA具有较好的高温抗松弛性能，稳定松弛阶段发展较缓慢。图 3表明 40MnB钢在 400℃条件下抗应力松弛性能较差，在 24 h内试样应力从95 MPa下降到 35 MPa，而且在试验的最后时刻下降趋势依然非常明显。

第 30卷第 4期 压 力 容 器 第 245期2 有限元计算模型选取规格为 BES900-4.0-215-6/25-2I的浮头式换热器管箱法兰密封系统作为研究对象。

2.1 模型的建立和网格划分由于所研究的法兰密封系统近似为轴对称形状，故选取单个螺栓扇面结构建立螺栓 -法兰 -垫片 -壳体 -换热管 -管板系统模型。构成单个螺栓扇面的两个换热器中心线的纵向截面相交9。夹角，如图4所示。

图4 单螺栓扇面模型设置整个模型单元尺寸为 10 mm，垫片网格采用扫掠划分，法兰和管板采用六面体支配加面映射划分方法。模型的网格如图5所示，模型节点数 38705、单元数7973。

图 5 模型网格2.2 载荷和边界条件根据预紧工况公式 wo7rbD。Y计算的单个螺栓的预紧力为 3O kN，换热器操作条件下管程压力2 MPa，壳程压力0.5 MPa，封头端壳体轴向受拉伸载荷8 kN。管箱法兰内壁温度设置为400℃ 。

由于模型为轴对称形状，设置两个轴向界面为对称约束，远离封头的壳体端面限制其轴向位移。保温前换热器与外界环境 自然对流，对流换热系数6 W/(m ·oC)，保温时设置换热器为绝对保温，不与外界进行热量传递。

2.3 模型非线性特征螺栓应力松弛特性采用隐式蠕变中的应变强化蠕变模型 模拟，表达式为：e C1RC2 白e-C4/T (1)式中 e --蠕变应变速率，sR--应力，MPa- - 应变c ，c ， ，c --ANsYs中材料的蠕变参数忽略应力松弛第二阶段，取 C，0，C 0。

根据文献[7]，并结合应力松弛试验数据，40MnB材料：C15×10 MPa-C2·s～，C26.01 K；35CrMoA材料：C12.68×10 MPa 2·S～，C22.99 K。

选用 ANSYS软件中的Gasket Linear Unloa-ding”模型来模拟缠绕式垫片。软件中当垫片应力较小时，加载、卸载曲线如图6所示 ；当垫片应力较大时，加载、卸载曲线按弹性处理。

1.60.00.45 0.75 1.O5P/m rn图6 Gasket Linear Unloading模型CPVT 法兰密封系统应力松弛有限元分析 Vo130.No4 201327万 h)时垫片的密封应力基本为零，该法兰密封系统有效密封时间在 3年以上。