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作者：張毅

  學(xué)者們對法蘭密封墊片的應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，如馮秀對金屬墊片接觸應(yīng)力分布的解析算法進(jìn)行了研究，并與數(shù)值模擬進(jìn)行了對比；李多民對金屬波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈性能進(jìn)行了研究，并計算了壓縮率和回彈率；高俊峰等對法蘭連接用的大直徑墊片進(jìn)行了介紹，并提出了選用建議；張燕燕等利用ANSYS對非金屬墊片在彎矩作用下的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究。但是，關(guān)于聚四氟乙烯墊片應(yīng)力場的研究還相對較少，本文對管法蘭連接中的聚四氟乙烯墊片進(jìn)行了仿真計算，并對其密封性能和應(yīng)力分布進(jìn)行了研究。

1  有限元模型的建立

選取管法蘭通徑為φ100 mm，螺栓孔所在圓直徑為φ190.5 mm，法蘭外徑為φ230 mm，厚度為24mm;螺栓孔直徑為φ20 mm，螺栓型號為M16，數(shù)量為8個；墊片外徑為φ230 mm，厚度為3 mm。聚四氟乙烯材料的彈性模量為1. 14 GPa～1. 42 GPa，泊松比為0.4。法蘭和螺栓取相同材料，且其彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。在有限元軟件ABAQUS中建立各個部件的三維模型并完成裝配。劃分網(wǎng)格后的管法蘭和墊片有限元模型如圖1所示。

邊界條件為：在下法蘭盤的端面進(jìn)行軸向約束。載荷條件為：①對各個螺栓施加大小相同的螺栓預(yù)緊力以模擬預(yù)緊過程，如圖2所示；②向法蘭、墊片內(nèi)表面施加介質(zhì)壓力，以模擬法蘭工作狀態(tài)。

2計算結(jié)果分析

  通過分析計算發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)壓力加載前后，法蘭盤和螺栓的Von Mises應(yīng)力變化較小。圖3為螺栓預(yù)緊力為30 kN、介質(zhì)壓力為4 MPa時，法蘭盤和螺栓的VonMises應(yīng)力云圖。由圖3可知：法蘭盤的最大應(yīng)力為119.1 MPa，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓孔處，因而在現(xiàn)場應(yīng)用中法蘭盤的螺栓孔處較易損壞；螺栓最大VonMises應(yīng)力為176.3 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓桿中間部位。

圖4為螺栓預(yù)緊力為30 kN、無介質(zhì)壓力時墊片的Von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力云圖。由圖4可知：聚四氟乙烯墊片螺栓孔附近及靠近墊片外緣部分VonMises應(yīng)力和接觸應(yīng)力較大，而靠近內(nèi)圈處應(yīng)力值較小。所以聚四氟乙烯墊片在預(yù)緊狀態(tài)下的最危險部位是螺栓孔至外緣部分，該部位最容易發(fā)生失效。

圖5為螺栓預(yù)緊力為30 kN，不同介質(zhì)壓力下墊片的Von Mises應(yīng)力云圖。由圖5可知：隨著介質(zhì)壓力增大，墊片的應(yīng)力分布發(fā)生了改變，且其最大Von Mises應(yīng)力逐漸增大；當(dāng)介質(zhì)壓力為1MPa時，墊片內(nèi)圈處的應(yīng)力最��；當(dāng)介質(zhì)壓力大于3 MPa時，墊片中間部位的應(yīng)力最��；而隨著介質(zhì)壓力的增大，內(nèi)圈處應(yīng)力逐漸增大，且聚四氟乙烯墊片高應(yīng)力區(qū)域逐漸由螺栓孔處逐漸移動至墊片外緣部位。

圖6為螺栓預(yù)緊力為30 kN，不同介質(zhì)壓力下墊片的接觸應(yīng)力云圖。隨著介質(zhì)壓力越大，墊片的有效接觸寬度逐漸減小。當(dāng)介質(zhì)壓力為4 MPa時，螺栓孔至內(nèi)圈之間幾乎沒有接觸，說明了墊片沒有實現(xiàn)密封功能。根據(jù)墊片的密封機(jī)理可知，最薄弱部位決定其密封性能，因而如果沿墊片徑向出現(xiàn)最大接觸應(yīng)力小于介質(zhì)壓力，整個法蘭連接就會出現(xiàn)泄漏事故。

3結(jié)論

通過對管法蘭連接中聚四氟乙烯墊片的密封性能進(jìn)行數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)預(yù)緊狀態(tài)下聚四氟乙烯墊片螺栓孔附近及靠近墊片外緣部分的Von Mises應(yīng)力和接  ’觸應(yīng)力較大，而靠近內(nèi)圈處應(yīng)力值較小。在工作狀態(tài)下，隨著介質(zhì)壓力增大，聚四氟乙烯墊片最大VonMises應(yīng)力沿螺栓孔附近移動至墊片外緣，且應(yīng)力值增大。在相同螺栓預(yù)緊力作用下，隨著介質(zhì)壓力的增大，墊片的有效接觸寬度逐漸減小。

4摘要：根據(jù)有限元理論，建立了管法蘭連接有限元模型，對管法蘭用聚四氟乙烯密封墊片的密封性能進(jìn)行了數(shù)值計算。研究了墊片在預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下的Von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力分布，分析了管道內(nèi)介質(zhì)壓力對其應(yīng)力和應(yīng)力分布的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：墊片在工作狀態(tài)下的Von Mises應(yīng)力大于其在預(yù)緊狀態(tài)下的；介質(zhì)壓力越大，墊片的Von Mises應(yīng)力越大，但墊片的有效接觸寬度越小。