法兰用聚四氟乙烯垫片的密封性能分析.pdf

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笫1期(总第194期)
机械工程与自动化
2016年2月
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
Feb
文章编号:1672-6413(2016)01-0054-02
法兰用聚四氟乙烯垫片的密封性能分析
孙璇甍
(北京铁路局北京工务段,北京100077)
摘要:根据有限元理论,建立了管法兰连接有限元模型,对管法兰用聚四氟乙烯密封垫片的密封性能进行了
数值计算。研究了垫片在预紧状态和工作状态下的 Von Mises应力和接触应カ分布,分析了管道内介质压力
对其应力和应力分布的影响。结果发现:垫片在工作状态下的 Von Mises应カ大于其在预紧状态下的;介质
压力越大,垫片的 Von Mises应力越大,但垫片的有效接触宽度越小
关键词:法兰;聚四氟乙烯;密封垫片;有限元;接触应力
中图分类号:TP391.7:TH136
文献标识码:A
0引言
面施加介质压力,以模拟法兰工作状态。
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,聚四氟乙烯被广泛地用作密封材料和
填充材料,其主要特点是拆卸方便、强度高、密封性能
好。垫片在螺栓预紧力作用下产生变形,与法兰形成
初始密封面,在介质压力作用下预紧力降低,聚四氟乙
烯垫片发生回弹。当此时垫片上最大接触应力大于介
质压力时,就可以实现良好密封,否则密封失效
学者们对法兰密封垫片的应力分布进行了研究,
a)管法兰
(b)垫片
如冯秀对金属垫片接触应力分布的解析算法进行了研
图1划分网格后的管法兰和垫片有限元模型
究,并与数值模拟进行了对比;李多民对金属波齿复
上法兰盘螺栓
合垫片的压缩回弹性能进行了研究,并计算了压缩率
和回弹率2;高俊峰等对法兰连接用的大直径垫片进行
了介绍,并提出了选用建议:张燕燕等利用 ANSYS
对非金属垫片在弯矩作用下的应力分布规律进行了研
究1。但是,关于聚四氟乙烯垫片应力场的研究还相
对较少,本文对管法兰连接中的聚四氟乙烯垫片进行
预紧力加载下法兰盘
了仿真计算,并对其密封性能和应力分布进行了研究。
图2预紧力加載方式
1有限元模型的建立
计算结果分析
选取管法兰通径为Φ100mm,螺栓孔所在圆直径
通过分析计算发现,介质压力加载前后,法兰盘和
为190.5mm,法兰外径为230mm,厚度为24
螺栓的 Von Mises应力变化较小。图3为螺栓预紧力
8个;垫片外径为④230mm,厚度为3mm。聚四氟乙 Mises应力云图。由图3可知:法兰盘的最大应力为
烯材料的弹性模量为1.14GPa~1.42GPa,泊松比为119.1MP,且最大应力出现在螺栓孔处,因而在现场
0.4。法兰和螺栓取相同材料,且其弹性模量为206应用中法兰盘的螺栓孔处较易损坏;螺栓最大Von
GPa,泊松比为0.3。在有限元软件 ABAQUS中建立 Mises应力为176.3MPa,最大应力出现在螺栓杆中
各个部件的三维模型并完成装配。划分网格后的管法
间部位
兰和垫片有限元模型如图1所示
图4为螺栓预紧力为30kN、无介质压力时垫片
边界条件为:在下法兰盘的端面进行轴向约東。的 Von Mises应力和接触应力云图。由图4可知:聚
载荷条件为:①对各个螺栓施加大小相同的螺栓预紧四氟乙烯垫片螺栓孔附近及靠近垫片外绿部分Von
力以模拟预紧过程,如图2所示;②向法兰、垫片内表Mses应力和接触应力较大,而靠近内圈处应力值较
收稿日期:2015-03-23;修订日期:2015-11-03
作者简介:孙璇薨(1983-),男,山东泰安人,工程师,本科,主要从事铁路工务机械及施工工作。
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2016年第1期
孙璇甍;法兰用聚四氟乙烯垫片的密封性能分析
55?
小。所以聚四氟乙烯垫片在预紧状态下的最危险部位应力逐渐増大;当介质压力为1MPa时,垫片内圈处
是螺栓孔至外缘部分,该部位最容易发生失效。
的应力最小;当介质压力大于3MPa时,垫片中间部
S, Mises(平均:100%)
位的应力最小;而随着介质压力的增大,内圏处应力逐
渐增大,且聚四氟乙烯垫片高应力区域逐渐由螺栓孔
处逐渐移动至垫片外缘部位。
755432
00000
8766
(a)法兰盘
5.388
4
2.623
oO
图4垫片的V
应力和接触应力云图
图6为螺栓预紧力为30kN,不同介质压力下垫
片的接触应力云图。随着介质压力越大,垫片的有效
b)螺栓
接触宽度逐渐减小。当介质压力为4MPa时,螺栓孔
图3法兰盘与螺栓的 Von Mises应力云图
至内圈之间几乎没有接触,说明了垫片没有实现密封
图5为螺栓预紧力为30kN,不同介质压力下垫功能。根据垫片的密封机理可知,最薄弱部位决定其
片的 Von Mises应力云图。由图5可知:随着介质压力密封性能、因而如果沿垫片径向出现最大接触应力小
增大,垫片的应力分布发生了改变,且其最大 Von Mises于介质压力,整个法兰连接就会出现泄漏事故
Von Mises应力/MPa
Von Mises应力/MPa
Von Mises应力/MPa
10.261
7,749
6.912
19
706
3.563
(a) I Mpa
(b)3 Mpa
(c)4 Mpa
图5不同介质压カ下垫片的 Von Mises应力云图
接触应力/MPa
接触应力
接触应力
56
5321
4
O
(a) 1 MPA
(b)3 Mpa
(c)4 Mpa
图6不同介质压力下垫片的接触应力云图
3结论
参考文献:
通过对管法兰连接中聚四氟乙烯垫片的密封性能1]冯秀,顾伯勤,魏龙,等,金属垫片接触应力分布解析算法
进行数值仿真,发现预紧状态下聚四氟乙烯垫片螺栓
[].液压气动与密封,2009(1):19-22.
孔附近及靠近垫片外缘部分的 Von Mises应力和接[2】李多民,段滋华,仇性启.波齿复合垫片常温压缩回弹性
触应力较大,而靠近内圈处应力值较小。在工作状态
能试验研究[J.润滑与密封,2009(3):91-93,109
下随着介质压力增大,聚四氟乙烯垫片最大Von3高俊峰,吴树济.压力容器用大直径法兰连接密封撃片的
Mises I应力沿螺栓孔附近移动至垫片外缘?且应力值「4张無,李慧,陈君若,等,基于An3ys的外弯矩作用下非
大,垫片的有效接触宽度逐渐减小。
Sealing Performance Analysis of PTFE Gasket in Flange Connection
Xuar-meng
Railway Service Section, Beijing Railway Administration, Beijing 100077, China)
Abstract: According to the finite element theory, the