利用ABAQUS 有限元軟件對(duì)帶新型雙楔角環(huán)墊與帶八角墊的螺栓法蘭接頭進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)預(yù)緊工況和操作工況下的螺栓與法蘭應(yīng)力最大值、密封面接觸壓力最大值以及有效密封寬度進(jìn)行分析對(duì)比。結(jié)果表明：介質(zhì)內(nèi)壓使帶雙楔角環(huán)墊的法蘭應(yīng)力最大值下降，但法蘭與螺栓應(yīng)力值仍高于帶八角墊的法蘭、螺栓應(yīng)力值；法蘭公稱直徑增加，八角墊內(nèi)、外側(cè)面的有效密封寬度逐漸減小，而雙楔角環(huán)墊主、從面有效密封寬度有增大的趨勢(shì)；雙楔角環(huán)墊特殊的楔形結(jié)構(gòu)使得主、從面接觸應(yīng)力在介質(zhì)內(nèi)壓作用后下降幅度小于八角墊內(nèi)、外側(cè)面，因而具有更好的密封性能，特別是對(duì)于大法蘭公稱直徑的密封。

　　新型密封元件的開發(fā)與設(shè)計(jì)是墊片密封技術(shù)的發(fā)展方向之一。2001 年，Kurokouchi等對(duì)環(huán)形金屬平墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，首先提出了一種楔形密封墊。該新型楔形密封墊因具有良好的密封性能，受到研究人員的廣泛關(guān)注，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同工程要求進(jìn)行了改進(jìn)。2003 年，Aaron 和John為了解決大量的海底管道施工工程對(duì)水下密封技術(shù)的要求，提出了楔形墊應(yīng)用在水下管道密封方面的想法。借鑒其設(shè)計(jì)理念，我國(guó)也開始將該楔形墊應(yīng)用在海底管線連接中。2009 年，美國(guó)Taper-lok 公司提出了一種新型雙楔角環(huán)墊。為了研究這種新型雙楔角墊的密封性能，Madazhy 等對(duì)僅用3 個(gè)螺栓的法蘭接頭中的新型雙楔角環(huán)墊的密封接觸壓力分布進(jìn)行了有限元分析和水壓試驗(yàn)，并和傳統(tǒng)平墊片進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，該新型環(huán)墊擁有更出色的密封效果。2010 年的ASME 壓力容器與管道會(huì)議上，Gardner 等將雙楔角環(huán)墊應(yīng)用于高壓換熱器中，取代了焊接隔板來(lái)防止泄漏，取得了很好的效果。2013 年，徐永杰和陸曉峰用數(shù)值模擬方法研究了雙楔角環(huán)墊的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其密封接觸壓力的影響。

　　目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這種新型雙楔角環(huán)墊的性能研究報(bào)道很少，特別對(duì)其法蘭接頭的結(jié)構(gòu)完整性和泄漏緊密封未見有系統(tǒng)研究。本文作者運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件分別對(duì)采用新型雙楔角環(huán)墊的螺栓法蘭接頭和采用八角墊的螺栓法蘭接頭進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)預(yù)緊工況和操作工況下2 種法蘭接頭中的法蘭與螺栓應(yīng)力值、密封面接觸壓力值及有效密封寬度進(jìn)行了分析對(duì)比，為探索這種新型雙楔角環(huán)墊在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了參考。

1、幾何建模及網(wǎng)格劃分

　　1. 1、法蘭、墊片的選用

　　研究的新型雙楔角環(huán)墊密封接頭由主法蘭、從法蘭、雙楔角環(huán)墊與緊固螺栓組成，其中雙楔角環(huán)墊的密封面為主、從2 個(gè)圓錐面，分別與主法蘭面和從法蘭面相接觸。研究的八角墊法蘭接頭與雙楔角環(huán)墊法蘭接頭的模型尺寸，均選用基于ASME B16.5 標(biāo)準(zhǔn)中NPS 80、150、250 和400 mm Class 300lb 帶頸對(duì)焊法蘭，八角墊與雙楔角環(huán)墊截面形狀如圖1 所示，尺寸參數(shù)分別如表1、2 所示。

圖1 八角墊與雙楔角環(huán)墊截面

表1 八角墊尺寸參數(shù)

表2 雙楔角環(huán)墊尺寸參數(shù)

　　由于二者的模型結(jié)構(gòu)均為軸對(duì)稱模型，分別取其1/16、1/24、1/32、1/40 作為研究對(duì)象，模型中所取筒體長(zhǎng)度均大于2.5 × (Rt) ^0.5，其中R為筒體內(nèi)半徑，t為筒體厚度。

2、結(jié)論

　　(1) 密封環(huán)墊要獲得初始密封，雙楔角環(huán)墊需要的螺栓預(yù)緊力小于八角墊的螺栓預(yù)緊力；除80mm外，其他公稱直徑下帶雙楔角環(huán)墊的法蘭與螺栓應(yīng)力值均高于帶八角墊的法蘭與螺栓應(yīng)力值。

　　(2) 預(yù)緊和操作工況下，雙楔角環(huán)墊從面接觸壓力最大值始終大于主面; 相比于預(yù)緊工況，操作工況下雙楔角環(huán)墊從面接觸壓力最大值隨法蘭公稱直徑的增大均下降，而主面接觸壓力最大值先減小后增加。

　　(3) 預(yù)緊和操作工況下雙楔角環(huán)墊主從面和八墊內(nèi)外側(cè)面的最大應(yīng)力均隨公稱直徑的增大而增加; 相比于預(yù)緊工況，隨著公稱直徑的增加，介質(zhì)內(nèi)壓作用后雙楔角環(huán)墊主面應(yīng)力值下降幅度明顯低于八角墊內(nèi)側(cè)面，且當(dāng)公稱直徑超過(guò)160mm 后，雙楔角環(huán)墊主、從面接觸壓力最大值開始高于八角墊內(nèi)、外側(cè)面最大壓力。

　　(4) 隨著法蘭公稱直徑的增大，雙楔角環(huán)墊主、從面有效密封寬度呈增大趨勢(shì)，而八角墊內(nèi)、外側(cè)面有效密封寬度逐漸減小; 法蘭直徑超過(guò)160mm，雙楔角環(huán)墊主、從面有效密封寬度優(yōu)于八角墊內(nèi)、外側(cè)面。可見，雙楔角環(huán)墊具有更好的密封性能，特別是對(duì)于大法蘭公稱直徑的密封。