收稿日期：2017-11-20
压缩机管道法兰泄漏的有限元分析
邓
晶1，张建军2，肖
强1，李
鹏1，曾柏森1，徐宜桂3
（1.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川成都610100；2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂作业二区，内蒙古乌审旗017300；3.加拿大中加压缩机撬及管道工程公司，卡尔加里加拿大openingceremony
）[摘要]：往复压缩机管道法兰泄漏分析，是压缩机管道分析中的一个挑战性问题。
使用ANSYS 有限元程序进行管道法兰泄漏分析的一般过程，包括使用法兰螺栓预紧力单元和法兰面接触单元，并研究了法兰螺栓预紧力大小对法兰泄漏和法兰应力的影响，为进行压缩机管道法兰泄漏分析提供了技术参考。[关键词]：往复压缩机管道；法兰泄漏；有限元中图分类号：TH457
文献标志码：A
文章编号：1006-2971（2018）02-0009-04
Finite Element Analysis of Flange Leakage in Reciprocating Compressor Piping System
DENG Jing 1,ZHANG Jian-jun 2,XIAO Qiang 1,LI Peng 1,ZENG Bo-n 1,Xu Yi-gui 3
(1PC Jichai Power Equipment Company Chengdu Compressor Plant,Chengdu 610100,China;2.No.2Operation Area of the Third Gas Production Plant of Changqing Oil Field Branch of PetroChina,Wushenqi 017300,China;3.Zhong-jia Compressor Packages and Piping Ltd.,Calgary,Canada)
Abstract:Flange leakage analysis has been recognized to be a challenging task in reciprocating compressor piping system.This paper described the finite element analysis procedure to asss piping flange leakage and stress using ANSYS,including application of PRETS179elements for flange bolt preload modeling and TARGE170/CONTA174elements for flange gasket contact surface model -ing.It also investigated the effect of flange bolt preloads on flange leakage and stress.The analysis provides a technical reference for investigating complicated flange leakage problem in recip
rocating compressor piping system.Key words ：reciprocating compressor pipeline;flange leakage;finite
element
1引言
在往复压缩机管道系统中，往往施加较为严格的管道支撑，从而把管道的最低固有频率提高到高于2.4倍的压缩机转速。这种做法可以控制管道的振动在可接受的水平范围内，但有时会导致管道法兰的变形，并在高的管道热膨胀载荷作用下使法兰发生泄漏。这就需要发展一个有效的法兰泄漏分析方法，预测管道系统在满足振动水平的要求下，不会发生法兰泄漏。
传统的管道法兰泄漏分析方法包括等效压力计算法、等效力矩计算法以及ASME B &PVC VIII DIV 1方法。等效压力计算法是将管道作用在法兰
上的力和力矩转换成等效压力，并与法兰许用压力进行比较，从而确定法兰是否发生泄漏。这种方法应用过程简单，但分析结果有时过分保守。等效力矩计算法是根据ASME B &PVC 第III 节，NC-3658.3，计算作用在法兰上的最大允许力矩，然后将管道作用在法兰上的计算力矩与允许值进行比较，从而预测法兰是否会发生泄漏。这种方法没有考虑法兰变形，对垫圈压缩和泄漏的影响。ASME B &PVC VIII DIV 1方法根据螺栓预紧力确定作用在法兰垫圈上的初始压力，在考虑由于管道
内压力和管道载荷（力和力矩
）
作用引起的垫圈压力损失后，计算得到法兰垫圈上的工作压力，并通过检查该压力是否超过垫圈系数m （密封垫上
防止泄漏所需的压力与管道压力的比率，乘以安全系数）所对应的压力，确认法兰是否会发生泄漏。这种方法假设垫片相当硬，且垫片和螺栓的反作用力和刚度都集中在一个点上，忽略了剪切载荷的影响。这些假设限制了该方法的应用。
有限元方法已被公认是进行复杂法兰泄漏和应力分析的有效方法，可以解决上述传统分析方法不能解决的问题。有限元方法考虑了螺栓预紧力、垫圈类型、法兰面结构、工作条件、剪切载荷等复杂因素对法兰泄漏的影响。然而，有限元方法与传统的分析方法相比不仅耗时多，而且还有技术上的挑战，如垫圈表面的非线性接触模拟、非线性螺栓预紧力模拟等，都需要由经验丰富的分析人员完成。
本文以一个压缩机排气管道上使用传统分析方法难以完成的非标准法兰为例，展示使用AN-
tosun
SYS软件进行法兰泄漏的有限元分析过程，从而为复杂法兰泄漏分析提供一个技术参考。
oxe2有限元模型
2.1有限元计算模型
图1显示了进行法兰泄漏分析的有限元模型。
该模型包括连接管道、法兰环、法兰螺栓，垫圈和部分压缩缸体，共有13208个Solid1853维实体单元，72个PRETS179预紧力单元，160个Targe170接触单元，160个Conta174接触单元，64个Pipe16单元和24个耦合，以准确模拟法兰变形、泄漏和应力分布的变形机理和刚度特征。在该模型中，管道材料为A519、法兰环材料为A36、法兰螺栓材料为4140，垫圈材料为Duralon9000、压缩缸体材料为铸铁。
图2显示了在有限元模型中，管道、法兰环、法兰螺栓、垫圈和压缩缸体的配合细节。其中，在垫圈和管道接触面使用了柔性的面对面接触对模拟。考虑到垫圈与法兰管道部件相比更有柔性，故在垫圈侧表面使用了TARGE174单元，在管道侧表面使用了TARGE170单元。在接触对参数中，设置刚度罚值为0.1，摩擦系数为0.1，并采用非对称刚度矩阵，闭合间隙选项等来自动调整接触状态。同时考虑到增强的拉格朗日算法对接触刚度的敏感性较低，被用作本分析中的接触算法。
2.2边界条件
在压缩机缸体模型周边的所有节点上，施加固定的平移自由度和自由的旋转自由度。在管道外端部，施加管道载荷（力和力矩）。通过进行边界条件的敏感性研究，表明该边界条件对于法兰泄漏分析是合适的。
2.3法兰螺栓预紧力
根据ASME B&PVC VIII DIV1，如不考虑管道载荷，在安装和运行条件下需要的最小法兰螺栓预紧力，W m1和W m2，分别为
W m1=3.124bGy（1）W m2=0.785G2p+（2b×3.14Gmp）（2）其中b——
—垫圈有效宽度，mm
G——
—垫圈有效直径，mm
y——
—最小垫片设计压力，psi
p——
—管道内部设计压力，psi
m——
—用于操作状态的垫片系数damn什么意思
W m1——
—要求的最低螺栓预紧力
在工程实践中，通常使用典型的经验法则来确定螺栓预紧力W（psi），如下所示employee
W=45000/d1/2（3）其中d——
—法兰螺栓的公称直径
一般来说，较高的螺栓预紧力可使螺栓能够图1法兰泄漏分析的有限元模型
图2管道、法兰环、法兰螺栓，垫圈和
压缩缸体的配合模拟
垫圈
承受更大的管道载荷，有利于防止法兰泄漏。然而，较高的螺栓预紧力通常会引起法兰压力过大并损坏垫圈。因此，选用实际可行的螺栓预紧力对法兰泄漏分析结果至关重要。在本文分析过程
中，通过考察使用不同的螺栓预紧力
（从9.74kN 到128.68kN ），结果表明使用28.09kN 的螺栓预紧力，即可防止法兰泄漏又不会使法兰过载。
2.4
西班牙前国王将离开管道载荷
管道作用在法兰上的载荷由管道应力分析程序计算得到。其中最大力载荷为32.7kN ，最大力矩载荷为24.7kN ·m 。2.5螺栓预紧力模拟初中定语从句讲解
本文分析使用了PRETS179预紧力单元模拟螺栓预紧力及其影响。PRETS179单元在每个螺栓中部定
义了2个分离表面。当施加螺栓预紧力时，2个分离表面会发生重叠即相关节点出现位移调整，如图3所示。由于螺栓预紧力引起的位移调整被锁定在这种状态，形成一种位移约束，并应用到随后法兰在工作状态下的泄漏和应力分析。2.6求解策略
使用大位移静态分析求解方法，自动调整时间步长。且设置每个载荷步的子步数为2，最大子步数为5。
分析过程包括2个载荷步计算。第一个载荷步是计算在螺栓预紧力作用下，螺栓预紧节点的位移调整，同时计算在该安装状态下的法兰变形、法兰应力和垫圈表面接触压力；第二载荷步是计算在工作条件下，由于增加了管道载荷作用所引
图3
螺栓预紧力模拟及分离面节点重叠
（a ）安装状态
（b ）工作状态
图4
法兰变形
merry xmas是什么意思（a ）安装状态
（b ）工作状态
图5
附加值垫圈表面所受压力
图6法兰在工作状态下的VonMis应力分布
起的垫圈表面接触压力变化，以及相应的法兰变形和应力，并将计算出的垫圈表面接触压力和法兰不发生泄漏所要求的压力值进行比较，从而确定法兰是否会发生泄漏。
3有限元计算结果及讨论
3.1有限元计算结果
图4显示了法兰在安装状态和工作状态下的轴向变形。可以看出，在安装状态下的变形是轴对称分布。但在工作状态，法兰由于施加了管道载荷发生弯曲变形，变形不再是轴对称分布。
图5显示了法兰垫圈在安装状态和工作状态下的表面接触压力分布。可以看出，由于施加了管道载荷，垫圈表面的接触压力在工作状态下的分布与在安装状态下的分布相比，发生了显著变化。在工作条件下的最小接触压力高于保证法兰不泄漏所需的最小值3.1MPa，说明法兰不会泄漏。其中，保证法兰不泄漏所需最小压力值是根据ASME
B&PVC VIII DIV1中的垫圈系数m计算得到的。
图6显示了法兰在工作状态下的VonMis应力分布。
图6显示了法兰在工作状态下的VonMis应力分布。
3.2有限元计算结果讨论
为研究螺栓预紧力对垫圈接触压力和法兰泄漏的影响，使用公式（1）和（3），分别计算得到两个螺栓预紧力9.8kN和128.7kN。计算结果表明，9.8kN的螺栓预紧力导致垫片表面接触压力为3.8MPa，稍
微超过最小所需值3.1MPa。128.7kN 的螺栓预紧提供了大的安全系数以防止法兰泄漏，但它导致法兰过应力。从避免疲劳失效的角度考虑，法兰过应力并不总是可以接受的。比较分析结果表明，在使用方程（3）估算得到的螺栓预紧力进行法兰泄漏分析时，应同时计算法兰应力，以确保法兰不会发生大的塑性变形和疲劳失效。
比较分析结果同时表明，管道载荷不仅可能导致法兰泄漏，也有可能导致在法兰中的过应力。这意味着最大允许的管道负载不仅受到防止法兰泄漏的要求的限制，而且受到法兰材料强度的限制。
4结论
sunday是什么意思本文讨论了利用ANSYS有限元方法进行法兰泄漏和应力分析的详细过程。分析结果表明，法兰螺栓预紧力对法兰泄漏分析结果有显著影响。对于工程实践中的法兰泄漏分析，建议使用螺栓实际预紧力载荷，以得到准确的计算结果。同时，在进行法兰泄漏分析时，也要进行法兰应力分析，以避免法兰过应力和疲劳失效。
本文分析实例为使用ANSYS软件进行复杂法兰泄漏分析，提供了技术参考。
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作者简介：邓晶（1983-），女，高级工程师，2005年毕业于武汉理工大学热能与动力工程专业，现在中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司从事产品设计工作。E-mail：
