帶八角墊與雙楔角環(huán)墊的法蘭接頭密封性能比較
利用ABAQUS 有限元軟件對帶新型雙楔角環(huán)墊與帶八角墊的螺栓法蘭接頭進行數(shù)值模擬分析，對預緊工況和操作工況下的螺栓與法蘭應力最大值、密封面接觸壓力最大值以及有效密封寬度進行分析對比。結果表明：介質內壓使帶雙楔角環(huán)墊的法蘭應力最大值下降，但法蘭與螺栓應力值仍高于帶八角墊的法蘭、螺栓應力值；法蘭公稱直徑增加，八角墊內、外側面的有效密封寬度逐漸減小，而雙楔角環(huán)墊主、從面有效密封寬度有增大的趨勢；雙楔角環(huán)墊特殊的楔形結構使得主、從面接觸應力在介質內壓作用后下降幅度小于八角墊內、外側面，因而具有更好的密封性能，特別是對于大法蘭公稱直徑的密封。
新型密封元件的開發(fā)與設計是墊片密封技術的發(fā)展方向之一。2001 年，Kurokouchi等對環(huán)形金屬平墊進行結構改進，首先提出了一種楔形密封墊。該新型楔形密封墊因具有良好的密封性能，受到研究人員的廣泛關注，并在此基礎上針對不同工程要求進行了改進。2003 年，Aaron 和John為了解決大量的海底管道施工工程對水下密封技術的要求，提出了楔形墊應用在水下管道密封方面的想法。借鑒其設計理念，我國也開始將該楔形墊應用在海底管線連接中。2009 年，美國Taper-lok 公司提出了一種新型雙楔角環(huán)墊。為了研究這種新型雙楔角墊的密封性能，Madazhy 等對僅用3 個螺栓的法蘭接頭中的新型雙楔角環(huán)墊的密封接觸壓力分布進行了有限元分析和水壓試驗，并和傳統(tǒng)平墊片進行了比較。結果表明，該新型環(huán)墊擁有更出色的密封效果。2010 年的ASME 壓力容器與管道會議上，Gardner 等將雙楔角環(huán)墊應用于高壓換熱器中，取代了焊接隔板來防止泄漏，取得了很好的效果。2013 年，徐永杰和陸曉峰用數(shù)值模擬方法研究了雙楔角環(huán)墊的結構尺寸對其密封接觸壓力的影響。
目前，國內外對這種新型雙楔角環(huán)墊的性能研究報道很少，特別對其法蘭接頭的結構完整性和泄漏緊密封未見有系統(tǒng)研究。本文作者運用ABAQUS 有限元軟件分別對采用新型雙楔角環(huán)墊的螺栓法蘭接頭和采用八角墊的螺栓法蘭接頭進行了數(shù)值模擬，對預緊工況和操作工況下2 種法蘭接頭中的法蘭與螺栓應力值、密封面接觸壓力值及有效密封寬度進行了分析對比，為探索這種新型雙楔角環(huán)墊在實際生產(chǎn)中的應用提供了參考。
1、幾何建模及網(wǎng)格劃分
1. 1、法蘭、墊片的選用
研究的新型雙楔角環(huán)墊密封接頭由主法蘭、從法蘭、雙楔角環(huán)墊與緊固螺栓組成，其中雙楔角環(huán)墊的密封面為主、從2 個圓錐面，分別與主法蘭面和從法蘭面相接觸。研究的八角墊法蘭接頭與雙楔角環(huán)墊法蘭接頭的模型尺寸，均選用基于ASME B16.5 標準中NPS 80、150、250 和400 mm Class 300lb 帶頸對焊法蘭，八角墊與雙楔角環(huán)墊截面形狀如圖1 所示，尺寸參數(shù)分別如表1、2 所示。
圖1 八角墊與雙楔角環(huán)墊截面
表1 八角墊尺寸參數(shù)
表2 雙楔角環(huán)墊尺寸參數(shù)
由于二者的模型結構均為軸對稱模型，分別取其1/16、1/24、1/32、1/40 作為研究對象，模型中所取筒體長度均大于2.5 × (Rt) 0.5，其中R為筒體內半徑，t為筒體厚度。
2、結論
(1) 密封環(huán)墊要獲得初始密封，雙楔角環(huán)墊需要的螺栓預緊力小于八角墊的螺栓預緊力；除80mm外，其他公稱直徑下帶雙楔角環(huán)墊的法蘭與螺栓應力值均高于帶八角墊的法蘭與螺栓應力值。
(2) 預緊和操作工況下，雙楔角環(huán)墊從面接觸壓力最大值始終大于主面; 相比于預緊工況，操作工況下雙楔角環(huán)墊從面接觸壓力最大值隨法蘭公稱直徑的增大均下降，而主面接觸壓力最大值先減小后增加。
(3) 預緊和操作工況下雙楔角環(huán)墊主從面和八墊內外側面的最大應力均隨公稱直徑的增大而增加; 相比于預緊工況，隨著公稱直徑的增加，介質內壓作用后雙楔角環(huán)墊主面應力值下降幅度明顯低于八角墊內側面，且當公稱直徑超過160mm 后，雙楔角環(huán)墊主、從面接觸壓力最大值開始高于八角墊內、外側面最大壓力。
(4) 隨著法蘭公稱直徑的增大，雙楔角環(huán)墊主、從面有效密封寬度呈增大趨勢，而八角墊內、外側面有效密封寬度逐漸減小; 法蘭直徑超過160mm，雙楔角環(huán)墊主、從面有效密封寬度優(yōu)于八角墊內、外側面�？梢�，雙楔角環(huán)墊具有更好的密封性能，特別是對于大法蘭公稱直徑的密封。
