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金属包覆垫密封是压力容器和管道中常见的密封形式，其失效极少是因强度不足引起的，泄漏是连接系统失效的主要原因。目前，金属包覆垫连接的设计方法一般沿用非金属包覆垫的设计及选用方法，主要有美国ASwww.zhmifeng.comME规范设计方法、我国GB150—1998规范设计方法以及西DIN2505规范设计方法。规范设计方法以垫片系数或线密封比压为依据，以强度为设计准则，没有考虑连接系统的泄漏状况，无法说明所设计的连接在操作工况下紧密与否。基于泄漏率的金属包覆垫连接系统设计准则和设计方法的研究鲜见报道。本文在变截面泄漏通道的泄漏率计算公式和接触应力解析算法的基础上，将连接结构的密封性能与系统刚度相联系，建立了以最大允许泄漏率为准则的金属包覆垫连接设计方法和在役密封连接泄漏率的定量预测方法。
螺栓法兰垫片连接是一个预应力静不定系统，预紧时各元件处于较高的应力水平。在操作工况下，由于流体压力和温度的共同作用，使得法兰弯矩、螺栓载荷、垫片应力较预紧时均发生改变，相应的法兰轴向位移、螺栓伸长量以及垫片变形量也发生改变，这些改变量是相容的符合连接系统的变形协调条件。连接的变形协调方程建立了系统刚度与各元件所受载荷之间的关系，在已知垫片预紧应力SK、介质压力p及温度T的条件下，依据系统变形协调条件可得到垫片工作应力SG，将其与垫片的密封性能相联系，便可对连接进行紧密性分析。根据文献，可得螺栓法兰金属包覆垫连接的变形协调方程UK－UG－Up=(lb2－lb1)+2(Uf2－Uf1)(1)式中:UK、UG分别为预紧和操作时的垫片压缩量，mm;Up为操作时的垫片蠕变量，mm;Uf1、Uf2分别为预紧和操作时的法兰压缩量，mm;lb1、lb2分别为预紧和操作时的螺栓长度，mm。在预紧和操作情况下，螺栓长度分别为lb1=l0+qbW1(2)lb2=l0+qtbW2+l0(αtbT2－αbT1)(3)式中:l0为螺栓初始计算长度，mm;qb、qtb分别为常温和操作温度下螺栓的弹性系数，mm/N;W1、W2分别为预紧和操作时的螺栓载荷，N;αb、αtb分别为常温和操作温度下螺栓材料的线膨胀系数，www.zhmifeng.comK－1;T1、T2分别为预紧和操作时的温度。参数计算可参照文献。在预紧和操作情况下，法兰变形量分别为Uf1=qfM1(4)Uf2=qtfM2+qtpp－tf(αtfT2－αfT1)(5)式中:qf、qtf分别为常温和操作温度下锥颈法兰的弹性系数金属包覆垫，mm/N，qf=(1－μ2)(1+μ)3l3Efg31槡Dif/g0LV1，qtf=(1－μ2)(1+μ3l3Etfg31Dif/g0LV1;qtp为考虑压力膨胀效应时法兰的弹性系数，mm/MPa;Dif为法兰的内径，mm;Ef、Etf分别为常温和操作温度下法兰材料的弹性模量;g0、g1分别为法兰锥颈小端和大端厚度，mm;μ为泊松比;L、V1为无因次因数，其值可参照文献查有关图表得到;αf、αtf分别为常温和操作温度下法兰材料的线膨胀系数，K－1;M1、M2分别为预紧和操作时的法兰的外力矩，N·mm;tf为法兰厚度，mm。其余参数计算可参照文献。在预紧和操作情况下，金属包覆垫变形量分别为UK=qgSK当SK≤σsqgσs+q'g(SK－σs)当SK＞σ{s(6)UG=qtgSG当SK≤σsUK－qtg(SK－SG)当SK＞σ{s(7)UP=t(αtgT2－αgT1)(8)式中:qg、qtg分别为常温和操作温度下垫片的弹性系数，mm/MPa，qg=tEg，qtg=tEtg;q'g为常温下垫片材料的塑性阶段的弹性系数，mm/MPa，q'g=tE'g;Eg、Etg分别为常温和操作温度下垫片材料的弹性模量，E'g为常温下垫片材料的塑性阶段的等效弹性模量，MPa;αg、αtg分别为常温和操作温度下垫片材料的线膨胀系数，K－1;σs为常温下垫片材料的屈服极限，MPa;t为金属包覆垫片厚度，mm。将式(2)～(5)和(8)代入式(1)得到UK－UG－t(αtgT2－αgT1)－［qtbW2－qbW1+l0(αtbT2－αbT1)］－2［qtfM2－qfM1+qtpp－tfαtfT2－αfT1)］=0。www.zhmifeng.com
螺栓法兰金属包覆垫片变形协调分析
