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Theoretical calculation and simulation analysis of contact pressure of the slave sealing surface of a new-type wedge ring gasket

本文通过理论计算与有限元模拟分析了一种新型楔形环垫的接触压力，确定了从动密封面高度是最具影响力的因素，并证明了在中压条件下其比传统八角垫具有更优越的密封性能。

原作者： Wenbin Xu, Yingying Yang, Yongjie Xu

发布于 2026-08-12

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原作者： Wenbin Xu, Yingying Yang, Yongjie Xu

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下那些维持现代城市运转的、隐藏在管道与阀门背后的世界，它们输送着从水到化学品的各种物质。这些管道通常由法兰连接在一起——你可以把法兰想象成重型、螺栓紧固的“握手式”连接。但棘手之处在于，如果这些金属面之间的密封不完美，就可能发生危险的泄漏，有时甚至会导致爆炸。为了阻止这种情况，工程师们使用垫圈，它们就像是夹在金属面之间并被紧紧挤压的特殊、柔软的圆环，用以封堵任何可能的逃逸路径。几十年来，工业界一直依赖于一种标准的“八角形”垫圈（形状像停止标志的圆环），因为它表现良好。然而，就像新款智能手机可能会提供比旧款更好的功能一样，工程师们一直在寻找能够实现更紧密密封的垫圈设计，尤其是在管道内部压力变大的情况下。本文深入探讨了一种被称为“楔形环垫圈”的新颖且聪明的设计，它试图随着压力的增加而变得更加“聪明”，而不仅仅是受到更强的挤压。

本研究中的研究人员想要观察这种新型楔形垫圈是否能比传统的八角形垫圈做得更好。他们专注于垫圈的一个特定部分，即“从属密封面”（slave sealing surface），这是压向较小法兰的一侧。通过结合数学方程和强大的计算机模拟（一种称为有限元分析或 FEM 的方法），他们测试了这种新型垫圈的不同形状和尺寸如何影响其施加在密封面上的压力。这就像是在测试不同尺寸的门塞：更高的门塞能否更好地挡住门？更尖锐的角度是否更有效？他们模拟了垫圈在 5 MPa 压力下的行为。

团队发现，密封面的高度（标记为 $h_f$ ）是最重要的因素。当他们增加这一部分的长度，将其从 12mm 增加到 24mm 时，接触压力显著下降，从 111.38 MPa 降至 47.23 MPa。事实证明，较高的表面会将力量分散到更大的面积上，从而减轻单点的应力。他们还发现，楔形顶部和底部角度的比值（ $\theta_m/\theta_f$ ）也很重要，但其重要程度不及高度。有趣的是，改变内径（ $d_1$ ）或小端厚度（ $T$ ）对压力的影响不大，只要内径保持在 110.5mm 以上的临界点。

然而，最令人兴奋的发现是，这种新型垫圈在压力下的表现与旧有的八角形垫圈相比如何。在传统的八角形垫圈中，内部压力实际上会削弱密封，导致接触应力下降。这就像一扇门，风推得越厉害，就越难关紧。但这种新型楔形环垫圈却恰恰相反：内部压力将楔形件推得更紧，从而增加了接触应力，并产生了一种“自密封”效应。在他们的模拟中，这种新垫圈在运行条件下比传统的八角形垫圈保持了更强的密封性。作者认为，这种新设计可以为高压系统提供一种更可靠的防泄漏方式，证明了有时，一点点几何设计的改变就能在安全性方面带来巨大的差异。

技术摘要：新型楔形环垫片从属密封面的接触压力理论计算与仿真分析

问题陈述
管道系统中的法兰垫片接头是化工及其他工业领域的关键部件，其失效往往会导致泄漏和爆炸等严重事故。虽然已有诸多研究针对传统垫片设计（如金属C型环、波纹垫片和八角垫片）中的蠕变松弛、螺栓分布和应力松弛问题进行了探讨，但仍需优化新型结构设计在工作条件下的密封性能。具体而言，本文研究了新型楔形环垫片（一种自紧式法兰连接系统的组件）的“从属密封面”（即与从属法兰接触的面）的接触应力行为。

研究方法
本研究采用了理论推导与有限元分析（FEM）相结合的双重方法：

理论计算： 作者通过推导力学平衡方程来计算从属密封面的平均接触应力。这涉及对作用在环垫片上的力进行分析，包括螺栓预紧力、内压和摩擦角。通过建立公式，根据结构参数确定接触面积和应力分布，这些参数包括主从面锥角（ $\theta_m/\theta_f$ ）、从属密封面高度（ $h_f$ ）、小端厚度（ $T$ ）以及小端内径（ $d_1$ ）。
有限元分析 (FEM)： 使用 ABAQUS 软件对 NPS 80mm Class 5MPa 对焊法兰进行了仿真。模型采用了理想弹性材料（法兰/垫片采用 SA105，螺栓采用 SA193-B7），并设定了特定的弹性模量和泊松比。分析过程遵循五个加载步骤：部分螺栓力、总螺栓力、固定螺栓长度、施加内压（5 MPa）以及施加等效圆柱端面压力（15.7 MPa）。通过在从属密封面上选择一条从顶到底的节点路径，以监测接触压力的分布。

主要贡献与结果
本文提出了计算从属密封面应力的理论框架，并通过仿真进行了验证。关于结构参数对接触应力的影响，主要发现如下：

参数敏感性： 在测试的变量（ $h_f$ 、 $\theta_m/\theta_f$ 、 $T$ 和 $d_1$ ）中，从属密封面高度（ $h_f$ ）对接触应力的影响最大。当 $h_f$ 从 12mm 增加到 24mm 时，由于接触面积增大，最大接触应力显著降低（从 111.38 MPa 降至 47.23 MPa）。
锥角 ( $\theta_m/\theta_f$ )： 增加锥角比会略微降低最大接触应力和有效密封宽度。然而，较大的角度会导致非密封区域明显增加，从而导致垫片表面利用率低下。
内径 ( $d_1$ ) 与厚度 ( $T$ )： 小端内径（ $d_1$ ）存在一个 110.5mm 的临界阈值；超过该值后，其对接触应力不再产生影响。小端厚度（ $T$ ）对应力分布的影响极小。
验证： 理论计算与仿真结果基本一致。理论值略高于仿真值，这归因于理论假设为刚性法兰，而仿真模型考虑了弹性变形。

对比性能
在运行条件下（中压），对新型楔形环垫片与传统八角垫片进行了直接对比：

新型楔形环垫片： 在内压作用下，从属密封面的接触应力较预紧状态有所增加，且密封带有所扩大。这证明了中压增强了密封的自紧效应。
传统八角垫片： 相反，在相同的运行条件下，其从属密封面的接触应力较预紧状态有所下降，且密封带变窄。

意义与结论
本文得出结论，与传统八角垫片相比，新型楔形环垫片具有更优越的密封性能。研究表明，楔形结构能有效利用内部介质压力来促进密封（自紧），而八角垫片的性能在类似压力下会发生退化。本研究为优化此类新型垫片的结构参数提供了理论依据，特别强调了从属密封面高度（ $h_f$ ）在决定接触应力和密封有效性方面的关键作用。研究结果表明，该设计更适合于维持承受内压的法兰连接处的密封完整性。

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