譚 偉， 卞 棣， 周 新， 侯健苗， 張 斌

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 常熟分院， 江蘇 常熟 215500；2.常熟理工學(xué)院 機械工程學(xué)院， 江蘇 常熟 215500)

管接頭是一種可拆卸式密封連接結(jié)構(gòu)，是各種密封裝置中的重要連接部件，廣泛應(yīng)用在石化、機械及船舶等管路系統(tǒng)中。密封連接失效主要表現(xiàn)為泄漏，危險介質(zhì)一旦發(fā)生泄漏就可能造成重大人身事故和經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。

為了降低泄漏的可能性，國內(nèi)外學(xué)者對密封連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，在密封連接泄漏率試驗、預(yù)測模型和有限元分析方面取得了一定的成果。李亦健等[4]以聚四氟乙烯為密封件，對螺栓法蘭結(jié)構(gòu)密封性能進(jìn)行了試驗研究，針對常溫和超低溫條件，分析了不同螺栓預(yù)緊力矩和工作壓力對泄漏率的影響。馮秀等[5]對螺栓法蘭金屬墊片連接結(jié)構(gòu)的緊密性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)墊片表面形貌是密封連接緊密性的關(guān)鍵因素，建立了以最大允許泄漏率為準(zhǔn)則的螺栓法蘭金屬墊片連接設(shè)計方法。孫振國等[6]對非金屬墊片螺栓法蘭連接壽命進(jìn)行了研究，建立了非金屬墊片密封的時效泄漏模型，提出了基于指標(biāo)泄漏率和結(jié)構(gòu)完整性的螺栓法蘭連接系統(tǒng)壽命評價方法。Grine等[7]對泄漏率預(yù)測模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的模型能夠很好地預(yù)測不同介質(zhì)種類、介質(zhì)壓力、墊片預(yù)緊力和溫度等因素下密封結(jié)構(gòu)的泄漏率。但試驗研究中也存在耗材、耗時、耗力，不能準(zhǔn)確獲得墊片中實際應(yīng)力分布狀況等問題。而建立密封連接的有限元模型，分析密封結(jié)構(gòu)的受力狀況，可以有效彌補試驗方法存在的不足[8-10]。

為了從根本上提高密封性，密封新材料的開發(fā)和應(yīng)用研究也一直在進(jìn)行中。形狀記憶合金是具有形狀記憶性和超彈性的新型材料，阻尼性和耐腐蝕特性良好。采用形狀記憶合金作為密封墊片材料，可充分利用其特性，有效降低密封連接泄漏率[11-12]。

文中以鎳鈦形狀記憶合金墊片為對象，搭建了管接頭密封連接泄漏率測試平臺，試驗測量了不同預(yù)緊力和介質(zhì)壓力下密封連接結(jié)構(gòu)的泄漏率，并對密封連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。

1 管接頭密封連接結(jié)構(gòu)泄漏率測試試驗

1.1 試驗試樣

試驗材料為江陰法爾勝佩爾新材料科技有限公司生產(chǎn)的Ni50.9Ti49.1形狀記憶合金板材，其化學(xué)成分及加工工藝均滿足GB 24627—2009《醫(yī)療器械和外科植入物用鎳-鈦形狀記憶合金加工材》[13]要求。鎳鈦合金墊片試樣由3 mm厚的板材線切割而成，試樣尺寸為?22 mm×?16 mm×3 mm(圖1)。管接頭密封連接結(jié)構(gòu)由304不銹鋼制成，螺紋連接處尺寸為M16，管接頭實物見圖2。

圖2 管接頭實物

1.2 測試裝置

管接頭密封連接結(jié)構(gòu)泄漏率測試原理和測試裝置分別見圖3和圖4。

圖3 管接頭密封連接結(jié)構(gòu)泄漏率測試原理

圖4 管接頭密封連接結(jié)構(gòu)泄漏率測試裝置

管接頭下端接入高壓氣體，中間密閉容腔收集泄漏的氣體，通過微差壓傳感器測得氣體泄漏率，最后通過數(shù)字電流表讀數(shù)獲得泄漏值。該裝置的泄漏率測試精度為10-5cm3/s，試驗介質(zhì)為高純氮氣，其中墊片預(yù)緊力通過扭矩扳手施加，力矩與預(yù)緊力的關(guān)系可由式(1)得出[14]：

(1)

式中，P0為預(yù)緊力，kN；Mt為力矩，N·m；K為擰緊系數(shù)，取K=0.18；d0為螺紋公稱直徑，d0=16 mm。

1.3 測試方案

測試試驗在室溫環(huán)境下進(jìn)行，分別測試管接頭連接結(jié)構(gòu)在不同預(yù)緊應(yīng)力與不同介質(zhì)壓力下的泄漏率，預(yù)緊應(yīng)力分別為210、235和260 MPa，介質(zhì)壓力分別為0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 MPa，每組試驗重復(fù)進(jìn)行3次。

2 管接頭密封連接結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 材料參數(shù)

管接頭與管接嘴材料均為304不銹鋼，其彈性模量178 GPa，泊松比0.25，屈服應(yīng)力294 MPa，鎳鈦合金材料參數(shù)由先前的試驗獲得[15-17]。

2.2 有限元模型

管接頭結(jié)構(gòu)的六角螺栓近似回轉(zhuǎn)體，故將其簡化為圓柱體，采用平面軸對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。為便于計算，對原有模型進(jìn)行簡化，得到的有限元模型見圖5。墊片與管接頭和管接嘴之間為面面接觸，摩擦因數(shù)為0.15；管接頭與管接嘴之間為面面接觸，摩擦因數(shù)為0.2。將螺紋連接處設(shè)置為綁定約束。

圖5 管接頭密封連接結(jié)構(gòu)有限元模型

管接頭密封連接結(jié)構(gòu)有限元模型網(wǎng)格劃分見圖6。劃分網(wǎng)格時，靠近墊片位置較細(xì)密，遠(yuǎn)離墊片位置較稀疏。經(jīng)驗證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于3 000時，網(wǎng)格數(shù)量對墊片上的應(yīng)力分布幾乎沒有影響。

圖6 管接頭密封連接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2.3 有限元分析結(jié)果

當(dāng)介質(zhì)壓力為1.4 MPa時，分別對不同預(yù)緊應(yīng)力下的密封連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。260 MPa預(yù)緊應(yīng)力下，管接頭密封連接結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布見圖7。可以看出，應(yīng)力主要集中在墊片附近，最大應(yīng)力出現(xiàn)在管接頭螺紋退刀槽處，遠(yuǎn)離墊片區(qū)域的應(yīng)力很小，此結(jié)果也驗證了模型的簡化對計算結(jié)果的影響可以忽略。

圖7 介質(zhì)壓力1.4 MPa及預(yù)緊應(yīng)力260 MPa下密封連接結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布

預(yù)緊應(yīng)力260 MPa，施加1.4 MPa介質(zhì)壓力和不施加介質(zhì)壓力時，墊片截面上的壓應(yīng)力S22分布云圖見圖8。由圖8可知，有介質(zhì)壓力時墊片的最高預(yù)緊應(yīng)力為411.8 MPa，無介質(zhì)壓力時墊片的最高預(yù)緊應(yīng)力為410.2 MPa，二者僅差1.6 MPa，相對于墊片上的應(yīng)力可忽略不計。因此，分析密封面應(yīng)力時可不考慮介質(zhì)壓力的影響。

圖8 預(yù)緊應(yīng)力260 MPa下墊片截面上壓應(yīng)力分布云圖

預(yù)緊應(yīng)力210、235和260 MPa時，管接頭連接結(jié)構(gòu)上、下密封面的應(yīng)力分布曲線見圖9。由圖9可知，應(yīng)力在密封面上的分布并不是均勻的。上密封面的應(yīng)力在墊片內(nèi)徑處達(dá)到最大值，隨著墊片徑向尺寸的增加，應(yīng)力逐漸降低。下密封面的應(yīng)力較大值出現(xiàn)在墊片內(nèi)外徑邊緣處。

圖9 不同預(yù)緊應(yīng)力下管接頭連接結(jié)構(gòu)密封面應(yīng)力分布曲線

密封面應(yīng)力的變化會引起泄漏通道特征尺寸的變化，應(yīng)力不足會使介質(zhì)的流動阻力減小，泄漏率增加。泄漏通道長度即為有效密封面寬度，按照施加預(yù)緊應(yīng)力大小的90%作為特征值來計算有效密封面寬度，預(yù)緊應(yīng)力210 、235 和260 MPa分別對應(yīng)189、211.5和234 MPa這3個特征值。以特征值的應(yīng)力大小作一平行于橫坐標(biāo)的直線，與應(yīng)力分布曲線存在一交點。對于上密封面，此交點的橫坐標(biāo)依次為10.387、10.385和10.382 mm，依據(jù)式(2)即可計算出有效密封面寬度依次為2.387、2.385和2.382 mm。對于下密封面，曲線均在特征值的上方，即有效密封面寬度為3 mm。

Dx=re-ri

(2)

式中，Dx為有效密封面寬度，re為特征值與應(yīng)力分布曲線的交點值，ri為墊片的內(nèi)圈半徑，即8 mm。

3 管接頭密封連接結(jié)構(gòu)泄漏率測試試驗結(jié)果與討論

對3種預(yù)緊應(yīng)力(210、235、260 MPa)、5種介質(zhì)壓力(0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 MPa)下鎳鈦合金墊片連接結(jié)構(gòu)的泄漏率進(jìn)行了測試，得到了泄漏率隨預(yù)緊應(yīng)力和介質(zhì)壓力的變化曲線，見圖10。

圖10 管接頭密封連接結(jié)構(gòu)泄漏率隨預(yù)緊應(yīng)力和介質(zhì)壓力的變化曲線

從圖10可以看出，在同一預(yù)緊應(yīng)力下，隨著介質(zhì)壓力的增加，泄漏率逐漸增大。在同一介質(zhì)壓力下，隨著預(yù)緊應(yīng)力增加，泄漏率逐漸降低，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力達(dá)到235 MPa后，繼續(xù)增加預(yù)緊應(yīng)力對泄漏率變化影響不明顯。在給定的介質(zhì)壓力和預(yù)緊應(yīng)力下，試驗測得的泄漏率均小于10-2cm3/s，已經(jīng)達(dá)到了金屬墊片的密封性能要求。若進(jìn)一步增大預(yù)緊應(yīng)力，可將泄漏率等級提高到10-3cm3/s，配合鎳鈦形狀記憶合金的超彈性效應(yīng)，可保證連接結(jié)構(gòu)良好的密封性能和長久的使用壽命。

采用泄漏率預(yù)測模型[5]對試驗數(shù)據(jù)及有限元分析結(jié)果進(jìn)行擬合，泄漏率與介質(zhì)壓力、墊片應(yīng)力、有效密封面寬度的關(guān)系表示為：

(3)

式中，L為泄漏率，cm3/s；p為介質(zhì)壓力，SG為墊片應(yīng)力，SG0為墊片最小預(yù)緊應(yīng)力，MPa；AL和nL為回歸系數(shù)。

通過相關(guān)軟件進(jìn)行擬合，取SG0=400 MPa，得到回歸系數(shù)AL=1.8×10-4、nL=3.146，相關(guān)度為0.99，表明泄漏率預(yù)測模型能夠很好地表征試驗數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

(1)搭建了一套可定量測量管接頭密封連接結(jié)構(gòu)泄漏率的測試裝置，測量精度可達(dá)10-5cm3/s。

(2)建立了管接頭連接結(jié)構(gòu)的有限元模型，分析了鎳鈦合金墊片應(yīng)力分布特性。有限元分析結(jié)果表明，加載不同預(yù)緊應(yīng)力時，下密封面的有效密封面寬度均為3 mm，大于上密封面的有效密封面寬度。

(3)試驗測量了管接頭密封連接結(jié)構(gòu)在不同預(yù)緊應(yīng)力和不同介質(zhì)壓力下的泄漏率。試驗結(jié)果表明，鎳鈦合金墊片連接結(jié)構(gòu)具有良好的密封性能，選用的泄漏模型能夠很好地表征試驗數(shù)據(jù)。