法兰联接用平面金属垫片的力学性能分析

曾其科

（四川科宏石油天然气工程有限公司，四川 成都 610213 ）

引 言

螺栓法兰垫片密封结构常被用于机械、交通、石化、核能等行业，金属垫片密封是压力容器和管道中常见的密封形式，其失效极少是因强度不足引起的，泄漏是连接系统失效的主要原因。

在法兰连接中，一方面由于螺栓预紧力作用，通过法兰压紧面作用到金属垫片上，当金属垫片表面单位面积上所受的压紧力达到一定时，垫片产生弹性或屈服变形，堵塞流体泄露的通道，从而形成初始密封条件；另一方面密封介质内压引起的轴向力，将促使上下法兰的压紧面分离，垫片在预紧工况形成的压缩量减小，压紧面上的密封比压力下降。

诸多学者对法兰联接进行了研究，但主要集中在对非金属垫片的接触应力的数值分析，而对法兰联接中金属垫片的研究相对较少。如冯军军等对其进行参数化研究，研究外弯矩和法兰公称直径对垫片应力及连接泄漏率的影响，确定外弯矩与泄漏率的规律[2]；张斯亮等建立预紧、操作工况下DN200及DN450两组管道法兰数值计算模型，对法兰及螺栓应力进行分类、强度评定[3]；杜坤等螺栓法兰连接系统各元件之间的相互作用，分析了预紧力密封介质内压力等因素对垫片应力的影响[4]；冯秀等对金属垫片有效密封宽度进行有限元分析，为螺栓法兰金属垫片的设计与安全评价提供了参考[5]。

1 有限元模型

1.1 实体模型及材料参数

由于螺栓法兰垫片模型结构型式和承载对称性，取模型1/2进行分析，利用SolidWorks建立了法兰-金属垫片-螺栓系统模型。……