（化工过程机械专业论文）高压试验罐快开装置的强度分析与计算.pdf

独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。 尽我所知， 除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 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。 学位论文作者签名： 20 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、 使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 20 年 月 日 20 年 月 日 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering analysis and calculation of the strength of high-pressure test tank quick opening device major : chemical process machinery candidate : chengcheng supervisor : professor hu jia-shun wuhan, hubei 430074, p. r. china may, 2012 摘 要 i 摘摘 要要 在化工生产中，许多压力容器由于实际工况的要求，需要频繁的 开闭门盖。为了解决这一问题，各种快开装置取得了广泛应用与发展 的机会，其中卡箍快开结构以其结构简单，装拆方便得到了广泛的应 用。目前，小直径两瓣卡箍式快开装置已有详细的设计规则，但是对 于大直径三瓣卡箍式快开装置在高压容器中的研究与应用，国内还没 有先例，也没有相关的详细准则，本文针对这一问题，依据工程实际， 做出以下研究工作： （1） 对比分析三瓣大直径卡箍快开装置的应用优势， 并参照两瓣 卡箍快开装置的强度分析与计算，对三瓣卡箍快开装置（卡箍，螺栓， 法兰，c 形环）进行强度分析，并推导出三瓣卡箍快开装置的相关设 计公式， 以及在此基础上对多瓣卡箍快开装的设计计算规则进行探索。 （2）在 hg20582-2011 中 13卡箍连接件的设计规则 （主要针 对两瓣小直径卡箍）基础上，结合三瓣卡箍快开装置强度分析推导公 式，对高压试验罐卡箍快开装置进行设计计算和强度校核。 （3）基于 ansys 软件，对三瓣卡箍快开装置进行有限元分析，建 立有限元模型，求解得出相关应力云图，通过比较验证推导公式的正 确性。 （4） 利用电阻应变测试技术， 测出卡箍快开装置相关部位的应力 应变情况，并综合分析，得出结论。 关键词关键词：三瓣卡箍，公式推导，有限元分析，电阻应变测试 武汉工程大学硕士学位论文 ii abstract iii abstract in the production of the chemical industry，many pressure vessels be dued to the requirements of the actual working conditions, and the need for frequent open-closed-door cover. to solve this problem, a wide application and development opportunities be got with a variety of quick opening device, which clamp quick closure of its simple structure, easy assembly and disassembly be widely used. at present, design rules be got with the two clamp of small-diameter quick opening device. but the detailed guidelines for the research and application of large-diameter three clamp quick opening device not be found in the high-pressure container. to solve this problem, based on engineering practice, the following work be made: firstly, the application advantages of three large-diameter clamp quick opening device be analyzed comparatively ,and the two clamp quick opening device strength analysis and calculation be referenced to analyze the intensity of the three clamp quick opening device (clamps, bolts, flanges, c-ring) , and the three clamp quick opening device design formulas be deduced, and the more clamp quick opening equipment design and calculation rules be explored on this basis. secondly, on the basis of the clamp quick opening device design rules in chapter 13 of the hg20582 and three clamp quick opening device 武汉工程大学硕士学位论文 iv strength analysis to derive formulas, design calculations and strength check of be carried out. thirdly, based on software of ansys, finite element analysis of three clamp quick opening device be carried out, including constructing finite element model, solving draw relevant stress cloud, the correctness of the derivation formula be tested by comparison. lastly, to measure the clamp quick opening device-related parts of the stress and strain be used resistance strain testing techniques, and to get conclusion be analyzed comprehensively. keywords: divided into three of the clamp, formula derivation, finite element analysis, resistance strain test. 目 录 v 目目 录录 摘摘 要要 . i abstract . iii 目目 录录 . v 第第 1 章章 绪论绪论 . 1 1.1 课题工程背景 . 1 1.2 课题研究的主要内容及意义 . 1 1.3 文献综述 . 3 1.3.1 快开装置的应用及其概述 . 3 1.3.2 卡箍快开装置的研究现状和发展趋势 . 4 1.3.3 卡箍快开装置的应用分析 . 5 1.3.4 有限元法简介 . 6 1.3.5 有限元软件 . 7 1.3.6 电阻应变测试技术简介 . 7 第第 2 章章 三瓣卡箍快开装置的应力强度分析三瓣卡箍快开装置的应力强度分析 . 9 2.1 卡箍快开结构的自锁 . 9 2.2 卡箍强度分析 . 10 2.3 联接螺栓的受力分析与计算 . 12 2.4 法兰强度分析 . 15 2.5 c 形环强度分析 . 17 2.5.1 概述 . 17 2.5.2 c 形环强度分析 . 19 2.5.3 卡箍密封力的计算 . 19 2.6 本章小结 . 20 第第 3 章章 卡箍连接设计计算卡箍连接设计计算 . 21 3.1 高压试验罐概述 . 21 3.2 螺栓载荷 . 23 3.2.1 操作工况下最小螺栓载荷 . 23 3.2.2 预紧工况下螺栓载荷 . 23 3.2.3 预载工况下螺栓载荷 . 24 武汉工程大学硕士学位论文 vi 3.2.4 所需螺栓截面积 . 24 3.2.5 卡箍连接螺栓计算载荷 . 25 3.3 法兰力矩 . 25 3.3.1 操作工况下法兰力矩 . 25 3.3.2 预紧工况下法兰力矩 . 27 3.4 法兰应力校核 . 27 3.5 卡箍应力校核 . 30 3.6 卡箍与法兰的接触应力 . 33 第第 4 章章 高压试验罐快开装置的高压试验罐快开装置的 ansys 分析分析 . 35 4.1 有限元模型的计算条件 . 35 4.2 有限元模型的建立 . 35 4.2.1 卡箍有限元模型 . 35 4.2.2 法兰有限元模型 . 36 4.3 ansys 应力分析计算结果 . 36 4.3.1 卡箍 ansys 分析计算 . 36 4.3.2 法兰 ansys 分析计算 . 38 4.4 对比分析与小结 . 41 第第 5 章章 电阻应力应变测试实验电阻应力应变测试实验 . 43 5.1 实验原理 . 43 5.2 实验目的 . 44 5.3 实验概述 . 44 5.4 实验设备 . 45 5.5 实验步骤 . 46 5.6 实验数据及对比分析 . 46 5.7 实验小结： . 49 第第 6 章章 总结与展望总结与展望 . 51 6.1 全文总结 . 51 6.2 展望 . 51 参考文献参考文献 . 53 攻读硕士期间发表的学术论文攻读硕士期间发表的学术论文 . 57 目 录 vii 致谢致谢. 59 武汉工程大学硕士学位论文 viii 第 1 章 绪论 1 第第1章章 绪论绪论 1.1 课题工程背景 目前，在石油、化工、核能、轻工等行业的高压容器中，我们常 见的顶盖密封结构主要有：传统主螺栓或大螺纹套筒连接，法兰螺栓 联接等 1。这些密封结构因其简单的设计，标准化的生产，简便的制 造得到广泛的应用。但是，传统的法兰螺栓联接，往往螺栓比较多， 造成劳动强度大，而且各螺栓力稍不均匀就难以达到密封效果，更为 重要的是，频繁的开启会造成疲劳磨损严重，使用起来很不安全2。 在实际化工生产中，许多压力容器又需要频繁的开闭门盖，这就需要 一种新型的联接方式，即为快开装置联接。 快开门式压力容器是指进出容器的通道的端盖或封头和主体之间 带有互相嵌套的快速密封锁紧装置的容器3。快开装置即为快开门式 压力容器的联接装置，它主要由端盖或封头，筒体，卡箍，密封垫圈 组成。跟传统的法兰螺栓连接比较，由于不需逐一拧紧或松开大量紧 固螺栓，因此能够实现压力容器的快速启闭和物料的快速装卸4 5。 快开装置的形式多种多样，按其基本原理大致可以分为卡箍式， 齿啮式，压紧式，剖分式和移动式五大类6 7。 本课题是基于为某研究所设计的高压试验罐快开装置的工程实 例，对卡箍式快开装置的强度分析等问题展开的研究。卡箍式快开装 置是通过卡箍的松开和箍紧来实现端盖的迅速关闭和开启。卡箍式快 开装置中两瓣式小直径卡箍快开装置已有明确的设计规则，并有广泛 的应用，但是对于三瓣式大直径卡箍快开装置在高压容器中的研究与 应用还不是很全面，而本课题基于的实例正是高压试验罐的大直径三 瓣卡箍快开装置。 1.2 课题研究的主要内容及意义 本课题是基于工程实际中大直径高压试验罐需要频繁的开启的要 求，而对大直径三瓣卡箍快开装置的设计和应力分析的若干问题进行 的展开研究，是依据 hg20582-2011 中 138进行的对比分析，是通过 武汉工程大学硕士学位论文 2 对三瓣式卡箍快开装置进行应力强度分析，推导出大直径三瓣卡箍快 开装置的设计计算公式，并基于 ansys 软件进行有限元模拟计算和电 阻应力应变测试实验进行验证。 通过以上内容的研究，试图得出大直径三瓣卡箍以及多瓣卡箍快 开装置的设计计算规律， 进而补充量化 hg20582-2011 中 13 的卡箍设 计计算规则。同时，为高压试验罐卡箍快开装置的结构设计提供了理 论支持，也能更明确更合理的指导卡箍快开装置的生产、使用、管理， 并对其它工程实际具有一定的参考意义。 文章主要内容安排如下： 第一章，简介了本课题的研究背景，发展现状和研究意义，确立 了三瓣大直径卡箍快开装置的强度分析为本学位论文的主要内容，简 介了同类型两瓣卡箍等快开装置的现状，对比阐述了三瓣大直径卡箍 的结构优势和应用前景，为以后的工程实际提供了参考，并在此基础 上确定和介绍本学位论文的总体框架和主要内容。 第二章，确立三瓣大直径卡箍快开装置结构设计的主要难点，并 在此基础上进行力学分析，建立力学模型，推导出相关结构设计的计 算公式。 第三章，依据 hg20582-2011 中 13，并结合推导公式，完成高压 试验罐三瓣大直径卡箍快开装置的结构设计和应力强度校核。 第四章，确立三瓣大直径卡箍快开装置的有限元分析模型，包括 卡箍部分有限元模型，筒体法兰有限元模型，并基于 ansys 软件进行 有限元分析计算，通过与第二章的强度校核数据进行对比分析，从理 论角度验证三瓣大直径卡箍强度校核的正确性，进而验证结构设计的 准确性。 第五章，利用电阻应力应变测试技术进行实验测定，包括掌握实 验原理，确立应变片位置分布，实验装置的安装，数据的记录，总体 的分析对比，得出结论。 第六章，全文总结与展望 第 1 章 绪论 3 1.3 文献综述 1.3.1 快开装置的应用及其概述快开装置的应用及其概述 快开装置广泛的应用于化工，轻工，制药，建材，食品，纺织， 航天，造纸，汽车等行业中。如医院的消毒锅，建材工业中的蒸压釜， 化工行业中的硫化罐，纺织行业的染色机等9 10 11 1213。大多数在 用的快开门式压力容器属于中、低压容器，工作压力一般在 0.86.4mpa 之间，工作温度低于 200。但是，尚无相应的标准可循， 国内外也对此展开了大量研究。 这类装置：结构简单、装拆方便，给生产和维护带来不少好处。 快开结构的形式虽然多种多样，但是依据其基本原理，可以划分为五 大类，即卡箍式结构、齿啮式结构、压紧式结构、剖分环式结构和移 动式结构14151617。 (1)卡箍式快开装置。 卡箍式快开装置连接是美国格鲁公司于 1952 年发明的，主要是用作油井的配管接头，它的自紧式垫片具有良好的 密封性能。它主要有筒体、门盖、卡箍、密封圈等组成，是通过卡箍 的松开和箍紧来实现容器的端盖的快速开启和关闭的18。 目前广泛应 用于洁净管道，石油化工管道，医药容器等中、低压力容器中。 在国内工程实际中，郑敏等人研制了新型不锈钢导管连接卡箍， 主要用于空调、飞机管路；郑敏等人还研制了新型带垫式卡箍，该卡 箍已作为国外飞机的一种标准件，被广泛应用；邵雅梅等人曾用有限 元的方法分析采油井口非标准件卡箍，为非标准石油井口装置的连接 零件的设计提供了参考依据和改进意见13。 (2)齿啮式快开装置。齿啮式快开装置主要有上、下法兰和卡箍组 成，有的下法兰和卡箍焊接在一起，称为整体啮合式。其基本工作原 理为：在上法兰和卡箍圆周方向加工出均布的齿，通过将端盖法兰旋 转某一个角度实现上法兰齿和卡箍齿间的啮合与错开，以达到快速开 关的目的19。齿啮式快开容器的适用范围广，结构型式多。在中、低 压快开容器中，以蒸压釜和硫化罐中应用比较常见。在高压容器中， 主要应用于圆筒直径较小的高压容器中，如食品超高压杀菌装置、超 高压二氧化碳萃取釜等5。 武汉工程大学硕士学位论文 4 （3） 压紧式快开装置。 压紧式快开装置由活节螺栓、 旋柄、 首轮、 凸轮等组成，主要依靠旋紧和松开活节螺栓来实现门盖的快速开启和 关闭。一般用于低压或真空容器或者密封性能要求较低的工况，安全 性能也较低2021。 目前比较广泛的应用于消毒锅， 飞船上的太空门也 采用了相似结构。 （4）剖分环式快开装置。剖分环式快开装置主要由筒体法兰、剖 分环，门盖和开闭结构组成。主要通过转动开门手杆，使得剖分环锁 紧至门盖内部，已达到门盖和筒体的快速分离2021,如天然气过滤器 的 lkt 快开盲板装置。 （5） 移动式快开装置。 移动式快开结构主要由筒体、 封头、 卡箍、 法兰和开门气缸组成。在压力容器泄压后，封头在汽缸拉杆的作用下 以平移的方式迅速打开，以实现门盖的迅速开启。主要应用在压力较 低，密封要求不高的橡胶制品的生产设备中202122。 关于快开装置的设计方法，国内尚没有一套完整的设计规则。在 快开端盖式压力容器安全管理规定中规定了快开装置的开启的安 全注意事项，但没有规定具体的设计方法和准则。目前快开装置的设 计计算，大多是参照国内外类似的计算规定，如日本的工业标准 jisb8284-1993压力容器快速开关装置和我国的 gb150-1998钢 制压力容器中的“卡箍紧固结构”计算方法以及 hg20582-2011 中 13卡箍连接件设计规则等，而且大多数快开装置都应用在中、低 压容器上，没有相应的设计标准来供选用24 2526。 1.3.2 卡箍快开装置的研究现状和发展趋势卡箍快开装置的研究现状和发展趋势 目前在实际设计中，两瓣卡箍快开装置的设计已趋于成熟，在 hg20582- 13 和 asme23中有两瓣卡箍连接件的详细设计计算规则。 但是，由于其自身结构的原因，如果设计成大直径的时候，将显得结 构笨重，而失去了快开的优点，同时在高压容器中，紧固件承担的应 力强度也较大，不利于装置的安全性。所以目前，两瓣卡箍快开装置 主要是应用在中、低压的压力容器中，如洁净管道，制药设备，石油 化工管道等。大直径卡箍式连接多应用于压力较小的管道或容器中， 其中一些从安全性和使用经验等因素上考虑仍旧采用的是两瓣式卡箍 第 1 章 绪论 5 结构，湛波27等人在齿啮式卡箍锁紧结构快开压力容器的设计与研 制一文中利用有限元分析方法对大直径低压容器的卡箍结构进行了 研究，刘刚28等人对大直径卡箍的刚度进行了较为详细的分析。通过 查阅大量文献发现，对于大直径三瓣卡箍在高压容器上的应用和其优 劣性，以及三瓣卡箍连接乃至多瓣卡箍连接的强度计算说明和相关公 式推导等方面的研究还比较少。究其原因，主要包括两方面：一方面 是因为应用在大直径高压容器上，使用经验有限，也没有相应的标准 依据，安全性需要深入研究；另一方面，应用在小直径容器或管道上， 三瓣式结构比两瓣式更显复杂，不利于实现快开功能。 随着有限元计算方法的发展，可以根据 jb-4732 对快开装置采用 有限元法进行各类应力强度校核，也可以对快开装置的非标零件进行 优化分析设计，使得各种类型的快开装置的设计和应用将会越来越广 泛2930。但是，我们仍然不能忽略的是：在大直径、高压容器中三瓣 式卡箍快开装置的应用和研究还是比较少的。 本课题也是基于这一背景，创新性的将三瓣大直径卡箍紧固结构 应用于高压容器中，并结合具体实例高压试验罐卡箍快开装置，将三 瓣大直径卡箍快开装置的研究展开，以期使其结构相对轻便，易于拆 卸，安全性相对较高等优点能很好的服务于工程实际。 1.3.3 卡箍快开装置的应用分析卡箍快开装置的应用分析 卡箍以装拆方便，结构简单，连接可靠等优点在国外众多领域已 得到广泛的应用，但是由于种种原因，与传统的法兰连接相比，卡箍 连接结构在国内设备设计中中应用的较少，究其原因，主要有以下几 点31： (1)在设计上，法兰连接已经标准化，其设计有相关的准则依据， 无需强度计算，而且结构尺寸已序列化，可以直接选用。而卡箍连接 结构尺寸需要自己设计，强度也需要重新计算。 (2)在经济上，卡箍连接需要自行设计，制造，成本相对昂贵，而 法兰连接标准化，适合大批量生产，可以直接在市场上购买，大大降 低了制造成本。 (3)在制造上，法兰结构简单，制造精度要求低，而卡箍形状相对 武汉工程大学硕士学位论文 6 复杂，对卡箍与法兰的面接触部位加工精度要求较高，所以制造要相 对复杂。 (4)在应用上，卡箍在国内应用较少，没有使用经验，一般不大容 易被接受，而法兰的使用和维护经验相对丰富。 (5)在周期上，卡箍需要自行设计，制造，比已经商品化的法兰要 长的多。 虽然，法兰连接有很多优点，但是其连接件多，特别是快开结构 连接件更多的固有缺陷，使得拆卸方便，结构紧凑，连接件少的卡箍 连接更加具有发展前景。 两瓣卡箍快开装置已广泛的应用于小直径中、 低压设备中，并已有相关的详细而明确的规定，但是将其应用在大直 径高压容器上，一方面，会使单瓣卡箍的结构变得笨重，不易于装卸， 不能起到快开的作用，另一方面，会使螺栓紧固件承载变大，不利于 卡箍快开装置的安全性，因此在此基础上探索三瓣大直径卡箍装置的 使用，能够较好的解决上述不利因素32。 1.3.4 有限元法简介有限元法简介 有限元法是一种求解偏微分方程的数值计算方法， 它将弹性力学， 计算数学和计算机软件有机的组合在一起，是工程设计和科研领域的 一项重要分析技术和手段。它的基本思想是将连续的结构离散为一组 有限多个单元，并在每个单元中设定有限多个节点，进而利用力学中 的变分原理建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将连续区域 的无限自由度问题简化成离散域中的有限自由度问题33343536。 现代有限元法的第一个成功尝试，是 tumer、clough3738等人于 1960 年分析飞机机构时得到的。随着计算机技术的发展和广泛应用， 有限元法的到了迅速发展，其中还包括各种非线性问题、多物理场耦 合问题、 多尺度问题等， 也将有限元法从固体力学扩展到了流体力学、 传热学、电磁学等领域。如今，有限元方法已经相当成熟，基于其计 算精度高、适应性强、计算格式规范统一等特点，有限元计算结果已 经成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据39。 第 1 章 绪论 7 1.3.5 有限元软件有限元软件 最早引进并在国内推广的有限元软件是 sap（1979 年）和 adina(1980 年)40， 目前国内和国际市场上流行的商品化有限元软件 很多，如：ansys 公司的 ansys，msc 公司的 msc.nastran,hks 公司的 abaqus,lstc 公司的 ls-dyna 等。在本课题的研究中，主 要运用商业软件 ansys。 美国 ansys 公司研制开发的 ansys 软件是融合结构、热、流 体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件。ansys 软件的前处理、 求解和后处理功能十分强大，并有多种实用的二次开发工具。它可以 广泛的应用于一般工业及科学研究中，例如：铁道、化工、机械制造、 航空航天、核工业、能源等 41424344。 在压力容器分析设计中， 国内 95%以上的市场份额被 ansys 占据， ansys 软件已成为压力容器的事实上的标准。 1995 年， jb4732-1995 钢 制压力容器分析设计标准被全国锅炉压力容器标准化技术委员会发 布之后，ansys 有限元进入了一个迅猛发展的阶段。在传统的设计 中，鉴于压力设备安全问题的重要性，设计往往偏于保守，造成不必 要的浪费。随着分析设计的发展，越来越多的压力容器零部件不再依 据传统的常规设计方法，而 ansys 等有限元工具无疑是为我们的化 工机械分析设计提供了强有力的技术保证45464748。 本课题研究主要采用了 ansys 的结构静力学分析技术，通过其 后处理结果的应力云图和相关路径应力曲线图，从理论上验证卡箍快 开装置强度分析推导出的计算公式的准确性。 1.3.6 电阻应变测试技术简介电阻应变测试技术简介 近年来应力测量技术和非破坏检查方法有了很迅速的发展，许多 新的应力探测方法，如声发射法，红外线法，激光全息摄影法等不断 的出现。尽管如此，使用应变片测量系统进行应变测量还是结构强度 试验的主要手段。此外，用以测量力、扭矩、压强、加速度、位移等 物理量的应变片式传感器的使用范围也在不断扩大49。 电阻应变测量技术是用电阻应变片测定压力容器的表面应变，然 武汉工程大学硕士学位论文 8 后依据应力应变关系式，确立压力容器表面应力的一种实验应力分析 方法。目前广泛采用的电阻应变测量法属于逐点测量，它可以精确的 测定压力容器及化工机械构件表面上任一点静态的和动态的应力，具 有很高的灵敏度和精度。在测量时，由于测量元件通过测量电路输出 的是电压信号或电流信号，既可经放大器由指示仪表直接指示或由记 录仪予以记录，也易于实现测量数字化和自动化，并且可进行长距离 测试和无线电遥测，还可在高温、高压和高速回转等特殊条件下进行 测量。电测法的缺点是只能测量在被测点上电阻应变片基长范围内某 一方向的平均应变值，不能进行全场性的应变测量，在构件表面应变 梯度大的部位，就很难测得最大应变的准确位置与大小50。 本课题研究主要是利用电阻应变测试技术，进行应力应变测量， 然后与 ansys 有限元模拟计算的应力值进行比较，即是以校核为目 的的测量。 第 2 章 三瓣卡箍快开装置的应力强度分析 9 第第2章章 三瓣卡箍快开装置的应力强度分析三瓣卡箍快开装置的应力强度分析 本文设计的三瓣卡箍快开装置是用于大直径高压试验罐的紧固装 置，其主要特点是利用联接卡箍的斜面自锁和操作压力形成的轴向密 封力，从而达到接触面的压紧，并借助 c 形环实现密封。此种结构形 式简单，拆卸方便。 由于三瓣卡箍快开装置没有相应的设计规则可以依据，本章51 在两瓣卡箍快开装置规则的基础上，对三瓣卡箍快开装置（卡箍，法 兰，螺栓,c 形环）的每个部分进行受力分析，找出三瓣卡箍快开装置 在设计计算中的不同点，并推导出相关计算公式，为高压试验罐卡箍 快开装置的设计提供理论依据，并在此基础上探讨多瓣卡箍快开装置 的设计计算。 2.1 卡箍快开结构的自锁 图 2-1 中，卡箍的内侧的上、下面为斜面，要求其与水平面的夹 角小于卡箍材料与法兰材料之间的摩擦角，依据卡箍和法兰材料取 6。 图 2-1 三瓣卡箍的密封结构 当操作时，内压形成的轴向力传递到卡箍与法兰的接触面上，即 为总流体静压轴向力，此力为： 2 4 g fd p (2-1) 武汉工程大学硕士学位论文 10 式中， g d为密封面直径，p 为设计内压力。 将力 f 分解为正压力 / n和沿斜面的滑移力 f，即假定卡箍有滑脱 的危险，如图 2-2 所示: 图 2-2 自锁作用受力分析 通过几何关系可以确定 f 与 / n的夹角为。 与此同时， 由于正压 力的作用， 在接触面上产生与运动方向相反的摩擦力 / f， 假设 / f和 / n 的合力与 / n的夹角为，则由力的三角形定理得出： / fn tg (2-2) 而滑移力 / fn tg (2-3) 所以要保证卡箍形成自锁，则必须使 / ff,即。 2.2 卡箍强度分析 由卡箍的几何结构和受力情况，可将卡箍简化为二维对称模型进 行受力分析，其受力分析如图 2-3 所示： 第 2 章 三瓣卡箍快开装置的应力强度分析 11 图 2-3 卡箍受力分析简图 图中 w 为操作(或装备)状态所需的总轴向载荷，现对卡箍危险截 面 a-a，b-b 进行强度校核。 1.a-a 截面： 由力作用线平移定理可知,在 w 的作用下，对 a-a 截面上将有等 效的拉应力和弯曲应力。 弯曲应力： max 22 66 ma n mwh sd s (2-4) 拉应力： 22 02 4 () w dd (2-5) 截面应力校核式为： 0 0.9 t amaa (2-6) 2.b-b 截面： 在 w 的作用下，将有等效的剪应力及弯曲应力： 弯曲应力： 武汉工程大学硕士学位论文 12 2 2 1 3 mb wh d l (2-7) 剪应力： 2 1 4 b w d l (2-8) 截面应力校核式为： 22 0 30.9 t bmbb (2-9) 2.3 联接螺栓的受力分析与计算 卡箍在不同工况下所受载荷不一样，现以卡箍预紧工况为例进行 分析，并进而对联接螺栓的受力情况进行分析与计算。卡箍预紧时的 受力分析如图 2-4 所示： 图 2-4 预紧卡箍受力分析 图中，由于螺栓力的作用，在密封斜面接触处产生正压力 n，同 时使卡箍产生向内移动的趋势，从而在接触面处又产生与运动方向相 反的摩擦力 f,并依据三角形原理作出二者的合力，其中 n 和合力的夹 第 2 章 三瓣卡箍快开装置的应力强度分析 13 角为。同时，这个合力又可以分解为，作用在卡箍单位接触长度上 的力 q(kg/cm),且方向已知和作用在卡箍周向单位长度上的水平径向 力 t（依据卡箍预紧密封条件） 。由图示几何关系可知： ()tqtg（kg/cm） (2-10) 当卡箍为两瓣时，如图 2-5 图 2-5 两瓣卡箍螺栓预紧力计算 弦长 2lr (2-11) 由y方向力的平衡可求出螺栓载荷 w， 并由卡箍是上下两个斜面， 可得： 2024 wcostltr (2-12) 所以一侧螺栓载荷： 2wtr (2-13) 将 t 值代入可得： 2()() g wqtgrd qtg (2-14) 当卡箍为三瓣时，如图 2-6 武汉工程大学硕士学位论文 14 图 2-6 三瓣卡箍螺栓力计算 弦长 2 sin603 lrr (2-15) 同样由 y 方向力的平衡和卡箍是上下两个斜面，可得： 23022 3 wcostltr (2-16) 所以一侧螺栓载荷 2wtr (2-17) 现假设卡箍的瓣数为 n，如图 2-7 图 2-7 n 瓣卡箍螺栓力计算 第 2 章 三瓣卡箍快开装置的应力强度分析 15 弦长 2 2 sin2 sin 2 lrr nn (2-18) 同样由 y 方向力的平衡和卡箍是上下两个斜面，可得： 2cos()22sin 2 wtltr nn (2-19) 所以一侧螺栓载荷 ： 2wtr (2-20) 由以上螺栓强度分析与计算可以看出：对于两瓣卡箍，三瓣卡箍 以及多瓣卡箍快开装置，其联接螺栓的载荷计算公式是一样的，与瓣 数无关，也即联接螺栓载荷可以依据两瓣的设计方法进行设计计算. 2.4 法兰强度分析 由法兰的几何结构和受力情况，同样将其简化为二维轴 对称模型进行受力分析，其受力如图 2-8 所示： 图 2-8 法兰受力示意图 武汉工程大学硕士学位论文 16 其中：we在一个卡箍凸缘和高颈凸肩上有效的总轴向夹持载荷； fg总的轴向有效夹持预载荷（we）与总的端部静压力和连接 接触面总压缩力两者之和之间的差值； ft总的端部静压力与在内腔面积上的端部静压力之差值； fd在内腔面积上的端部静压力； fp连接接触面总的压缩载荷 法兰应力分析应由预紧和操作两种工况确定各项应力，并分别以 室温和设计温度下材料的许用应力进行校核。 法兰应力校核分为以下几个部分。 1. 高颈颈部外侧轴向应力 法兰高颈上的轴向总应力为介质压力p和边缘力矩mh作用在凸 肩环相连处 a-a 截面上的拉伸应力和弯曲应力之和。 2 1 2 1111 1.9 4()() ih ii d pm dd (2-21) 应力评定： 依据所选法兰材料,并分别查出 和 t hh ，使得： 1 1.5 操作 t h 1 1.5 预紧 t h 2. 高颈颈部截面内腔处最大的拉美环向应力 将法兰高颈视为厚壁圆筒，在内压作用下所引起的环向拉应力， 在高颈内壁为最大。 22 2 22 ni ni dd p dd (2-22) 应力评定： 2 t h 3.高颈凸肩横截面轴向剪应力 在轴向夹持载荷作用下，b-b 环形截面上所引起的轴向剪切应力， 其最大值在 b-b 截面上的中点处，是按平均剪切应力计算而得的 1.5 倍。 第 2 章 三瓣卡箍快开装置的应力强度分析 17 3 1 0.75 = (2)() 操作 i w t dtg (2-2