卡箍法兰的热应力耦合分析

摘 要：复杂环境下卡箍法兰系统工作的稳定性和安全性是研究过程中至关重要的一个环节，为研究高温高压对卡箍法兰性能的影响，该文采用SolidWorks软件建立物理模型，基于ANSYS Workbench软件分析热应力耦合对结构的影响。研究结果表明，①卡箍孔板法兰的内壁面温度最高，且由内而外，温度逐渐减低，最低温度位于螺柱上。②卡箍孔板法兰整体最大应力位于球面螺母与卡箍的接触面上，为739.73 Mpa。密封环上的唇部应力大于密封比压，符合密封环的密封性能的要求。③密封环的线性等效应力模拟结果对比许用应力准则，强度满足安全要求，不会发生塑性垮塌。

关键词：卡箍法兰；安全性；稳定性；SolidWorks；ANSYS Workbench；热应力耦合

中图分类号：TH136 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0077-04

Abstract： The stability and safety of the clamp flange system in complex environment is a very important link in the research process. In order to study the influence of high temperature and high pressure on the performance of the clamp flange， the physical model is established by using SolidWorks software， and the influence of thermal stress coupling on the structure is analyzed based on ANSYS Workbench software. The results show that，①the inner wall temperature of the clamp orifice plate flange is the highest， and from the inside to the outside， the temperature decreases gradually， and the lowest temperature is on the stud. ②The maximum stress of the clamp orifice plate flange is located on the contact surface between the spherical nut and the clamp， which is 739.73 Mpa. The lip stress on the sealing ring is greater than the sealing specific pressure， which meets the requirements of the sealing performance of the sealing ring. ③Compared with the allowable stress criterion， the linear equivalent stress simulation results of the sealing ring show that the strength meets the safety requirements and plastic collapse will not occur.

Keywords： clamp flange; safety; stability; SolidWorks; ANSYS Workbench; thermal stress coupling

卡箍法兰是由法兰、卡箍、螺栓、球面螺母和密封环5部分构成，是油气行业管道连接的关键结构部件[1-2]。相比于传统的法兰连接方式[3-5]，在结构和经济方面有相对优势，具体的，卡箍法兰只有4套螺栓且法兰可以360°旋转，无需像传统法兰对正螺栓孔，大大节省了安装成本。另外，卡箍法兰尺寸较小，重量仅有ANSI和API法兰的25%左右，节约了空间资源，降低了成本。此外，卡箍连接方式承压大，在内压及附加载荷（扭矩、弯矩、轴向力）的作用下，其结构的特殊性使产品不会泄露或者螺栓松动，维护成本低，使用寿命长。

由于卡箍法兰优化了传统法兰的结构，已广泛应用于各行各业的管道系统，如石油化工、船舶、航空和冶金等，尤其是工作环境恶劣的场合[5-6]。法兰系统的失灵可能会发生严重性事故，进而威胁到人类的身心健康和生命安全，在经济效益、环境、能源等方面将会直接受损[7-8]，因此，对法兰系统工作的稳定性和安全性要求极高。

目前，国内还未普及应用卡箍法兰，依旧着重于使用传统法兰，只有欧美发达国家主要采用Grayloc、Vector等高压自紧式法兰来连接[9]。本文利用SolidWorks软件建立了卡箍孔板法兰的三维模型，基于有限元分析软件ANSYS Workbench探究了热应力耦合对卡箍孔板法兰结构的影响，为卡箍法兰进一步研发提供参考。

1 卡箍法兰模型建立

1.1 几何模型的建立

卡箍孔板法兰的物理模型（规格6″）如图1所示。法兰的内径为118.06 mm，壁厚为25.12 mm，图中的法兰与管道焊接连接，密封环、法兰直接与管道内的流体接触。为避免ANSYS计算过程中的重复计算，由于卡箍法兰整体模型的对称性，将模型简化为1/2的结构。

1.2 仿真模型的搭建

为了避免端部效应，将与管道连接的法兰延伸到不连续之外的足够距离，由圣维南原理[10]：当管道长度 L=2.5■时（其中R为管道内径，mm；t为管道壁厚，mm），边缘效应就能忽略不计。经计算，本文的法兰端部延伸距离取整为150 mm。

1.2.1 材料属性设置

本文中卡箍孔板法兰系统的运行温度为430 ℃，该条件下的材料及其属性[11]见表1。

1.2.2 网格划分及边界条件

1/2卡箍孔板法兰的网格划分结果如图2所示，网格质量良好，划分的单元总数为86 430个。

该卡箍孔板法兰连接系统的为稳态传热，取管道内壁面温度为430 ℃，自然环境温度设置为22 ℃，对于裸露在空气中的表面（卡箍、法兰外壁、螺柱螺母）施加对流换热系数20 W/（m2·K）。另外，该卡箍孔板法兰为整体模型的1/2，因而在该系统的切割面施加无摩擦约束。在法兰管道的下端面Y方向施加固定约束以限制该对象的轴向位移。

管道内流体的压力为22 Mpa，由此产生的端部轴向力可由式（1）计算

F=D2·P，（1）

式中：F为管道内压产生的端部轴向力，D为管道内径，P为管道内流体压力。

卡箍法兰最小需要的螺栓载荷[12]可由式（2）确定

Wg=（H+HP）tan（φ+μ），（2）

式中：H为总的端部静压力，HP为连接接触面的总的压缩载荷，φ为卡箍凸尖角，μ为摩擦角。

卡箍法兰操作状态的螺栓载荷[12]可由式（3）确定

WO=（H+HP）tan（φ-μ）。（3）

据调查，自紧式卡箍法兰的螺栓预紧力一般为同规格标准法兰的20%～30%[9]。

由热应力分析需要将温度分布结果加载入静力学模型，由此，需优先进行热分析，热边界条件如图3所示。

静力学模型的边界条件如图4所示。

2 卡箍法兰热应力耦合分析结果

2.1 温度分布结果

卡箍孔板法兰整体的温度分布情况如图5所示。

从图5中可以看出，卡箍孔板法兰的内壁面温度最高，达430 ℃，且由内而外，温度逐渐减低，最低约81 ℃，位于螺柱上。此外，卡箍孔板法兰的两端温度分布一致，呈左右对称分布。

2.2 热应力耦合结果

卡箍孔板法兰整体的应力分布情况如图6所示。

从图6中可以看出，最大应力位于球面螺母与卡箍的接触面上，为739.73 Mpa。主要是由于螺栓预紧力的作用，球面螺母压紧于卡箍上。

卡箍孔板法兰整体的应变分布情况如图7所示。

从图7中可以看出，卡箍孔板法兰的各零部件均发生了不同程度的形变，最大值仅有0.005 5 mm/mm。为了验证该形变下是否导致卡箍孔板法兰系统密封失效，需要校核密封环上的应力与内部压力下的密封比压，图8显示了密封环的应力强度。

密封比压计算公式如下

y=（3.5+p）/，（4）

式中：y为密封比压，p为内部压力，bm为密封面宽度。

从图8中可以看出，密封环最大应力为197.16 Mpa，唇部应力为97～189 Mpa，密封比压经计算约为45.3 Mpa，密封环上的唇部应力大于密封比压。因此，密封环在该工况下能满足密封的要求。

应力强度判定。由文献[11]可知，对于高于室温的螺栓材料许用应力准则见表2。

其中，Sy为室温下规定的最小屈服强度，ST为室温下规定的最小抗拉强度，Ry为与平均温度有关的屈服强度走向曲线值和室温下屈服强度的比值。

由文献[12]可知，许用应力值取表2计算的值的较小者。另外，对于防止塑性垮塌的评定如式（5）至式（7）所示

Pm≤S，（5）

PL≤SPL，（6）

（PL+Pb）≤SPL，（7）

式中：Pm为总体一次薄膜当量应力，PL为局部一次薄膜当量应力，PL+Pb为一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲当量应力。SPL为一次局部薄膜应力和一次局部薄膜加弯曲应力分类的许用极限。

当最小屈服强度Sy与最小抗拉强度ST的比值超过0.7时，SPL=1.5 S，否则SPL=S。

密封环路径1线性等效应力分布情况如图9所示。

Pm=107.19 MPa≤Sm=368 MPa，

PL=107.19 MPa≤Sm=368 MPa，

PL+Pb=113.1 MPa≤Sm=368 MPa。

因此该路径下密封环满足强度要求。

密封环路径2线性等效应力分布情况如图10所示。

Pm=83.27 MPa≤Sm=368 MPa，

PL=83.27MPa≤Sm=368 MPa，

PL+Pb=95.945 MPa≤Sm=368 MPa。

因此该路径下密封环满足强度要求。

3 结论

本文采用ANSYS Workbench对卡箍孔板法兰连接系统进行热应力耦合分析，在规定载荷作用下的收敛分析结果表明，该卡箍孔板法兰在载荷作用下是稳定的。针对卡箍孔板法兰模拟结果中可以得出如下结论：

1）在430 ℃的操作工况下，卡箍孔板法兰的内壁面温度最高，且由内而外，温度逐渐减低，最低温度位于螺柱上，其值为81 ℃。此外，卡箍孔板法兰的两端温度分布一致，呈左右对称分布。

2）从卡箍孔板法兰整体应力分布情况看，最大应力位于球面螺母与卡箍的接触面上，为739.73 MPa。密封环上的唇部应力大于密封比压，符合密封性能的要求。

3）根据应力判定的结果，在430 ℃的操作工况下，密封环的强度满足安全要求，不会发生塑性垮塌。

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