螺栓荷载不均匀对法兰密封的影响程度

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在石化装置中，螺栓法兰垫片密封 (简称法兰密封)是使用最广泛的静密封。法兰密封的可靠性是保证石化装置安全运行的必要条件。在法兰密封中，螺栓法兰垫片是-个协调变形系统，垫片密封面的压应力在理想条件下的解析解误差较大，非理想条件下得不到解析解。利用有限元分析方法，可以得到垫片密封面压应力在非理想条件下的数值解，因此利用有限元分析方法可以指导重要部位法兰密封的安装和检修施工。

1法兰密封泄漏案例某厂生产装置-处法兰密封在操作波动时发生了泄漏，该处作业空间狭窄，狭窄处有1套螺栓预紧力几乎为0，怀疑泄漏处垫片密封面压应力小于垫片比压力。螺栓、法兰、垫片规格材质见表1。操作条件：操作温度 180℃，操作压力1.2MPa。

2建立有限元模型模型由两片法兰压紧垫片组成，螺栓荷载用螺栓孔附近的法兰面上施加等效力代替。为了在模型上施加介质压力，在距密封面最远处)JH2mm薄盖板，这样可忽略薄盖板对密封面压应力的影响。图1是有限元模型图。

3划分单元格本文重点分析垫片密封面的压应力，因为垫片相对于法兰是炳，所以将模型划分成不等尺寸的单元格。在图l所示的模型中，将垫片和密封面上的单元格划细，法兰和内外定位环上的单元格划粗，垫片的网格划分如图2所示。

4计算密封面压应力4.1工况-表1 螺栓、法兰、垫片规格材质序号 名称 规格 材质l 螺栓 M20×100 35CrMo2 对焊法兰 PN25DN100 20 钢缠绕垫片 304钢带柔性 3 PN25DN100(带内外环) 石墨图1 有限元模型图2 垫片的网格划分图作者简介：李桂莉 (1964-)，女，辽宁葫芦岛人，工学学士，工程师。从事设备检修管理工作。

- D. 技术交流 石油和化工设备2013年第1 6卷模拟案例工况，7套螺栓荷载为80000N (约为螺栓屈服极限的80%)，l套螺栓受力极校对工况-的模型进行有限元计算，模型应力及变形情况如图3所示 (变形比例l：5)，在图3中可明显看到由于螺栓荷载不均匀导致法兰变形不均匀。垫片密封面压应力沿圆周分布如图4所示。

图3 模型应力及变形图4 ，0 3t6lq 2 2528 4374O43464崎S，SS 8 1靠4 7 70 7j ， ～ - - ～ - l丹市尊图4 工况-垫片密封面压应力沿圆周分布图从图4中可以看到，垫片密封面局部压应力小于垫片比压力 (70MPa)。

4.2工况二模拟 螺栓均匀荷载情况 ，8套螺栓均匀加载，螺栓荷载为40000N (约为螺栓屈服极限的40%)。加载后，对垫片密封面压应力进行有限元计算，垫片密封面压应力沿圆周分布如图5所示。

5分析工况-的螺栓总荷载 (560000N)比工况二的密封街蕊癣力沿鳓周分布曲线. 垫 ∞0t邶00800C(000- ，7L'K(X)000 !6f f 0≮ 25槛)00000. 40000000l置 ： 3疆)O000O懈2t虬船0(站0l∞ (IljO00彗葑麓笺爱《 ，ml 3 5 7 9 tlt315i7l垂21 22527293i33 35373941434547周商赍筛点 ：图5 工况二密封面压应力沿圆周分布图螺栓总荷载 (320000N)大，但螺栓荷载不均匀，引起图3所示的法兰变形不均匀，导致垫片密封面局部压应力小于垫片比压力 (70MPa)，发生介质泄漏。工况二的螺栓荷载比工况-要小，但螺栓荷载均匀，密封面的压应力高于垫片比压力(70MPa)，且垫片的压缩裕量也较大，密封效果明显优于工况-。

6嗅案例中法兰密封泄漏的主要因素是螺栓荷载不均匀；螺栓法兰垫片是协调变形系统，螺栓荷载不均匀导致垫片密封面压应力不均匀，影响法兰密封效果；垫片密封面的压应力可以通过有限元法进行定量计算，并得到满意的数值解：在法兰密封安装检修施工时， 把得匀”比 把的紧”更重要。在紧固重要部位法兰密封的螺栓时，应使用液压扳手或力矩扳手，极其重要部位的螺栓要使用螺栓拉伸器。