[硕士论文精品]海洋立管法兰结构设计与有限元分析

哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要本论文回顾了立管中管道法兰设计研究的发展，介绍了现有几种典型的法兰设计方法。根据ASME锅炉与压力容器规范中的法兰设计方法，对本文研究对象海洋立管法兰系统进行理论强度校核。结果证明所设计的法兰系统符合要求。文中详细介绍了ANSYS有限元计算软件的发展、功能、计算方法、前后处理程序和软件中的子模型法。将法兰接头各元件看成一个系统，研究各元件的相互作用，建立了立管一法兰一垫片一螺栓连接系统的非线性三维有限元分析模型和法兰沉孔处的局部模型。通过计算得到了接头整体和各元件的变形和应力分布。把有限元分析得到的应力分布进行线性化处理，结果表明，法兰系统设计符合规范规定的要求。本论文还对螺栓和螺栓螺纹进行了应力研究，得出螺栓应力集中系数和应力放大系数，可以预示螺栓的疲劳强度情况。关键词立管；法兰；螺栓；强度较核；有限元哈尔滨下程大学硕十学位论文ABSTRACT，NLISPAPERPRESENTSTHERESEARCHANDDEVELOPMENTOFAFLANGEDESIGNFORULTRADEEPWATERDRILLINGRISERSTHEDESIGNMETHODINMEASMEBOILERANDPRESSUREVESSELCODEDIVISION2ISUSEDTOCHECKTHESTRENGTHOFTHEOCEANRISERFLANGESYSTEM。功ERESULTDEMONSTRATESTHATTHEFLANGESYSTEMMEETSTHENEEDSFORREQUIREMENTSBECAUSETHEDESIGNBASEDONANALYSISOFSTRESSESITSDISTRIBUTIONBECOMESINCREASINGLYIMPORTANT，THEFEAFINITEELEMENTANALYSISHASBEENCONSIDEREDTHEEFFECTIVEMEANSTOTHESTRUCTURALANALYSISTHISTHESISREPORTINTRODUCESTHEDEVELOPMENT，THEFUNCTION，THECOMPUTATIONMETHODSANDTHESUBMODELINGMETHODFORTHEFEAPROGRAMANSYSTHEFINITEELEMENTANALYSISPROGRAMANSYSISUSEDTOESTABLISHTHREEDIMENSIONANDTWODIMENSIONFINITEELEMENTMODELSFORTHEOCEANRISERFLANGESYSTEMWITHTHEFINITEELEMENTMETHOD，也EFLANGESYSTEMISANASLYZEDANDITSSTRESSESANDSTRAINESDISTRIBUTIONANDDISPLACEMENTMAPAREOBTAINEDANDTHESTRESSIS1INEARIZEDFROMTHERESULTSOFTHEFINITEELEMENTANALYSIS，ITISDEMONSTRATEDTHATTHESTRENGTHANDTHEFATIGUEOFTHEFLANGESYSTEMWIUMEETCODEREQUIREMENTSKEYWORDSRISER；FLANGE；BOLT；STRENGTHSTUDY；FINITEELEMENTANALYSIS哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签字垦揖日期缪年月3日哈尔滨工程大学硕士学位论文11课题目的与意义第1章绪论2L世纪是海洋资源开发的新世纪，世界各国把开发海洋、发展海洋经济和海洋产业作为国家发展的战略目标。80年代以来，美、日、英等国都相继提出了优先发展海洋高技术的战略决策。1985年，美国率先制订全球海洋发展战略与规划，日本政府制订了面向21世纪海洋开发推进计划，英国海洋科技协调委员会发表90年代英国海洋科技发展报告。我国“九五”期间，国家863高技术计划海洋领域项目正式启动，标志着我国进入了国际开发海洋的行列。随着陆上可用资源日益短缺和近海资源开发日益成熟，海上资源勘探、开发与利用正迅速向深海区域发展。据有关报告指出，世界成熟浅水区域油气新发现的规模正大幅下降，而在占全部海洋面积80的深海区域蕴藏着丰富的油气资源，超过1000米水深的油气田的平均储量规模将是浅水区域的两倍以上，勘探投资拥有较高的回报率，因此海洋开发逐渐向深水进军。尽管深水勘探钻井比大陆架和陆上钻井的总费用支出高，但是在深水区域能获得更多的油气储量，因此总体上平均单位发现成本并不高N1。不管海洋油田开发采用何种浮式方案，都需要使用立管系统，它是海洋基础结构的关键组成部分，是连接水下井口与水上浮体，内有各种用途管路的管状通道。下端通过万向节与海底井口连接，其上端与平台或船舶底部的滑移节配合。其内部一般有高压的油或气流通过，且处于复杂的海洋环境中，外部承受波浪、海流荷载等的作用，所以它薄弱易损。立管接头作为立管连接的主要部分，其作用显得更为重要，若立管接头系统的结构不合理或结构强度不够，可能会浪费安装及维修时间，甚至造成立管系统的破坏，造成油气泄漏，不仅工程本身遭受损失，污染环境，而且可能造成严重的次生灾害。立管接头是一种快速装卸立管的方式。在安装和操作时，立管法兰可以传递立管重量给安装架。并且给辅助管线和浮力装置产生的反作用力提供支哈尔滨工程大学硕士学位论文持。它在传递立管承受载荷的过程中起到重要作用。立管接头主要有五种型式，其中一种为螺栓法兰连接，它既是一种可拆联接件，又是一种承压密封件。法兰接头是由法兰一被连接件垫片一密封元件螺栓、螺母一连接件组成。法兰连接一般是由为保证立管、管道和设备正常而又安全运行，法兰连接应作到。1有足够的强度，不因可拆卸连接的存在而削弱整体结构的强度，连接结构本身也要能抵抗所有的作用力；2连接处保持密封不泄漏，螺栓法兰整个系统有足够的刚度，尤其在操作外力及温度有波动，介质有腐蚀情况下，仍能保证紧密密封；3能迅速并多次重复装拆；4经济合理乜1。因此本文本着满足以上要求的目的来研究立管法兰系统，为我国海洋开发提供技术支持。12本章小结本论文主要做了以下研究1对目前采用的国内外管道法兰标准以及设计理论进行系统研究；2在法兰设计理论及标准研究的基础上，重点介绍美国ASME压力容器规范中选用的法兰强度计算方法，即WATERS法。并使用该方法对设计的法兰系统进行理论强度校核。且对拧紧法兰所必需的预紧力及预紧力矩的取值进行详细分析；3比较目前一些大型计算软件，选取埘SYS软件。介绍该软件的主要功能。用该软件对立管法兰系统建三维有限元分析模型，对法兰整体进行分析；并使用该软件中的子模型法对法兰沉孔建模分析。也对螺栓建立二维有限元模型分析螺栓受力；4对多种工况下法兰系统和螺栓的应力强度及疲劳分别进行分析，定量描述法兰在设计工况下的真实应力状态和应变状态。本论文以立管法兰接头为研究对象，将与法兰接头有相关作用的各零部2哈尔滨下程大学硕士学何论文件作为一个系统包括上下法兰密封垫片压紧法兰的螺栓螺母等零件。根据压力容器规范对法兰系统各部分强度进行理论校核。并且对立管法兰系统分别作整体及局部有限元分析以校核法兰系统的强度和疲劳。为我国海洋立管法兰的设计建造提供参考，并为我国海洋开发事业作出应有的贡献。哈尔滨工程大学硕士学位论文第2章国内外法兰设计21立管法兰系统设计立管系统包括许多组件，例如法兰，管配件，密封圈，螺栓，阀门等。这些组件必须符合立管的设计条件，并且与管线的材料，腐蚀，焊接方面要求一致。标准的法兰材料和尺寸主要根据规范ASMEB165，APISPEC17D和MSSSP44而定。法兰具体计算设计根据美国ASME锅炉和压力容器的VIII部分。垫圈及螺栓是法兰的配件垫圈的材料和尺寸主要根据ASMEB1620和APISPEC6A。而螺栓的标准材料和螺栓扭矩主要根据ASMEB165和APISPEC6A。现行螺栓法兰连结系统设计有GBL50、ASME规范和DIN2505标准规定的方法。GBL50方法基本沿用美国ASME规范，依据垫片系数和比压力Y进行连接设计，主要考虑了连接结构的强度。DIN2505方法则注意到垫片力、介质力使法兰产生的挠度、螺栓的拉伸、垫片的压缩、材料弹性模量在高温下的变化以及热变形对连接密封性能的影响。现有新的ASME附录法引入了新的垫片常数，并且建立了确定这些常数的实验标准，提出了紧密度的概念。紧密性分析方法中提出了螺栓法兰连接的紧密性概念，并且规定了紧密性分析的内容和方法，从控制泄漏率角度出发，较好地解决了泄漏率定量预测与控制问题。但是所有这些方法中都没有引入可靠度概念，因而无法回答连接的可靠性问题。因为垫片的性能与材料、制造工艺、设备和生产者素质等诸多因素有关，它成一定规率的随机分布。在设计立管法兰过程中，首先，根据实际工程条件确定所需的法兰系统的结构形状要求；其次，根据以上所述规范对法兰系统结构尺寸反复校核修改，至满足条件要求；然后，应用合理的有限元分析软件对所设计的法兰系统进行有限元分析，并对结果进行研究。根据以上步骤，本论文研究设计了海洋立管法兰系统，并对其进行检验校核。4哈尔滨工程大学硕士学位论文22国内外法兰标准概况221国外法兰标准概况目前国际上同时存在两个不能相互代替的法兰系列。一是以美国法兰标准ANSI为代表的法兰系列，。即“美洲法兰标准系列“，包括英国、法国、日本、前苏联等国家的国家标准。二是以德国法兰标准DIN为代表的法兰系列即“欧洲法兰标准体系”，包括德国、前苏联、法国等国家的国家标准。两个体系有完全不同的理论基础，美洲法兰体系是基于弹性分析的方法而欧洲法兰体系则是基于塑性极限载荷分析的方法。在国际标准IS070051中，同时包含了美洲和欧洲两个体系的法兰，只将欧洲法兰系列限制在PN4OMPA以下，美洲法兰系列则全部被推荐使用，主要是因为美洲法兰系列结构合理、刚性好、强度高、密封性能也相对较好。222国内法兰标准概况1958年，我国制订了第一套法兰标准HG500卜502858管法兰标准，属于欧洲法兰体系。1988年颁布了我国第一套管道法兰的国家标准，即GB911391311988，它是参照ISODIS70051而制定的，其中包含了美洲和欧洲两个体系的法兰。2000年颁布了2000年版我国的法兰标准，即现行法兰国家标准。国内管法兰标准常用主要有四大体系，即国家标准GB、机械行业标准JB、化工行业标准HG和石油化工行业标准SH。另外，国内还有中国造船总公司标准CB和电力行业标准DL等。以下主要介绍一下国家标准、化工行业标准、机械行业标准和石油化工行业标准1国家标准GBT911291242000钢制管法兰系列标准，包括31个法兰尺寸标准，以及法兰型式与参数、法兰技术条件标准各1个，共33个标准，替代了GBT9112912491988和GBT91251988共计169个标准。该标准中的PNO25、PNO6、PNI0、PNI6、PN25、PN40、PN63、PNIO0和PNL6OMPA法兰尺寸属于欧洲法兰体系；PN20、PNS0、PNLL0、PNL50、PN260和PN42OMPA法兰尺寸属于美洲法兰体系；这些法兰尺寸均可以与欧哈尔滨工程大学硕十学位论文洲和美洲相应压力等级的法兰尺寸互换。2化工行业标准HG20592206351997钢制管法兰、垫片、紧固件系列标准，本标准的特点是将欧洲体系和美洲体系分为两大类别，分别制定了相应的法兰尺寸、技术条件、压力一温度等级、焊接接头和坡口尺寸以及配套使用的垫片、紧固件标准除此之外还制定了钢制管法兰、垫片紧固件选配规定，美洲体系中编入了属于大直径钢制管法兰的内容，所有法兰尺寸同样与欧洲和美洲相应压力等级的法兰尺寸一一互换。3机械行业标准JBT748621994管路法兰系列标准，仅适用于公制管的连接，这主要是参照前苏联的法兰标准并考虑国内的钢管使用习惯及供应情况而制定的。4石化行业标准SH34061996石油化工钢制管法兰系列标准，其相对国标和化工行业标准而言，类型较少，体系比较单一。其主要特点为钢管外径采用与英制尺寸相似并圆整为整数的单一尺寸系列法兰尺寸和压力等级为单一的美洲体系包括了大直径法兰的内容。223国内外法兰标准关系国内法兰标准采用的参考标准均为IS07005I、DIN法兰标准和ANSIB165石化标准包括ANSIB1647标准，只有机械工业标准采用的是苏联法兰标准，但也属于欧洲法兰体系。因此各标准之间的替换性和标准法兰的互换性非常明显。在化工行业标准的使用基础上，我国的国家法兰标准吸取了其优点，完善了其整体结构修订的。两个标准中的法兰型式、尺寸、技术要求、压力温度等级基本一致或等同。I美洲体系IS07005I1992、ANSIB165、ANSIB1647、GBT911291242000美洲体系大直径法兰除外、HG20615206261997、SH34061996、BSL560、JPI一7S一15、NFM87尺寸互换。6哈尔滨T程大学硕学位论文2欧洲体系IS0700511992、DIN、GBT911291242000欧洲体系英、米制、JBT748621994、HG20592206051997、HGJ44761991、JB81851959、HG5003,、50231958尺寸互换。23计算法兰种类和条件由于存在两个法兰体系，所以在校核法兰强度时，需要分别采用不同的计算方法。其中欧洲体系法兰可以分为带颈对焊法兰、法兰、活套法兰环、活套法兰对焊焊环四种类型，是按照DIN2505法兰连接计算方法进行计算；而美洲体系中的法兰分为活套型、整体型和任意型三种类型，其计算方法分为活套型和整体型二种，任意型可根据管子与法兰焊接情况，归到活整体型进行计算。24法兰强度设计的基本理论方法法兰设计需要解决连接件具有足够的强度和保证整个操作过程中不产生泄露。一般来说，由于法兰连接件强度是通过力学模型计算的，因此较容易满足要求。但法兰连接密封主要取决于法兰的制造质量、螺栓的选取、密封件的选取及整个密封系统的装配质量。即使是同一批产品，其质量差异及装配状况都对密封性能有很大的影响。因此，严格地说，密封计算只能是近似的。以下介绍法兰强度的设计方法，其主要分为三类基于材料力学的分析方法、基于弹性分析的方法和基于塑性极限载荷的分析方法。1基于材料力学的分析方法该分析方法主要分为巴赫法和TY8100法。巴赫法是将高颈法兰设想成沿圆周展成以悬臂梁的简单方法，此法着重强调了法兰的径向变形；TY8100法是将法兰环视为一内外周边简支的圆环，在环内缘上作用有均布的垫片力，在螺栓中心圆圆周上作用有均布螺栓力，此法重强调了法兰的环向弯曲变形。以上两种方法都未考虑锥颈应力，只能属于过于简化的近似方法。2基于塑性极限载荷的方法该计算方法的出发点，并不注重于法兰本身的应力水平，而是着眼于法7哈尔滨工程大学硕士学位论文兰联接的密封性能。因此对法兰的强度计算是以极限设计的概念进行的，而对整个“联接的密封性能的检验是通过制作一个“载荷一变形“图的办法来加以确认的。但是，“载荷一变形的制作过程所需要的垫片的回弹性能，比压、垫片系数等物性参数的数据准确性尚存问题。此外，此图的制作过程十分烦琐。在AD规范的法兰设计方法中，免去了密封性能的检验步骤，因此，采用这种方法设计的法兰存在密封失效的危险性。3基于弹性分析的方法WATERS法是此类方法中最具代表性的一种设计方法。此法在计算带颈法兰的强度时，将整体法兰分解成3部分壳体、毂和法兰环，各断面上作用有轴向力、内压力、剪力、弯矩、螺栓的上紧力、垫环处的反力等。将壳体和毂均视为弹性基础梁，而将法兰环视为一环形平板，由它们各自变形微分方程获得通解，然后根据三者互相的边界条件，计算法兰的弹性名义应力，并控制适当的许用应力，以保证法兰具有足够的刚性，从而使整个联接达到密封可靠的要求。大量实践表明，WATERS法在通常情况下能获得满意的设计结果且计算简便。美、英、法、日等国规范相继采用WATERS法，例如是美国机械工程师协会ASME法兰设计的理论基础，我国也才采用该法修订“三部压力容器法兰标准和制定了钢制管法兰国家标准中的美洲体系法兰部分。虽然WATERS法计算也存在一些缺陷，例如该方法略去了压力载荷所造成的的不连续应力以及内压在圆筒、锥颈上引起的的直接薄膜应力。但HHAMADA曾用电子计算机验证考察了ASME规范中的WATERS法兰设计方法是可靠的。所以以下详细介绍WATERS法1WATERS法的假设与简化法兰在设计温度下保持在弹性状态，不发生蠕变与塑性流动作用于法兰的螺栓载荷己经确定螺栓载荷与力臂按假定得出。螺栓载荷与力臂的乘积即为施加于法兰的外力矩作用于法兰环上的力矩其分布使之可由作用在法兰环内径和外径上的当量力偶来代替由于沿环分布的扭矩作用而引起法兰环中面的伸长可忽略不计在沿环均匀分布的扭矩作用下，环形形心的径向位移可忽略法兰环的挠曲或转角很小，所以两种载荷系统见图21和它们的弹性作用成线性关系，整个问题可用叠加法求解将锥颈和筒体视为薄壳，它们哈尔滨工程大学硕士学位论文的中面半径可由其内径近似代替，并假定大端的径向位移为零。耸量暑T与宝拳L抽轴与A假定的第一部分载荷B假定的第二部分载荷C假定的第三部分载荷图21假定法兰载荷分布2计算模型WATERS法忽略不处理压力径向作用引起的法兰各元件边界连接处的不连续应力以及轴向作用引起的简体与锥颈中的薄膜应力。此法的强度分析以图21C的载荷进行考虑。可以假想地把法兰分解成三个部分如图22圆筒体将其视为承受沿边缘墨0均匀分布的弯矩虬和剪力线作用的圆柱壳。颈部视为线性变厚度的圆柱壳，在E0的小端处作用有沿边缘均匀分布的弯矩蚝。和剪力QHO。在EH的大端处作用有均布的弯矩眠。和剪力绕。法兰环将其视为环形薄板，在其内外边缘上作用有均布力，由其构9翔嘣譬多K。、一N奶区一哈尔滨丁程大学硕学位论文成力矩形吃，I爿，其中为均布力WO之总值，MO为法兰设计力矩另外还作用有沿内圆周均布的弯矩形。，其值。WWO鸠。坞。Q。互T一枷O、户0，、日N一WM、E一水辟叫口J图22法兰载荷分布图3通过建立内力平衡方程和变形协调方程，可得到它们边界上的诸未知内力，进而按板壳理论可方便地计算出法兰上任一点的挠度、转角和应力值。并比较得出法兰三个方向的最大应力值分别为法兰轴向应力仃、法兰径向应力盯，和法兰环向应力吼。25有限元法经典的法兰设计方法所建立的法兰力学模型都是建立在一定的假设和近似条件下，其求解的结果只是反映根据一定的理论分析和实际情况总结的若干危险截面的应力，并不能很好的反映整个法兰的受力情况及变形过程。但是随着计算机分析技术的蓬勃发展，特别是有限元技术的发展，使得复杂结构的应力计算成为可能。采用有限单元法进行法兰模型的仿真分析可以直观的得到整个法兰的应力应变及变形过程等多种分析结果，且分析结果真10K一户、一0AA一亩【CL琵一一I等一哈尔滨T程大学硕士学何论文实可靠，因此现在有限元数值分析方法己经成为法兰连接分析的重要方法陉引。之前，POWERHL曾对三种不同类型的法兰，在只承受内压作用下，通过三维建模方法来研究接触压力变化和法兰，螺栓中的应力状况。其中法兰密封能力根据接触压力或者叫接触面压力来衡量。近来，CAO嘲在法兰紧固和正常工作情况下，考虑垫片的非线性，用三维有限元分析，对法兰的强度和密封能力进行研究。FUKUOKA哺1研究了螺栓对应力的分担，螺栓上紧次序的影响等。251有限元法简介固体力学的有限元法是力学、计算数学及计算机等学科综合体系所提供的结构应力分析方法。它以最小势能原理为基础，通过对结构进行离散划分网格，形成单元刚度阵和右端项载荷项，并以适当的方法解方程，求出节点的位移和应变，最后计算结构应力的一种方法。这种方法的特点，是把连续的弹性体分割成仅在有限个节点处相连的有限个单元，并以此来代替原来的连续弹性体，然后建立单元组合体的支配方程即位移法的节点平衡方程或力法的位移协调方程，并求解。FK】X21式中F卜力K一一冈0度矩阵X卜一一位移矩阵有限元法有很强的适用性。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此用有限元法可以模拟几何形状复杂的求解域还便于处理非均质材料，非线性应力一应变关系以及复杂的边界条件等难题。在立管法兰分析中，若需要对法兰进行全面的强度校核或判定其结构是否合理时，需要知道结构中各部位的详细应力情况，对于一些载荷和结构复杂的设备，用常规方法是难以准确计算其应力的，这就需要用有限元法来进行应力分析计算。近三十年来有限单元法的理论和应用都得到迅速的、持续不断的发展。已经由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹哈尔滨工程大学硕士学何论文性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。有限元作为一种数值分析的方法，为复杂形状的结构分析及过程分析提供了一种精确可靠的手段，在当今各个设计、生产、制造等不同工程应用领域中广泛使用，在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并成为计算机辅助设计的分支。252应力分析设计对弹性应力分析结果进行正确的应力分类是分析设计的关键环节。应力分类的目的是为了对不同类别的应力进行不同的限制，根本原则是按照该种应力对容器失效所起的作用的不同进行分类。分类的依据有下面4个方面盯811应力起因由机械载荷包括压力或热载荷引起，或为了满足变形协调条件而产生；2应力范围是总体的、局部的或集中的；3应力沿厚度分布均匀的、线性的或非线性的；4应力性质非自限的或自限的。基于准等强度原则，按照应力导致容器破坏所起的作用，即同样大小的应力对压力容器安全所造成的危害，平衡外载荷产生的无自限性应力大于变形协调产生的自限性应力遍布容器总体上的应力大于局部区域的应力沿壁厚均匀分布的薄膜应力大于线性分布的弯曲应力总体结构不连续应力大于局部结构不连续应力等等。因此，遍布容器总体、由机械载荷引起、满足静力平衡、沿壁厚均匀分布的无自限性应力，即一次总体薄膜应力对容器失效所起的作用最大。而局部结构不连续、沿壁厚非线性分布的自限性应力，例如应力集中不会引起容器明显变形，对总体静强度失效作用很小，其危害性在于可能导致疲劳裂纹或脆性断裂。因此，按产生应力的原因与条件、应力性质和应力存在区域的大小，将容器上的应力分为三类共五种即一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力内1。根据JB47321995钢制压力容器一分析设计标准及美国ASME锅炉及受压容器规范第八卷，以上应力定义如下N1272钔1一次应力PRIMARYSTRESS12哈尔滨工程大学硕士学位论文由平衡压力与其他机械载荷所必需的内力或内力距产生的法向应力或剪应力。一次应力属于非自限性应力，达到极限状态，即使载荷不再增加，仍可产生不可限制的塑性流动，直至破坏。分以下三类1一次总体薄膜应力己GENERALPRIMARYMEMBRANESTRESS沿厚度方向均匀分布，影响范围遍及总个受压元件，一旦达到屈服点，受压元件整体发生屈服，应力不重新分布，一直到整体破坏。例如，薄膜圆筒中由受内压引起的环向薄膜压力。2一次局部薄膜应力异PRIMARYLOCALMEMBRANESTRESS应力水平超过一次总体薄膜应力而影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。局部应力区指沿经线方向延伸距离不大于1ORT“2，应力强度超过1ISM的区域，R为第二曲率半径，SM为材料的设计应力强度值。应该强调指出在标准中，一次局部薄膜应力是指局部应力区薄膜应力的总量，即在局部应力区内己为层的组成部分。当结构局部发生塑性流动时，这类应力将重新分布，但若不加限制，当载荷从结构的某一部分传递到周边地区的结构，有可能产生过度塑性变形而致破坏。在壳体与固定支座或与接管连接处有外加载荷引起的薄膜应力便是一次局部薄膜应力的实例。由结构不连续效应产生的一次局部薄膜应力，具有一定的自限性，表现出二次应力的特征，不过从保守和方便的角度考虑仍划为一次应力。3一次弯曲应力只PRIMARYBENDINGSTRESS平衡压力或其他机械载荷所需沿厚度方向线性分布的弯曲应力，例如周边简支的受侧面压力圆平板中心处的弯曲应力。2二次应力QSECONDARYSTRESS在外部载荷下，由于相邻构件间的约束或构件自身的约束引起，需要满足变形连续条件，包括法向应力和切向应力都称为二次应力，具有自限性。构件发生局部屈服和小量塑性变形就可以使变形协调条件得到部分或全部的满足，从而限制塑性变形不再发展，并可以缓解以至消除产生这种应力的原因。只要不重复加载，二次应力不会导致结构的破坏。在结构内的一次应力能确保安全承受外载以及材料有足够的延性的前提下，二次应力水平的高低对结构承受静载能力并无影响，只在循环和交变载荷下，二次应力会导致结构丧失安定。哈尔滨工程大学硕士学何论文3峰值应力FPEAKSTRESS有局部结构不连续和局部热应力引起的叠加到一次加二次应力上的应力增加量，不会引起明显的变形，一般同时具有自限性和局部性，其危害性仅仅是引起疲劳或脆性断裂，例如壳体与接管连接处由于局部结构不连续所引起的超过一次和二次应力的应力增量。各类应力对失效所起的作用不同，因而用不同的条件进行限制。机械应力以极限载荷为界限不连续应力和热应力以安定载荷为界限。当反复受载需要做疲劳分析时，以疲劳试验应力幅为界限。分析设计对各类应力强度的限制如下P，KS，22式中己一一次总体薄膜应力，KSIK一一载荷组合系数S，一一材料的许用应力强度，KSIE15KS，23式中只一一一次局部薄膜应力，KSI圪忍15KSY24式中一一次弯曲应力，KSI忍忍Q3KSY25式中Q一一二次应力，KSI忍忍QFSO26式中F一峰值应力，KSI鼠一一材料的许用应力强度幅，KSI在压力容器的应力分析设计过程中，压力容器部件设计所关心的是应力沿壁厚的分布规律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核线”来代替校核截面。而基于弹性力学理论的有限元分析方法是一种对结构进行离散化后再求解的方法即它计算出来的是结构离散化后结点的应力值。因此需将结点上的应力值进行处理以获得所选“校核线”上的应力分布规律及大小。根据上述原则，对所选“校核线“上的应力进行分类，得出各类应力的值，若满足强度要求则所设计容器是安全的阳1。14哈尔滨工程大学硕士学位论文由于立管法兰属于压力容器，因此本论文采用以上方法对法兰强度进行校核。26本章小结本章叙述了国内外管道法兰的标准概况以及法兰设计研究的发展情况，给出了现有几种典型的法兰设计方法，并对各种方法进行了比较，得出如下结论1目前国际上工业发达国家的法兰国家标准均可归结为两个体系，“美洲法兰体系和“欧洲法兰体系”。法兰国家标准中的法兰品种、规格、尺寸等均等效采用了国际标准，但法兰材料牌号和美国材料以及德国材料不能完全对应，因此存在法兰强度校核问题以及密封性能否保证的问题。2目前法兰设计和分析方法归纳起来主要可分为三类，即基于材料力学的分析方法、基于弹性分析的方法和基于塑性极限载荷的分析方法。比较常用的是基于弹性分析的WATERS法和基于塑性极限载荷的DIN2505方法。但现有的法兰设计方法均是在一定假设条件下，根据经验对法兰设计的一种校核计算。虽然大量的经验证明了这种假设的正确性，但是很难定量描述这些假设的合理性，及其计算结果的安全裕度，无法给出法兰在设计工况条件下的真实应力状态和应变状态且很难有效说明哪种法兰设计方法更加合理，更加经济有效。随着科学技术特别是计算机技术的高速发展，使得定量描述法兰在设计工况下的真实应力状态和应变状态，以及正确评价法兰设计假设的合理性、计算结果的安全裕度、设计方法的经济有效成为可能。哈尔滨丁程大学硕十学位论文第3章法兰系统强度计算及校核方法31法兰强度计算分析311法兰强度设计计算NU法兰的设计计算主要分三个部分垫片计算、螺栓计算、法兰计算。本文主要介绍WATERS法计算程序。3111垫片计算1预紧状态下需要的垫片最小压紧力只314BGVU31式中最一一预紧状态下需要的垫片最小压紧力，LBG垫圈反作用力处直径当BO025IN，G垫片接触面平均直径，IN当玩025IN，G垫片接触面外平均直径减去2B，INB一垫片有效接触宽度，INY一垫片或法兰接触面的单位压紧载荷，1B2操作状态下需要的垫片最小压紧力昂2BX314GMP32式中昂一一操作状态下需要的垫片最小压紧力，LBM一一垫圈系数尸一一一设计内压，PSI3112螺栓计算螺栓设计包括螺栓载荷计算、螺栓总截面积计算、螺栓设计载荷计算三部分，主要如下内容16哈尔滨T程大学硕士学位论文1螺栓载荷计算1操作情况由于流体静压力产生轴向力促使法兰连接分开，而法兰螺栓必须克服此种端面截荷，并且在垫片或接触面上维持足够的压紧力，以保证紧密。整个计算按设计温度进行。既L日砟0785G2P2B314锄尸33式中WRM。一一操作时所需的最小螺栓载荷，1BH一总流体静压轴向力，LBB一垫片有效接触宽度，ING一垫圈反作用力处直径当BO025IN，G垫片接触面平均直径，IN当60025IN，G垫片接触面外平均直径减去2B，IN日。一联接接触面总压紧载荷，LBM一垫圈系数P一设计内压，PSI2预紧螺栓情况在安装时，需将螺栓拧紧而产生的初始载荷，使法兰面压紧垫片。此种情况是在大气压力和常温下进行的。既2314BGY34式中既预紧时所需的最小螺栓载荷，LBY一垫片或法兰接触面的单位压紧载荷，LB2螺栓总截面积AM的计算1操作情况41既LIS,35式中如。一操作情况下所需螺栓螺纹根部总截面面积如，IN2矾一一操作时所需的最小螺栓载荷，LB最设计温度下的螺栓许用应力，PSI2预紧螺栓时4，2既2S,36式中以。一预紧螺栓时所需螺纹根部总截面面积，砌2既一一预紧时所需的最小螺栓载荷，LB17哈尔滨丁程大学硕士学位论文所需的螺栓总截面积4，I取4。，4，L中的较大值。实际的螺栓总截面积不得小于4。3螺栓设计载荷1操作情况W既137式中形一一法兰设计螺栓载荷，LB2预紧螺栓时W生鱼2昱2式中形一一法兰设计螺栓载荷，1B如一一所需螺栓总面积，取如。、如中较大者，IN24一螺栓的螺纹根部实际总计面积，IN23113法兰计算3S为了进行法兰计算，将法兰分为如下两种整体法兰、活套法兰，其示例图分别见图31和图32。图31整体法兰图32活套法兰法兰计算内容主要包括法兰力矩计算、法兰应力计算、强度条件校核三部分，主要内容如下1法兰力矩计算1操作情况在操作情况下法兰总力矩按下式计算MOMDMTMGHDHDHTKHGHG婚固1R哈尔滨下程大学硕学位论文式中MO一一操作时作用于法兰上的总力矩，IN一LBMD由于风引起的弯矩，INLBMT一由于HT引起的弯矩，INLBMA由于玩引起的弯矩，IN一LB风一一作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向力，078582P，LB。HD一一从螺栓圆至风作用处的径向距离，IN，由表31取肌总的流体静压轴向力与作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向力之差，HTHHAO785PG2一B21，LBHT从螺栓圆至珥作用位置处的径向距离，IN，由表31取风一一作用于法兰的垫片载荷法兰螺栓设计载荷与总的流体静压轴向力之差，HA2BX314G聊尸，1BHG一从螺栓圆至玩作用处的径向距离，IN，由表31取表31操作情况下法兰载荷力臂整体法兰R059LR蜀2CG2活套法兰CB122CG22预紧螺栓时MOWCG2式中一操作时作用于法兰上的总力矩，INLBC一一螺栓直径，IN矿一一法兰设计螺栓载荷，1B2法兰应力计算1整体法兰应力按以下法兰力矩确定A法兰颈的轴向应力QSH01器式中一法兰颈部的轴向应力，PSI310311哈尔滨T程大学硕士学位论文Q一法兰颈部的轴向应力，PSIGMM法兰根部厚度，INB一一法兰内径，IN厂一一一系数三一一系数B法兰盘的切向应力ST0“2等一ZS尺312式中研一法兰中的切向应力，PSICR2一一法兰中的切向应力，PSIB一法兰内径，IN操作时作用于法兰上的总力矩，IN一1BT一法兰厚度，IN】，一与K有关的系数Z一一一与K有关的系数一一法兰中的径向应力，PSIC法兰盘的径向应力吒SR一O3警313式中一一法兰中的径向应力，PSIQ一一法兰中的径向应力，PSIMO一一操作时作用于法兰上的总力矩B一法兰内径，IN三系数E一一系数整体法兰，二1活套法兰，粤2活套法兰应力按以下法兰力矩确定A法兰颈的轴向应力O，品O,0314哈尔滨工程大学硕十学位论文B法兰盘的切向应力仃溅茄吒2等品吒03153163法兰的许用应力A轴向应力矾。因为轴向应力是沿截面不均匀的弹性弯曲应力，而且沿轴向迅速衰减，因此按照极限设计的观点，局部点的屈服，并不影响法兰承载，所以循序下列要求如图31所示的整体法兰0115P】F，与25O中的较小值如图32所示的带径活套法兰0“I15P】FRB径向应力，02仃】F，317C环向应力0，巳盯】R，318D法兰组合应力当颈部法兰盘两个应力平均值其中之一有小量屈服时，颈部与法兰盘所承受的力矩将重新发生分配，较弱部分不能承受部分将转移给较强的部分。为了不使法兰产生过大的变形而发生泄漏，宁愿颈部屈服而不致法兰盘屈服。因此，法兰盘就必须有足够的刚度，使其能吸收颈部转移给法兰的力矩。因此，当轴向力控制在1510“I时，径向或环向应力不允许超过O5【盯F，N2。，所以两个应力平均值的检验条件如下即生堕HF，2JJL譬仃哆2叫3193204外压法兰1操作情况在操作情况下法兰总力矩按下式计算HG易一32121哈尔滨工程大学硕士学位论文式中078582乞H，HHN工，H0785G2法兰在操作过程中，若分别承受内压和外压的作用，则法兰应按两种压力单独进行设计且同时满足要求。5法兰强度条件。AP】，O10667B盯】F，O21COL多OR31DP】，OL吧05ERO；盯L0“305312设计校核法兰强度根据以上公式对立管法兰进行强度校核。法兰设计所需参数如表32表32立管法兰参数IN不锈钢八角法兰螺栓垫片外内法法大小垫反作螺址址端端片用力直螺栓径径处圆径栓厚局厚厚宽数孔直径径ABTH岛GONGDND431954593212132275375642各参数如图33所示哈尔滨T程大学硕士学位论文图33法兰剖视图1设计条件依据法兰校核要求，将法兰所需设计条件列入表3。3中，如下表33法兰设计条件设计压力许用应力设腐蚀程材料PSLPSL；I府内压外压法螺法兰螺栓常无腐蚀4500218479413043408OE0413E05泪TLLRT2载荷和螺栓计算表34螺栓载荷及螺栓计算所需最小载荷所需最小截面积设计所需载荷螺栓LBIN2LB预紧螺栓时302E05193556E06操作情况下251E06232251E063法兰力矩计算哈尔滨工程大学硕士学位论文1承受内压时A操作情况下由上述公式计算，得法兰在内压作用下承受的载荷及载荷距中心轴的距离如表35。继而可得在内压作用下的法兰须承受的承受的力矩如表36。表35法兰承受载荷及其力臂载荷力臂LBLN风HTHHDHTHG13E0668E0549E05585765表36法兰力矩IN一1BMDMOMTMO77E0639E0632E0611E07B预紧情况下表37预紧时法兰力矩HGHGMOS1NINLB56E065732E074承受外压时表38法兰力矩载荷力臂总弯矩1BLNLBINHDHEHHDHTHGMO65E0524E0589E0558655721E055法兰应力计算及强度校核哈尔滨工程大学硕士学位论文表39法兰应力PSI轴向径向切向SHST2SHSR2应力14E0418E0472E0443E0416E04许用值L2E058OE048OE048OE048OE04校核结果合格合格合格合格合格32螺栓强度校核根据公式322将外载荷即法兰承受的张紧力和弯矩等效转化到管中心处乙等322式中乙一等效张紧力，LB一一张紧力，LB，见表43M谢一弯矩，FTLB，见表43兄曲管中心处半径，DOPIPEDIPI彤，IN则螺栓拉应力为廿由始一OBOLT_MEM是伊23，式中吒咖。绷拉应力，PSI船4。船一一螺栓断截面面积，2疗。如，以，；，扬2根据以上公式计算得等效张力下螺栓的拉应力如表310表310螺栓拉应力载荷等效张力应力张紧力弯矩KIPSFTKIPSKIPSKSI77953L202E03305789973307E0346212501513479E03723哈尔滨工程大学硕士学何论文由以上结果可知，螺栓拉应力符合规范要求。33法兰密封及垫片选型NS，立管法兰密封问题不仅涉及到节能和环境污染问题，更重要的是关系到立管系统的长周期安全运转。在现场为了解决泄漏问题有时采用提高法兰等级的做法，或者采用钢垫圈密封，甚至有的干脆将法兰连接处焊死。为了比较合理地解决法兰密封泄漏问题，应重视法兰密封和垫片的选型。法兰的密封是通过法兰垫片实现的，垫片靠外力压紧后，产生弹性变形与塑性变形，填满密封面上微小的凹凸不平间隙，使介质通过密封面的阻力大于密封两侧的压差以密封法兰。密封泄漏主要是密封面间泄漏，由垫片毛细管作用发生渗漏的可能性很小。但当受NI界条件影响时，密封受到破坏，从而产生泄漏。影响法兰密封的因素主要有操作条件，垫片系数M和预紧比压Y，螺栓预紧力，垫片性能，法兰刚度和密封面等。如下将对影响法兰密封的各因素分别介绍1操作条件的影响单纯的压力或介质因素对法兰泄漏的影响并不是主要的，只有和温度同时作用时，问题才显得严重。高温下法兰密封可能会发生如下情况幻由于介质粘度小，渗透性强，易造成渗漏。有些介质还有可能会溶解及腐蚀法兰垫片。在有腐蚀的条件下，选用对法兰材料呈阳性的垫片材料。B法兰、螺栓和垫片可能发生蠕变和应力松弛，降低密封比压。C一些非金属垫片可能会加速老化或变质，回弹量下降。D由于密封组合件各部位的温度不同，热膨胀不均匀。若温度反复变化时，密封失效的可能性更大。但生产过程决定了操作条件，因此，只能从密封结构及垫片选材来解决问题，设计选用的垫片要有足够的回弹力。2垫片系数M和预紧比压Y的影响法兰密封设计中，垫片系数M和预紧比压Y是两个重要参数，计算时，M与Y从标准规范中选定例如ASME标准。M和Y不仅取决于垫片的形状和材料，而且与垫片的宽度、预紧力、介质性能、法兰密封面宽度及粗糙度等哈尔滨工程大学硕士学位论文因素有关。例如对易泄漏的介质，在阻力较小时，需增大M。对于同种材料的垫片，在不同的介质、垫片宽度、预紧力的情况下，采用同样的值是不合适的。在实际使用中，增加了Y值使法兰升级解决泄漏问题。3垫片性能的影响形成密封的必要条件是适宜的垫片变形和回弹力，垫片的变形包括弹性变形和塑性变形。而垫片材料是影响垫片性能的主要因素，若材料具有良好的弹性和柔软性，就能不因高温而软化或塑流，也不因低温而硬化，很好地与密封面吻合，自然其密封效果好。4螺栓预紧力的影响增加螺栓预紧力，可以提高垫片的密封能力，但过大的螺栓预紧力，会使垫片失去弹性，甚至把垫片压坏或挤出，不能保证其在工作状态下有足够的弹性。且在实际安装中，拧紧螺栓顺序不当，也可造成垫片弯曲或缠绕片解体。但当密封所需要预紧力一定时，减小螺栓直径、增加螺栓个数的方法对法兰密封有利。5法兰刚度的影响法兰因刚度不足而产生过大的翘曲变形，是导致密封失效的原因之一。因为刚度大的法兰变形小，螺栓预紧力可以均匀地传递给垫片，提高法兰密封性能。法兰刚度与很多因素有关，增加法兰厚度、减小螺栓中心圆直径等都能提高法兰抗弯刚度及抗变形能力。本文研究的法兰使用金属垫片，因此以下详细介绍一下对钢垫圈垫片钢垫圈垫片按截面形状可分为椭圆形和八角形两种，有较好的填充初坑能力，回弹量大，不存在老化变质问题。由于接触面窄，对螺栓的预紧力要求不高。该垫片适用于高压、高温的油气、油等介质。但此类垫片加工精度要求高，制造困难。垫片用金属材料的抗氢和耐蚀性能，应等于或优于密封面材料的性能。设计温度比较高时，应采用稳定型不锈钢；设计温度不太高时，可采用非稳定型不锈钢。在高温下使用时，尤其在大尺寸条件下，由于存在膨胀系数的差异，也可能引起泄漏，因此选择钢垫圈材料时应仔细考虑。由于影响法兰密封的因素较多，因此选用垫片时，必须对各种垫片的密封性能、操作条件以及密封面的型式、结构的繁简、装卸的难易、经济性等因素进行全面分析。其中操作条件压力、温度、介质是影响密封的主要因哈尔滨工程大学硕士学位论文素，也是选用垫片的主要依据。总之，解决法兰密封泄漏是一个比较复杂的问题。因此要根据实际操作条件合理选用垫片，合理的解决法兰密封泄漏问题。34螺栓预紧力1预紧力的计算螺栓连接的法兰接头是一种应用极为广泛的结构，它属于强制密封，依靠联接件通过被联接件强制挤压密封元件使之密封。这种连接方式结构简单，上紧螺母后，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫圈上，当垫圈单位面积上所受的压紧力达到某一值时，垫圈本身被压实，压紧面上由机械加工形成的微隙被填满，为阻止介质泄露形成了初始密封条件。这个能压紧垫片，保证在操作中接头不泄露的力称为预紧力。N41它是影响密封的一个重要因素，增加螺栓预紧力，可以提高垫片的密封能力，但过大的螺栓预紧力，会使垫片失去弹性，甚至把垫片压坏或挤出，不能保证其在工作状态下有足够的弹性。机械工程手册中指出为了充分发挥螺栓的工作能力和保证预紧的可靠，通常应使拧紧后的预紧应力满足式324N引盯KO,即预紧力FKO，4，324325式中厂一预紧力，LBK螺栓预紧力系数，取值05“07仃。一螺栓材料的屈服极限彳。一螺栓危险剖面的面积由螺栓小径计算在法兰系统中，计算螺栓预紧力需要考虑垫片及内压等。要找出正确的预紧力计算方法，需综合考虑法兰连接点的螺栓、垫片材料，连接状态、操作状态等各种因素的影响，这是一种比较科学的方法。研究发现预紧力F即不是在操作状态下螺栓载荷，也不是螺栓载荷屈服极限或使用应力。而是一种考虑了内压作用和垫片在升压过程中松弛的综合结果。N钔预紧力可用公式326计算哈尔滨工程大学硕士学位论文F胛日。326式中心一内压引起的垫片松弛所减少的压紧力，LB日。一联接接触面总压紧载荷，1B操作时，