径向受载型金属垫片法兰密封结构的力学特性研究

廖传军，满 满，王洪锐，许 光，张 翼

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

金属垫片法兰密封结构广泛应用于航空、航天、核能、石油、化工等领域的压力容器、管路、阀门等装置，适用于低温、高温、高压、高真空、辐射、强酸、强碱及强腐蚀等工作条件恶劣、密封要求高、其他密封形式难以满足要求的场合［1－5］。

一般的金属垫片法兰密封结构通过较大的螺栓载荷使法兰与垫片紧密贴合，接触面上所产生的压应力使垫片表面发生屈服并产生塑性流动，填充接触面之间的微观泄漏通道，以实现介质的密封要求［6－7］。这种连接结构一般需要较为笨重的法兰以及较大的螺栓载荷，不适用于重量要求较轻、装配空间受限以及需远距离操作等场合;另外，过大的螺栓紧固载荷，安装及检修工作中，易发生螺栓力超出许用值而破坏密封面、甚至压溃垫片的情况［8］。

文中介绍一种金属垫片法兰密封结构，该结构中金属垫片的密封面不是上、下表面，而是其内、外圆周面;在法兰及螺栓载荷的作用下，依靠其自身的扭转变形，形成与法兰径向接触的密封力;用较轻的法兰及较小的螺栓载荷即能实现密封作用，适用于装配空间小、装配时间要求短、有辐射、需远距离拆装等场合。

该密封结构依靠金属垫片的径向变形产生密封力，故称其为径向受载型金属垫片法兰密封结构，文中通过结构分析及有限元分析计算，对其密封机理及力学特性形成了基本认识。

1 密封结构及机理

1.1 密封结构

径向受载型金属垫片法兰密封结构如图1所示，由金属垫片、上法兰、下法兰以及紧固件组成。上、下法兰密封沟槽的设计有别于普通法兰，其与金属垫片轴向、径向接触的面均有一定的角度。密封结构的初始装配状态如图1所示，金属垫片水平安装在上、下法兰的密封沟槽之间，没有产生变形。

装配完成的密封结构如图2所示。当在螺栓载荷的作用下，上、下法兰结合面贴合时，金属垫片发生偏转，因其扭转变形，在与上、下法兰的接触面上均产生了较大的接触应力，起到阻止介质轴向泄漏的作用。

图1 密封结构的初始装配状态

图2 密封结构的最终装配状态

1.2 受力特点及密封机理

金属垫片与上、下法兰初始接触时的受力状态如图3所示。刚开始产生轴向接触，金属垫片受到轴向压缩力Fa;随着轴向压缩的增加，金属垫片开始产生变形，径向挤压应力建立起来，其径向力为Fr;金属垫片内、外圆所受径向力大小相等、方向相反，形成了一对力偶，其偏心距为Lr，其对金属垫片变形所形成的约束力矩由法兰的紧固载荷平衡。法兰密封部位的锥形张角α是径向受载型金属垫片法兰密封结构的一个重要设计参数，与影响密封性能的密封面宽度、径向力以及螺栓载荷等有着密切联系［9］，在后续的力学特性分析中将重点介绍。

密封结构装配完成后，金属垫片的受力状态如图4所示。垫片发生了扭转变形，因挤压变形较大，径向力Fr大幅增大，偏心距Lr已减至很小，接近为0，故径向力偶对金属垫片的作用已可忽略不计［9］。

图3 初始装配时金属垫片的受力状态

图4 装配完成时金属垫片的受力状态

装配完成后，金属垫片与上、下法兰的径向接触面均已进入屈服，产生了一定量的塑性变形，表面材料的塑性流动填充了密封面上微观的凹凸不平，从而消除了接触面之间的泄漏通道，实现介质的密封要求。

2 力学特性分析

采用有限元法对径向受载型金属垫片法兰密封结构的轴向力、径向力以及密封面上的应力状态进行了计算和分析，对其力学特性有了基本的认识。

2.1 有限元模型

采用ANSYS有限元软件对径向受载型金属垫片法兰密封结构进行计算，因密封结构、载荷和约束均具有对称性，故建立其二维轴对称有限元简化模型。建立了锥形张角α分别为0，3°和6°时的密封结构有限元模型，其中α为3°时的有限元模型如图5所示。

图5 密封结构的有限元模型

所研究的金属垫片及上、下法兰的材料均为0Cr18Ni9，采用基于von Mises屈服准则的双线性等向强化材料模型来定义其材料特性，其基本力学性能参数见表1［10］。采用ANSYS软件中的罚单元法处理密封结构中的接触非线性问题，即在两接触面的各节点间建立一种伪单元来模拟面与面的接触。在ANSYS有限元分析模型中，金属垫片和法兰均采用实体单元Plane 182;建立接触对时，按照有限元接触分析中的定义准则确定金属垫片作为接触体，法兰作为目标体，法兰之间的接触则定义上法兰为接触体，所用接触单元和目标单元分别是 CONTACT 172 和 TARGE 169［11］。

表1 材料的力学性能参数

2.2 轴向力和径向力的计算和分析

分别计算了α为0，3°和6°时不同的轴向压缩量下的轴向力Fa，结果如图6所示。可以看出:当α=0时，Fa随着轴向压缩量的增大而减小，当轴向压缩量小于0.4时，Fa随压缩量的变化幅度较大;当α=3°时，随着轴向压缩量的增大，Fa先增大后减小，在轴向压缩量为0.15 mm时达到峰值;当α=6°时，随着轴向压缩量的增大，Fa也是先增大后减小，在轴向压缩量为0.25 mm时达到峰值，Fa随压缩量的变化幅度较为平缓;当轴向压缩量小于0.5 mm时，α越大，Fa越小;当轴向压缩量大于0.5 mm时，3种结构的Fa较为接近，且Fa随压缩量变化的幅度较小。

图6 轴向力Fa与轴向压缩量的关系

图7示出α分别为0，3°和6°时不同的轴向压缩量下的径向力Fr。由图7可知(与图6所反映的规律基本一致):当α=0时，Fr随轴向压缩量的增大而减小，Fr随压缩量的变化幅度较大;当α=3°时，随着轴向压缩量的增大，Fr先增大后减小，在轴向压缩量为0.15 mm时达到峰值;当α=6°时，随着轴向压缩量的增大，Fr先增大后减小，在轴向压缩量为0.25 mm时达到峰值，Fr随压缩量的变化幅度比较小。当轴向压缩量小于0.55 mm时，α越大，Fr越小;当轴向压缩量大于0.55 mm时，3种密封结构的Fr比较接近。

比较图6，7可知，径向力Fr和轴向力Fa随轴向压缩量的变化规律基本一致;在同一轴向压缩量下，Fr比Fa大，约为其10倍左右。

在不考虑介质压力及其他附加载荷的情况下，法兰螺栓的紧固载荷主要用于平衡金属垫片反作用在法兰上的轴向力Fa以及径向力Fr所产生的约束力矩。由上述分析可知，虽然Fa，Fr的值与α以及压缩量有关，但所需要的轴向力及产生的约束力矩较普通金属垫片密封结构要小很多;Fa和Fr与α的关系均非常密切，可以α为优化参数进行该种密封结构的优化设计，以改善金属垫片和法兰的受力状态;Fa和Fr同样与压缩量也有较大的关系，可通过结构设计，保证金属垫片在较为合理的压缩状态下工作。

图7 径向力Fr与轴向压缩量的关系

2.3 密封面上最大von Mises应力的计算和分析

当α为0时，金属垫片内、外圆密封面上的最大von Mises应力随轴向压缩量的变化关系如图8所示。

图8 α为0时密封面上的最大von Mises应力与轴向压缩量的关系

可以看出，两个密封面上的最大von Mises应力随轴向压缩量的变化规律基本一致:随着轴向压缩量的增大，最大von Mises应力先增大后减小，在轴向压缩量为0.3 mm时达到峰值;在同一轴向压缩量下，内圆密封面上的最大von Mises应力较外圆密封面上的稍大;在如图所示的轴向压缩量下，内、外圆密封面上的最大von Mises应力均大于金属垫片密封材料的屈服强度。

当α为3°时，金属垫片内、外圆密封面上的最大von Mises应力随轴向压缩量的变化关系如图9所示。可以看出，两个密封面上的最大von Mises应力均随着轴向压缩量的增大而增大;在同一轴向压缩量下，内圆密封面上的最大von Mises应力较外圆密封面上的大，且当轴向压缩量大于0.4 mm时，两者之间的差值较大;在所计算的轴向压缩量下，内、外圆密封面上的最大von Mises应力均大于金属垫片密封材料的屈服强度。

图9 α为3°时密封面上的最大von Mises应力与轴向压缩量的关系

当α为6°时，金属垫片内、外圆密封面上的最大von Mises应力随轴向压缩量的变化关系如图10所示。可以看出，两个密封面上的最大von Mises应力均随着轴向压缩量的增大而增大;在同一轴向压缩量下，内、外圆密封面上的最大von Mises应力值比较接近;当轴向压缩量大于0.1 mm时，内、外圆密封面上的最大von Mises应力均大于金属垫片密封材料的屈服应力。

密封面上最大von Mises应力的大小较大程度上说明了密封面上的塑性变形程度，在满足密封结构强度、刚度和稳定性要求的前提下，密封面上的塑性变形程度需在一个较为合理的范围内。另外，只有密封结构的内、外圆密封面均起有效密封作用时，密封结构才有效。比较图8～10可知，在同一压缩量下，α=0时内、外圆密封面上的最大von Mises应力均小于α=3°时的最大von Mises应力;α=6°时内、外圆密封面上的最大 von Mises应力介于α=3°时的最大von Mises应力之间。因此，α和轴向压缩量与密封结构的密封性能有着密切关系，需根据密封要求在结构设计中予以保证。

3 结语

研究结果表明，径向受载型金属垫片法兰密封结构所需的紧固载荷较小，使用较小的螺栓载荷、较轻便的法兰即可实现密封作用，为其装配、检修及应用领域拓展提供了较大便利。文中仅对径向受载型金属垫片法兰密封结构的力学特性进行了初步分析，其法兰结构设计参数α以及轴向压缩量等与整体密封系统的力学和密封特性等的关系，需作进一步的后续研究。

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