法兰用聚四氟乙烯垫片的密封性能分析

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应力和接触应力分布，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应力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

0 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，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，如冯秀对金属垫片接触应力分布的解析算法进行了研究，并与数值模拟进行了对比［1］；李多民对金属波齿复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［3］；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［4］。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了仿真计算，并对其密封性能和应力分布进行了研究。

1 有限元模型的建立

选取管法兰通径为Φ100mm，螺栓孔所在圆直径为Φ190.5mm，法兰外径为Φ230mm，厚度为24 mm；螺栓孔直径为Φ20mm，螺栓型号为M16，数量为8个；垫片外径为Φ230mm，厚度为3mm。聚四氟乙烯材料的弹性模量为1.14GPa～1.42GPa，泊松比为0.4。法兰和螺栓取相同材料，且其弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。在有限元软件ABAQUS中建立各个部件的三维模型并完成装配。划分网格后的管法兰和垫片有限元模型如图1所示。

边界条件为：在下法兰盘的端面进行轴向约束。载荷条件为：①对各个螺栓施加大小相同的螺栓预紧力以模拟预紧过程，如图2所示；②向法兰、垫片内表

面施加介质压力，以模拟法兰工作状态。

图1 划分网格后的管法兰和垫片有限元模型

图2 预紧力加载方式

2 计算结果分析

通过分析计算发现，介质压力加载前后，法兰盘和螺栓的Von Mises应力变化较小。图3为螺栓预紧力为30kN、介质压力为4MPa时，法兰盘和螺栓的Von Mises应力云图。由图3可知：法兰盘的最大应力为119.1MPa，且最大应力出现在螺栓孔处，因而在现场应用中法兰盘的螺栓孔处较易损坏；螺栓最大Von Mises应力为176.3MPa，最大应力出现在螺栓杆中间部位。

图4为螺栓预紧力为30kN、无介质压力时垫片的Von Mises应力和接触应力云图。由图4可知：聚四氟乙烯垫片螺栓孔附近及靠近垫片外缘部分Von Mises应力和接触应力较大，而靠近内圈处应力值较小。所以聚四氟乙烯垫片在预紧状态下的最危险部位是螺栓孔至外缘部分，该部位最容易发生失效。

图3 法兰盘与螺栓的Von Mises应力云图

图5为螺栓预紧力为30kN，不同介质压力下垫片的Von Mises应力云图。由图5可知：随着介质压力增大，垫片的应力分布发生了改变，且其最大Von Mises应力逐渐增大；当介质压力为1MPa时，垫片内圈处的应力最小；当介质压力大于3MPa时，垫片中间部位的应力最小；而随着介质压力的增大，内圈处应力逐渐增大，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。

图4 垫片的Von Mises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，垫片的有效接触宽度逐渐减小。当介质压力为4MPa时，螺栓孔至内圈之间几乎没有接触，说明了垫片没有实现密封功能。根据垫片的密封机理可知，最薄弱部位决定其密封性能，因而如果沿垫片径向出现最大接触应力小于介质压力，整个法兰连接就会出现泄漏事故。

图5 不同介质压力下垫片的Von Mises应力云图

图6 不同介质压力下垫片的接触应力云图

3 结论

通过对管法兰连接中聚四氟乙烯垫片的密封性能进行数值仿真，发现预紧状态下聚四氟乙烯垫片螺栓孔附近及靠近垫片外缘部分的Von Mises应力和接触应力较大，而靠近内圈处应力值较小。在工作状态下，随着介质压力增大，聚四氟乙烯垫片最大Von Mises应力沿螺栓孔附近移动至垫片外缘，且应力值增大。在相同螺栓预紧力作用下，随着介质压力的增大，垫片的有效接触宽度逐渐减小。

参考文献：

［1］ 冯秀，顾伯勤，魏龙，等.金属垫片接触应力分布解析算法［J］.液压气动与密封，2009（1）：19-22.

［2］ 李多民，段滋华，仇性启.波齿复合垫片常温压缩回弹性能试验研究［J］.润滑与密封，2009（3）：91-93，109.

［3］ 高俊峰，吴树济.压力容器用大直径法兰连接密封垫片的选用［J］.压力容器，2012（10）：67-70，80.

［4］ 张燕燕，李慧，陈君若，等.基于Ansys的外弯矩作用下非金属垫片应力场研究［J］.机械强度，2014（5）：824-828.

Sealing Performance Analysis of PTFE Gasket in Flange Connection

SUN Xuan-meng
（Railway Service Section，Beijing Railway Administration，Beijing 100077，China）

Abstract：According to the finite element theory，the finite element model of a pipe flange connection was established，and the stress distribution rule of PTFE sealing gasket was researched.The distributions of von Mises stress and contact stress in preloaded state and working state were studied，and the effect of fluid pressure on the stress and its distribution was analyzed.The results show that the von Mises stress of the gasket in the working state is greater than that in the preloaded state.Fluid pressure is bigger，the von Mises stress of the gasket is larger，but the effective contact width is smaller.

Key words：flange；PTFE；sealing gasket；finite element；contact stress

中图分类号：TP391.7∶TH136

文献标识码：A

文章编号：1672-6413（2016）01-0054-02

收稿日期：2015-03-23；

修订日期：2015-11-03

作者简介：孙璇甍 （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。