大直径盲孔法兰连接在螺栓载荷和内压作用下的应力和变形分析.docx
大直径盲孔法兰连接在螺栓载荷和内压作用下的外文文献翻译、中英文翻译
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外文题目 Stress and Deformation Analyses of Large Diameter Blind Flange Connections Subjected to Bolt Loads and Internal Pressure 译文题目 在螺栓载荷和内压作用下大直径盲孔法兰连接的 应力和变形分析 外文出处 ASME 2011 Pressure Vessels and Piping Conference 大直径盲孔法兰连接在螺栓载荷和内压作用下的应力和变形分析作者：Takashi KOBAYASHI沼津国立技术学院，Kengou NISHIURA三菱化学株式会社Masahiro KOGASAKA 沼津沼津国立技术学院 ，Uchiyama KAZUAKI 日本日亚化工摘要管道系统中大直径垫片法兰连接引起的泄漏问题，与较大的法兰轴向力和较低的凸缘刚度造成的法兰变形密切相关。因此，有必要了解法兰连接在加压收紧时的变形特性。在这项研究中，使用16英寸垫片法兰连接进行实验，以检测法兰中的应力和应变。为了阐明密封法兰连接的变形特性，运用Timoshenko经典理论，分析密封法兰连接的应力和变形的方法。近来，有限元分析（FEA）已被广泛使用于法兰连接的分析中。然而，当需要法兰连接的参数计算时，基于材料强度的分析方法仍然很重要。本文对实验结果和分析结果进行了比较和讨论，以阐明大直径垫片法兰连接的密封性能。1. 介绍密封法兰连接已广泛用于炼油厂，发电厂，化工厂和其他工业厂房。在密封法兰连接的设计，组装，使用和维护中其密封性能都应被考虑。 此外，由于近来环境问题的日益恶化，密封法兰连接的泄露已成为重要问题。尽管大直径垫片法兰连接和小直径垫片法兰连接一样被广泛的使用。但是，大直径垫片法兰连接的密封性能尚未完全了解。 因此，必须明确垫片法兰连接件的变形特性对密封性能的影响。日本制定了密封垫圈的密封性能试验方法JIS B 24901。该方法主要用于小直径垫圈的密封性能。根据JIS B 2490测试小直径垫片法兰连接件的密封性能2。在大直径垫片法兰连接的情况下，法兰转角等变形特性使得这个问题更为复杂。在本文中，使用应变仪测量两种PTFE垫圈大直径垫片法兰连接处的应变分布。研究发现当使用刚性垫片时，大直径垫片（密封）法兰连接处的应变较低。 使用Timoshenko的经典理论计算大直径垫片法兰连接的应力和变形。通过分析验证了实验结果。2. 实验使用压板的垫片测试（JIS B 2490）首先，根据JIS B 2490垫片测试方法，测试垫片的特性。在该测试中，垫片在上下压板之间被压缩。测试垫片的尺寸是10K 50A（JIS B 2404）。压力温度额定值和公称直径大致对应于ASME B16.5 Class150 NPS2。压板的凸面外径为96mm，压板表面粗糙度为1.63.2mRa。 实验中使用了两种垫片，PTFE填充物（垫片A）和膨胀PTFE（垫片B）， 垫片的厚度是3.0mm。图1 试验装置（a） 垫片A（b）垫片B图2. 垫圈的应力应变曲线（a） 垫片A（b） 垫片B图3. 密封性能与垫圈应力的函数关系3. 测量盲孔法兰连接的应变分布为了测量密封法兰连接的应变分布，本实验选择了压力温度为额定值和公称直径为10K 400A（JIS B 2404）的大直径衬垫法兰连接（材料：SS400）。压力温度额定值和公称直径大致对应于ASME B16.5 章150 NPS16。 图1显示了大直径垫片法兰连接（JIS 10K 400A）的实验装置。使用十六个螺栓（材料：SS400，尺寸：M24）来拧紧法兰。在十六个螺栓中的，应变计安装在其中八个螺栓的中心以测量螺栓载荷。使用扭矩扳手控制螺栓载荷。法兰连接的螺栓，螺母和接触表面使用钼润滑剂。螺栓系数通过实验确定为0.091。4. 实验结果和结论垫片特性（JIS B 2490）图2展示了通过JIS B 2490垫圈试验方法获得的垫圈A和B的应力变形曲线。在垫圈A中，S8点的挠度比垫片B的挠度小。当垫圈从S8到S9，垫片A的弹性恢复很小。因此可以看出垫片A比垫片B硬度大。图3显示了垫圈A和B的密封性能。从密封性能的观点来看，垫圈A的密封性能大约是垫圈B的 10倍，即垫圈A的泄漏率比垫圈B小。垫圈性能的差异源于材料的特性。垫片B的材料是具有多孔结构的膨体聚四氟乙烯。由于垫片是多孔结构，所以垫片的形变较大，泄漏率较高。5. 法兰应变如图4所示，垫圈A在初始紧固时的法兰连接中的应变分布。图4（a）和（b）分别是径向应变和周向应变。随着拧紧扭矩的增加，应变增加。但是，应该指出的是，应变分布几乎是均匀的。如图4所示，垫圈A在加压时的应变分布。 初始紧固扭矩为100 Nm，内部压力逐渐增加到1.5 MPa。 图5（a）和（b）分别是径向应变和圆周应变。 随着内部压力的增加，密封法兰连接中心附近的应变也随之增加。 这是因为法兰因受内压的作用而弯曲。 在垫片B中，由于趋势与垫片A的趋势几乎相同，所以结果未显示。6. 法兰应力基于图4和图5所示的测量应变，应力r和使用以下公式计算： r=E1-V2(r+v) （1） =E1-V2(+vr) （2）此外，冯米塞斯应力可以使用以下公式计算： eq=r2+2-r （3）图6显示了密封法兰连接中心附近的von Mises应力（r=25mm）。即垫片A和垫片B在初始紧固状态和加压状态（内部压力1.0MPa）下的应力变化。 值得注意的是，垫圈B的冯米塞斯应力比垫圈A的应力高。这与图2所示垫片的变形特性和法兰的变形特性有关。带垫片的法兰连接由于螺栓载荷和内部压力引而变形。由于垫圈A与垫圈B相比硬度大，当法兰连接变形时，垫圈的外缘应力变高。因此，导致杠杆臂的长度变短，所以垫圈B的应力变小。(a) 径向应变（b）圆周应变图4初始紧固时的应变分布（密封垫A的情况）(a) 径向应变（b）圆周应变图5 加压时的应变分布（垫圈A的情况下，拧紧扭矩100Nm）图6 密封法兰连接中心附近的米塞斯应力比较7. 法兰变形分析为了阐明衬垫法兰连接件的变形特性，使用Timoshenko的经典理论进行了分析。图7显示了用于分析法兰连接的模型。名称如下：a：垫圈的内半径b：垫片宽度中心的半径c：螺栓节圆的半径d：盲法兰的半径t：法兰厚度法兰分为四个部分：第一部分，第二部分，第三部分和第四部分。每个部分都可以通过板的弯曲理论进行分析3。第一部分，第二部分，第三部分和第四部分在点A，B和C处相互连接。为了简便，本研究仅对法兰进行建模，假设法兰固定在垫圈宽度的中心（r =b），并且螺栓负载均匀施加在螺栓节距圆上。表1总结了边界条件。分析方法基于作者的方法4。图8显示了垫片法兰连接的挠度曲线。拧紧扭矩（预紧力）为100 Nm。 然后，施加1MPa的内力。带垫片的法兰由于螺栓载荷而产生弯曲，并且内力增加了垫片法兰的挠度。 由于这种变形，使得径向上的垫圈受压不均匀。因此，垫片法兰连接件的变形特性影响垫片法兰连接件的密封性能。虽然本研究未考虑垫片的变形特征，但我们需要在未来的研究中考虑这些特征。在图9中，将垫片法兰连接的应变分析结果与垫片B的实验结果进行了比较。分析结果与实验结果非常吻合。在未来的研究中，我们将使用本文所示的分析方法，研究密封法兰连接的变形特性对密封性能的影响。表格1 考虑边界条件连接点离中心的距离边界条件偏转梯度力矩（径向）Ar = aw=wdwdr=dwdrM=MBr = bw=w=0dwdr=dwdrM=MCr = cw=wdwdr=dwdrM=MDr = d-M=0图7盲板法兰分析模型图8偏转曲线的分析结果（预紧力矩100Nm，内压1MPa）(a) 径向应变(b) 圆周应变图9 加压时的应变分布（垫片B）8. 结论本研究讨论了垫片法兰连接件的变形特性，获得的结果如下：（1）研究表明，垫片法兰连接的应力和应变受垫片变形特性的影响。当使用硬度大的垫圈时，密封法兰连接的应力变低。（2）展示了垫片法兰连接的简化分析方法。有关应变分布的分析结果与实验结果非常吻合。9. 参考文献1 JIS B 2490 2008,”Test method for sealing behavior of gaskets for pipe flanges” ,(in Japanese), Japanese Industrial Standers2 T. Kobayashi, M. Kiichi, K. Nishiura, H. Shibata, 2010,”Method to Estimate the Bolt Loads to Satisfy Tightness Criteria for Gasketed Bolted Flanged Connection”,ASME PVP-25614.3 S. Timoshenko, Strength of Materials Part II: Advanced theory and problems,T
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