（化工过程机械专业论文）高温大口径法兰密封设计方法研究.pdf

摘要 本文对大口径法兰密封问题进行了理论分析、有限元计算和试验研究，探讨了法兰 刚度的计算方法，研究了法兰刚度对密封特性的影响，对以紧密度为设计准则的密封设 计方法进行了修正。在法兰结构简化及变形假设的基础上，将螺栓法兰系统作为一个整 体，对其进行详细的载荷变形分析，得出力矩平衡方程和系统变形协调方程；运用有 限元方法对密封系统的受力和变形进行了计算，得出不同工况下密封元件的受力特性， 对法兰口径与垫片残余应力分布的关系进行了讨论；应用弹性分析方法，提出甲型法兰、 乙型法兰和长颈对焊法兰的刚度计算方法，探讨了公称压力、公称直径、温度等参数对 法兰刚度的影响，并利用最小二乘估计方法对上述影响因素进行多元拟合；运用r o t t 实验的方法对法兰的密封特性进行了研究，并与密封理论进行了对比验证；对紧密性密 封设计方法进行了阐述，考虑法兰刚度对密封影响对该设计方法进行了修正。 研究结果表明：螺栓载荷和内压联合作用下的法兰产生偏转和翘曲变形，使得垫片 表面的应力分布不均。径向应力呈现明显内松外紧的状况，并且随着法兰口径的增大， 不均匀性愈加明显，环向应力分布相对均匀。表明现行标准中法兰存在刚度不足的问题， 而螺栓的数目足够保证垫片环向应力分布的均匀性。在三种类型的设备法兰中，甲型法 兰刚性较差，仅能应用于压力等级较低的公共场所；乙型法兰筒体免受法兰变形产生的 附加弯矩且刚度较高，适应较大尺寸场合；长径对焊法兰刚度最大，可承受更高压力。 法兰刚度与公称压力、公称直径和温度等参量的关系，拟合为c = md n ) 五( 乃的形 式的函数。应用r o t i 实验方法对实验垫片进行密封性能研究j 得出垫片新系数 g b = 2 9 2 m p a ，a = 0 3 6 2 、g s = o 1 4 3 m p a 。对基于紧密性的设计方法引入法兰刚度的概念， 考虑法兰偏转的前提下对该方法提出修正，修正系数o = ( c 【c 】) 1 眩1 1 设计常数 r e 、= o t e 。 利用修正的密封设计方法某反应器的密封进行了设计，并对不同紧密度等级要求下垫片 应力和螺栓载荷进行了计算。对设备法兰的选用依据引入紧密性概念，增加紧密度等级 作为法兰选用的标准之一。对垫片特性从设计系数和制造两方面提出要求。 关键词：大口径，有限元，刚度，紧密性，设计方法 t h er e s e a r c ho n d e s i g nm e t h o do fl a r g ed i a m e t e r f l a n g es e a l i n ga th i g ht e m p e r a t u r e s u nl e i ( c h e m i c a lm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yp r o f q i ux i n g - q i a b s t r a c t b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n , t h ei n f l u e n c eo fr i g i d i t yo f f l a n g eo ns e a l i n gc h a r a c t e r i s t i cw a sd o n ei nt h ep a p e r , i nw h i c ht h ed e s i g nm e t h o do fs e a l i n g w i t ht i g h t n e s sa sag u i d e l i n ew a sm o d i f i e d b a s e do i ls t r u c t u r es i m p l i f i e da n dd e f o r m a t i o n a s s u m p t i o n , m o m e n te q u i l i b r i u me q u a t i o na n dd e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t ye q u a t i o nw e r e o b t a i n e d t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fs e a l i n gs y s t e mw e r ec a l c u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s i d u a ls t r e s so fg a s k e ta n dt h ed i a m e t e ro ff l a n g e w a sd i s c u s s e d t h ec a l c u l a t i n gm e t h o df o rr i g i d i t yo fa - t y p es o c k e t w e l df l a n g e ，b t y p e s o c k e t - w e l df l a n g ea n dw e l d i n gn e c kf l a n g ew e r ep u tf o r w a r d t h ei n f l u e n c e so fn o m i n a l p r e s s u r e ，n o m i n a ld i a m e t e ra n dt e m p e r a t u r e o nr i g i d i t yw e r es t u d i e d ，t h ef u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i p so ft h e mw e r em u l t i p l el i n e a rf i t t e d s e a l i n gc h a r a c t e r i s t i cw a ss t u d i e dw i t h r o t rt e s tm e t h o d t h er e s u l t sw e r ec o n t r a s tv e r i f i c a t i o nw i mt h e o r yo fs e a l t h ed e s i g n m e t h o do fs e a l i n gw i t ht i g h t n e s sw a si n t r o d u c e d ，c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ef l a n g e r i g i d i t yo ns e a l ，t h em e t h o dw a sm o d i f i e d t h er e s u l t ss h o w e d ：t h ef l a n g ew o u l dd e f l e c ta n dw a r p a g e ，w h i c hc a u s e dt h e i n h o m o g e n e i t yo fg a s k e ts t r e s s t h er a d i a l s t r e s so fo u t e re n dw a sm u c hc o m p a c t e rt h a n i n t e r n a le n d ，w h i l et h ec i r c u m f e r e n t i a ls t r e s sw a sr e l a t i v e l yu n i f o r m i ts h o w e dt h a tf l a n g e s e x i s t e dp r o b l e m so fd e f i c i e n ts t i f f i a e s s ，w h i l et h en u m b e ro fb o l t sw e r ee n o u g h a t y p e s o c k e t w e l df l a n g ec o u l do n l yb eu s e du n d e rl o w e rp r e s s u r ef o ri t sr i g i d i t yw a ss m a l l ；b - t y p e s o c k e t - w e l df l a n g ew a sf i tf o rl a r g e - s i z es i t u a t i o na si t sr i g i d i t yw a sr e l a t i v e l yl a r g e r ；t h e w e l d i n gn e c kf l a n g e ss t i f f n e s sw a st h el a r g e s tw h i c hc o u l de n d u r eh i g h e s tp r e s s u r eb e c a u s e o ft h ea w l s h 印e dn e c k t h e 觚c t i o n a lr e l a t i o n s h i p sa m o n gf l a n g er i g i d i t ya n dt h et h r e e p a r a m e t e r sw e r ef i t t e dw i t ht h ef o r mo fc 毫石d n ) 正( d d u r i n g t h er e s e a r c ho ns e a l i n g p e r f o r m a n c eo fg a s k e t s ，t h en e w c o e f f i c i e n t sw e r ed e t e r m i n a t et ob eg b = 2 9 2 m p a ，a = 0 3 6 2 、 g s = 0 14 3 m p a t h er i g i d i t yc o n c e p tw a si n t r o d u c e dt ot h es e a l i n gm e t h o dw i t ht i g h t n e s s ，a n d t h em e t h o dw a sm o d i f i e dw i t hac o r r e c t i o nc o e f f i c i e n tn a m e d 西w h i c he q u a l e dt o ( c 【c 】) 1 一， t h ed e s i g nc o n s t a n tt cw a sm o d i f i e dt ob e 西7 己t h es e a l i n gd e s i g no fs o m et y p eo far e a c t o r w a sd o n eu n d e rd i f f e r e n tl e v e l so ft i g h t n e s s t h ec o n c e p to ft i g h t n e s sw a si n t r o d u c e di n t o s e l e c t i n gg i s to fe q u i p m e n tf l a n g e t h el e v e lo ft i g h t n e s sw a sa d d e da so n eo fs t a n d a r d sf o r f l a n g e ss e l e c t i n g t h er e q u i r e m e n to fg a s k e t sc h a r a c t e rw a sp u tf o r w a r df r o ma s p e c t so f d e s i g nc o e f f i c i e n ta n dm e n u f a c t u r e k e yw o r d s - - l a r g e - d i a m e t e r , f i n i t ee l e m e n t ，r i g i d i t y , j o i n tt i g h t n e s s ，d e s i g nm e t h o d n i 以垫片预紧面积，n l m ； 彳广流体静压面积，m m ； 卜流道的长度，r n m ； 础兰刚度，n n u 皿； 主要符号表 旷预紧时垫片的压缩量，m l t l ； d 厂操作时垫片的压缩量，r n m ； 觑广一法兰在螺栓中心圆处的位移，r 1 1 1 i i ； 谚厂螺栓直径，i t i i 1 1 | p 广垫片力的作用点直径，r l l n l ； d 广一螺栓中心圆直径，m 1 1 1 | p 广一法兰内径，n l i t i ； p 6 一螺栓中心圆直径，l 咖； 五l 法兰钢材弹性模量，m p a ； 卜三角沟槽的深度，蚴； d 一三角沟槽的底宽，m m ； 三d 螺栓初始计算长度，1 1 1 1 1 1 ； 三厂一螺栓计算长度，r l l r l l | 三厂泄漏率，m i j $ ； m ，边缘力矩，n m ； 耐质质量，k g ： i i h 体相对分子质量； m ? 一预紧时边缘力矩，n m ； p 一设计压力，a ； p l ，p ：一介质压力引起的轴向力，n ； p ：一预紧时螺栓力，n ； p ：一预紧时垫片反力，n ； p ? 一预紧时边缘力，n ； p f 一操作时螺栓力，n ； p ；一操作时垫片反力，n ； p f 一边缘力，n ； 卜垫片压缩率； s ，广装配需要的垫片应力，i v p a | 广设计紧密度所需的垫片应力，a ； 扩设计压力作用后的垫片应力，a ； 卜- 法兰的厚度，m m ； 川体绝对温度，k ； 乙装配紧密度，a ； 阡一紧密度参数比； z 设计常数； 灯一垫片的初始厚度，r l l l t l ； 形一螺栓载荷，n ； l j 6 么矿一设计螺栓载荷，n ； 雕兰挠度，l i l n l ； 秒环板的转角； 一泊松比； 磊一法兰颈部小端有效厚度，n h n ； 五一法兰颈部大端有效厚度，m i l l | 瓯一法兰颈部有效厚度，n 1 1 1 1 ； 矽一垫片回弹率； r 介质动力粘度，p a s 砌质密度，k g m 3 。 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盈：雷 日期： 动。2 年6 月4 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 学位论文作者签名： 盈! 宜。 指导教师签名：惮 日期：砌g 年 日期：聊年 舌月缸日 月名日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题意义 法兰连接是流程工业中设备、管道连接的主要形式，使用范围广、数量大，据统计 一个大型石化企业其密封点数可达数十万以至上百万点【1 1 ，法兰连接处介质泄漏不仅增 加能耗、造成环境污染、损害人体健康，甚至导致爆炸、人身伤亡等重大事故，直接影 响企业生产和经济效益。现代流程工业操作连续性强、设备大型化，介质具有高温、高 压、易燃、易爆、易腐蚀、易中毒等特点，对法兰连接的密封可靠性和安全性提出了更 高的要求。2 0 0 7 年初，中国“十一五”规划纲要提出了“十一五 期间单位g d p f l 邕耗降 低2 0 ，主要污染物的排放总量减少1 0 的约束性指标，为法兰密封系统结构的优化改 进、降低泄漏提出了紧迫性要求。 法兰刚度不足而产生过大的翘曲变形，往往是实际生产中造成螺栓法兰连接密封失 效的主要原因之一。国内外专家学者已充分认识到密封接头的强度是足够的，法兰刚度 不足很大程度上影响着法兰变形，是密封失效的重要诱发因素 2 1 ，但至今仍没有系统地 进行研究。设备大型化的发展，进一步加大了设备法兰的密封难度，主要体现在以下方 面：1 ) 加工制造时，法兰口径大，密封面宽，密封面的平面度和粗糙度都难以保证；2 ) 结构尺寸方面，密封直径的增大使得法兰抵抗变形的能力下降；3 ) 操作方面，为保证足 够的密封比压，需施加的螺栓载荷显著增加，同时螺栓中心圆直径也在增大，从而导致 螺栓力矩的大幅增加。上述因素导致法兰产生明显的翘曲和偏转，从而导致垫片表面应 力分布严重不均，给密封带来很大困难。 目前，在法兰密封的设计和应用中主要采取以下两方面的措施来提高其安全性能： 1 ) 设计过程中增大安全系数。连接方式还是采用普通的螺栓连接，计算过程中可能附加 考虑了弯曲载荷、温度载荷等因素，安全系数偏大。增大安全系数势必增加法兰的厚度、 螺栓直径，可能采用更高性能的材料，从而增加了制造成本。2 ) 使用过程中频繁进行检 修。为了保证安全性，必须进行检修，对于这些重要部位检修的周期比较短。就一座中 等规模的石油化工厂而言，静密封点数以十万计，频繁的热紧和检修造成资金和时间上 的巨大浪费，增加了生产成本，而且以上两种办法无法从根本上解决问题。现行规范中 规定的性能参数基本上是经验的，且缺乏泄漏率的概念，按照现行规范进行密封连接设 计无法满足现代工业定量控制泄漏率的要求，在高温的工况下泄漏率的预测问题显得更 第一章绪论 加重要。高温法兰密封问题是一个多物理场耦合的复杂问题，它对密封安全有着十分明 显的影响，解决高温法兰密封问题有着重要的理论价值和广泛的应用前景。 1 2 研究现状 1 2 1 法兰密封结构分析 ( 1 ) 密封结构刚度研究 刚度表征抵抗变形的能力，密封元件的刚度越来越成为密封研究的重要内容。1 9 9 5 年a s m e 规范纳入德国d i n 以及英国b s 标准中对于法兰刚度进行校核的概念，并结合 w a t e r s 法兰计算公式，提出了法兰刚度计算方法【3 1 。19 9 5 年史云沛等人对采油井口法兰 盘的应力和位移进行了计算，对薄弱处的形状和尺寸做出修正，提高了其强度和刚度【4 】。 1 9 9 9 年应道宴等人对法兰刚度进行了理论和实验研究，对不同类型垫片的预紧弯矩和保 证法兰刚度的许用弯矩进行了比较【5 】o 文献 6 】针对航天器接口大型法兰所面临的空间环 境条件的特点，从航天器法兰强度及刚度的理论计算入手，对法兰螺栓选择及优化设计进 行了探讨。2 0 0 1 年蔡克霞等人分别利用t i m o s h e n k o 法和w a t e r s 法对环法兰的联结刚度 进行了计算，结果表明：t i m o s h e n k o 法考虑了螺栓位置的疏散性及法兰一小筒节联接对 刚度的影响，更符合实际 2 1 。文献 7 】提出限定法兰转角在0 7 5 。以内来保证密封，以此 作为法兰刚度的判据。彭富云等人对热渣油管线法兰的泄漏问题进行了刚度分析和校 核，并提出相应措施 8 】。 2 0 0 4 年陈晔等人采用有限元法对弹性垫圈轴向载荷下的变形规律进行了研究，并以 此为依据，提出了利用变形协调分析对高温螺栓一法兰连接中弹性垫圈刚度进行设计计 算的方法f 9 1 。贾薇等人提出液压缸缸壁对内法兰具有一定支撑刚度的概念，介绍了内法 强度和刚度计算的支撑刚度系数法，为液压缸内法兰的设计提供了依据【1 0 】。 ( 2 ) 密封结构有限元分析 研究法兰结构中各密封元件与所受载荷之间的相互关系，改进这种静密封接头的结 构设计及安装维护，达到提高螺栓法兰接头整体密封性能的目的一直是工程师们十分关 注的问题。文献 1 1 利用有限元技术对闸阀阀体上的一对法兰进行了分析，法兰结构是 完全对称的，由于模型的建立比较接近实际，分析结果与实验结果非常接近。文献 1 2 】 在假设上下法兰为对称结构、法兰环厚度方向为刚体及螺栓法兰垫片是一个预应力静不 定系统的前提下，对螺栓法兰联接系统进行受力分析，与真实法兰系统的实验结果进行 比较。杜培德 1 3 】等人对螺栓法兰连接密封装置在内压、高温及低温等不同操作工况下的 螺栓与受力部件的载荷变形关系进行了分析，推导了在不同工况下螺栓载荷的计算公式 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 并对压紧系数、螺栓及受力部件材质等因素的影响作了初步探讨。文献 1 4 】中将法兰、 垫片、螺栓连接系统作为一个整体，考虑到法兰旋转、内压对法兰、垫片、螺栓以及阀 门的受力与变形的影响，应用三维有限元技术，分析在螺栓预紧过程和加压过程中法兰 连接系统的整体应力分布。 宁波大学在对法兰连接计算时，采用设置虚杆元的方法来模拟接触计算，接触区域 的大小、受力都将随着外载荷的变化而呈非线性变化。法兰考虑接触的连接刚度与被连 接件的材料、厚度、螺栓直径和所施加的预紧力密切相关【1 5 】。清华大学核能设计研究院 对1 0 m w 高温气冷堆m 一1 0 ) 压力容器主法兰结构进行了弹塑性接触计算，利用有限 元分步加载技术模拟了主螺栓预紧以及加压过程中主法兰的应力和位移情况 1 6 1 。郑州大 学工学院热能工程研究中心研制了新型类c 形密封环。在预紧状态和设计压力状态下对 压力容器有限元模型进行了接触弹塑性分析，利用有限元分步加载技术模拟了主螺栓预 紧以及加压过程中主法兰的应力场和位移场情况，对主法兰密封面的变形状态进行了研 究。分析结果从数值上证明了类c 形密封环具有良好的密封性能，解决了反应釜密封泄 漏问题【1 7 1 。 1 2 2 垫片密封性能 ( 1 ) 垫片力学性能和密封性能 改善密封垫片结构以提高其密封性能，垫片的力学性能和密封性能研究一直是螺栓 法兰接头研究中的重点。文献 1 8 1 根据分子密封学中提出的关于非金属弹塑性体相对刚 化后能大幅度提高其承压能力的理论，将法兰密封部位的形状设计成可为非金属弹塑性 体提供各向刚性支承，再重点考虑垫片的材料，根据介质温度的不同，分别采用f 2 4 、 填充f 2 4 和柔性石墨，收到了一定的成效。这理论假设，螺栓是弹性体并有蠕变，垫 片产生弹塑性变形，法兰相对于垫片和螺栓是刚体，同时也考虑了弹性变形对系统的影 响，但法兰结合面在变形前后仍为一平面。 周剑秋，周昌玉和沈士明运用有限元法对八角垫片做了二维和三维的弹性分析。计 算表明，按照规范进行的工程计算，由于忽视了某些内在因素的影响，而且存在很多假 定条件，所以使计算结果具有一定的不确定性。三维有限元考虑了螺栓孔对法兰的削弱， 力学模型更加合理，其计算值比二维有限元计算结果精确【1 9 1 。华东理工大学蔡仁良等人 利用p a f e c 有限元软件包和p i g s 交互图形软件计算了多种工况下的弹性应力，探讨了 垫圈密封力与内压、时间的变化关系，从而为密封结构的安全评定和改进工艺操作提供 了理论依据【2 0 1 。石油大学( 华东) 梁红野，陈彦泽采用有限元方法，建立了在高温条件下 3 第一章绪论 的法兰八角垫联接的三维力学热传导耦合的计算模型，并对其动态密封性能等进行了 分析。对高温动态密封失效的机理进行分析，在此基础上提出了防止泄漏的基本措施【2 。 戴俊鸿，阎国超等人八角垫残余变形进行了计算分析，认为垫圈材料与法兰材料的热膨 胀差是造成垫圈塑性变形的主要原斟2 2 1 。文献 2 3 】对影响缠绕式密封垫片密封性能的一 般因素进行了分析。文献 2 4 采用5 0 0 0k n 水压机和氦质谱仪对缠绕式垫片的力学性能 和密封性能进行了系统试验研究。余新奇和蔡仁良以实验和理论分析相结合研究了透镜 垫片得到了介质压力和泄漏率的关系。他们在研究中将螺栓力转化为均匀力，限制法兰 接头中各元件的塑性变形和蠕型2 5 1 。 ( 2 ) 垫片特性系数 1 ) a s m e 传统垫片系数 1 9 6 5 年美国a s m e 成立了螺栓法兰连接分会，开始了“重新评定法兰设计垫片系 数”课题，在1 9 7 4 年p v r c 开始了一个探索性的试验研究项目，于1 9 8 3 年完成了“垫 片试验 和“典型垫片密封性能影响因素的研究 工作，随后又开展了“法兰连接高 温性能”的研究 2 6 】。试验研究发现垫片的密封性能和垫片应力之间的关系可以定量表示 为某些与垫片有关的参数的函数关系，这些参数在确定螺栓载荷中起着重要作用。 半个世纪以来，螺栓法兰连接设计中，密封垫片性能评价一直被简化为垫片系数和 预紧密封比压两个系数。它主要考虑了连接结构的强度，并沿用a s m e v i i 1 附录2 的螺栓 法兰设计规则 2 7 1 。m 、y 值由i b s s h e i m 和m a r k l 于1 9 4 3 年引入，基本上是经验的，不能扩 大到新的产品和材料；也未考虑系统泄漏率的要求，实际上无法可靠地保证系统的紧密 性j 按照规范设计，大多数情况下可获得较为满意的结果，这是因为规范设计的螺栓过 于保守，为密封提供足够的预紧载荷，掩盖了y 、m 值的实质。根据紧密度要求决定装配 和操作时的垫片应力或螺栓载荷，按整体性和密封性两方面设计法兰已成为修改法兰设 计的必然趋势 2 8 1 。 2 ) e n l5 9 1 中垫片系数 19 9 4 年，欧洲标准协会( c 盼d 下属“法兰及其接头技术委员会 提出了一个统一的 欧盟标准。e n l 5 9 1 1 “法兰及其接头一垫片圆形法兰连接的设计规则一第一部分：计算 方法，作为对在压力、温度、外力和外弯矩等载荷作用下的螺栓法兰连接进行完整性 和密封性的计算规则 2 9 1 。e n v l 5 9 1 - 2 “法兰及其接头一垫片圆形法兰连接的设计规则一 第二部分：垫片系数”为e n l 5 9 1 1 的计算提供补充【3 0 1 。如表1 1 所示，为根据材料特性 提供的非强制性数值，提供e n l 5 9 1 1 计算需要的垫片系数。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表1 1e n v l 5 9 1 - 2 定义的垫片系数 t a b l - 1t h ed e f i n i t i o no fg a s k e tp a r a m e t e r si ne n v l 5 9 1 - 2 垫片系数符号 在加载工况i 下，垫片需要的平均有效压缩 应力 q i 垫片材料的最大允许压缩应力 最小必需压缩垫片应力 在特定参考垫片尺寸和安全裕度下q m 强的 测量值 垫片卸载压缩模量 q 0 = 0 时e g 的外推值 e g 随着压缩应力的改变率 垫片蠕变系数 注：i = 0 表不装配状态，i - l ，2 表示液压实验状态和随后的工作状态o 3 ) 垫片新系数 美国压力容器研究委员会( p v r c ) 在不改变a s m e 设计方法前提下，经过长期的研 究和改进，提出了新的垫片常数，与此同时也对传统的螺栓法兰设计规则作相应的改变。 新的垫片常数包括g b 、a 、岱【3 1 1 。g b 和口共同代表了垫片在初始预紧力下的密封能力， 反映了垫片预紧应力和紧密度的关系，可以计算维持一定紧密度所要求的最小垫片预紧 应力；岱是反映操作的独立常数，描述了垫片紧密度对螺栓力变化的敏感性。对一个特 定的紧密度水平昂，g 滚明了垫片所需要的最小工作应力。这样一种新的螺栓垫片法兰 设计方法能保证设计出的法兰接头有定量的紧密性程度。 任建民等人采用特定结构的缠绕式垫片进行了新垫片系数的测定，揭示了新垫片系 数g b 、a 、g s 与紧密度参数和垫片应力之间的内在联系，在此基础上，探讨了新垫片系 数的试验确定方法【3 2 1 。杜培德等人基于螺栓法兰连接系统的载荷变形关系分析提出了确 定垫片设计系数的简化方法，以不锈钢缠绕柔性石墨垫片实验结果计算绘制的y - p 图设 计法兰【3 3 】。 1 2 3 密封设计方法 ( 1 ) 美国压力容器研究委员会的研究进展 国内外最有影响的有关螺栓法兰连接的规范设计方法是美国机械工程师学会 ( a s m e ) 锅炉及压力容器规范第v m 卷压力容器第一册( 即a s m e v i i i 1 ) e 3 4 1 。1 9 2 9 年 5 呻蛐 一 暑 即 萨 第一章绪论 w a t e r s 和h a l l h a y l o r 一起发表了论文“管法兰的强度”，随后w a t e r s 等人又把这项研究 扩大到整体法兰和活套法兰，并于1 9 3 7 年发表了“螺栓法兰连接中的应力公式 一文， 这两篇文章形成了a s m e 锅炉及压力容器规范中的法兰设计规则。 出于改进a s m e 规范全平面法兰连接设计规则的需要，应a s m e 的要求p v r t 于 19 6 5 年建立了螺栓法兰连接( b f t ) 专业委员会。3 0 多年间，p v r t 针对解决垫片法兰接 头的泄漏问题，承担了主要研究项目，这些项目对深入了解螺栓法兰接头的泄漏行为以 及修订a s m e 规范设计方法都起到了重要的推动作用。六十年代中期美国压力容器委员 会( p v g c ) 螺栓法兰分委会和a s m e 课题小组联合制定了金属和金属接触的平面法兰设 计方法，在1 9 7 1 年这一设计方法形成了a s m e v b - 1 的附录的b 部分。二十世纪八 十年代初期又把七十年代的设计方法改为非规定性附录y ，收录了包括两法兰对相同的 或不同的金属和金属接触的平面法兰设计规则 3 5 1 。 到1 9 8 3 年时，a s m e a 1 1 1 1 中关于法兰设计的规则包括了：规定性附录i i ：垫片位 于螺栓中心圆内的法兰；非规定性附录y ：螺栓中心圆外金属和金属接触的平面法兰； 非规定性附录s ：规范中不包括的法兰设计要求，考虑螺栓的预紧，垫片在室温下的松 弛和高温下螺栓，法兰或垫片的蠕变等特殊问题。 迄今，p v r t 已经做了许多与此相关的工作，包括修订a s m e 锅炉和压力容器规范 的法兰设计规则、制订有更明确意义的设计垫片系数、螺栓法兰接头的模拟分析、垫片 密封性能的试验研究( 包括高温性能) 、垫片材料长期时效特性和耐火寿命的合格评定方 法研究等。1 9 9 0 年，p v r t 提出五年研究计划，整个研究的目标是改进现有螺栓法兰接 头的性能，提出高温和热循环下法兰连接的设计方法，制订法兰设计和装配步骤的合格 评定和试验方法。该计划中涉及修订a s m e 规范和a s t m 试验方法方面的工作是委员 会最优先考虑的任务。除了向a s m e 和a s t m 分别提供p v r t 垫片常数和垫片试验方 法外，为了配合这些工作，还开展了高温试验、外载荷作用下的法兰行为和制订垫片材 料合格评定方法等研究项目。 在此基础上，1 9 9 9 年p 玎继续开始了五年研究计划第二阶段的研究，该阶段的目 标包括形成和制订安全与可靠的螺栓法兰连接设计的技术与方法；通过改进垫片选择和 合格评定的方法，提高工厂生产的可靠性和安全性，减少易挥发物的逸出水平；支持 a s m e 和a s t m 修订垫片标准和螺栓法兰设计规则；通过对螺栓法兰接头性能的深入 研究，推动今后提出一种性能更可靠、更有效和更节省成本的法兰连接设计规则和重新 评定标准法兰的简化方法。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 p v r t 的研究工作取得了许多富有成效的成果：提出具有全平面弹性垫片的平面法 兰的规范设计规则；提出具有全平面垫片的矩形法兰和大直径b f t 的近似设计方法； 研究法兰一螺栓一垫片系统的弹性交互作用，并根据影响系数提出改进紧固螺栓的方 法；使密封性很好的垫片在室温下保持稳定泄漏特性；测定柔性石墨板材的高温特性； 提出垫片耐火性合格评定的试验方法；提出螺栓法兰连接的垫片高温试验方法；建立 a s m e 新垫片系数表；建立垫片室温密封性试验( r o t v ) 数据库；建立垫片材料性能的 试验方法和评定标准。 ( 2 ) 苏联计算标准与方法 苏联o c t 2 6 。3 7 3 ( 法兰连接强度计算标准与方法) 也是法兰接头设计规范中一种主要 的方法，它把螺栓和垫片及法兰作为一个弹性系统考虑，分别计算各元件的角柔度或线 柔度，由变形协调条件确定操作时螺栓的实际载荷，装配状态的螺栓力用与a s m e v l i - 2 相似的办法确定【3 6 】。 ( 3 ) 欧洲标准协会的研究进展 在欧洲具有代表性的法兰计算标准方法是d i n v 2 5 0 5 ，该标准1 9 6 4 年颁布，最后一 次修订版是1 9 9 0 年的d i ne 2 5 0 5 ，d i n 2 5 0 5 是基于s c h w a i g e r e r 的研究工作，采取了相 比t a y l o r 方法较为简单而全面的法兰分析方法。法兰本身的强度计算按塑性理论极限载 荷法计算，即将法兰视作单纯受力和外力矩作用的圆环，假定壳体和环连接的法兰截面 上达到完全塑性，即形成塑性铰。该标准在做出满足强度要求的法兰尺寸之后，要求做 出接头的载荷变形图，研究接头的总体性能，校验垫片是否能保证密封，载荷变形图 考虑了法兰柔度的变化、温度对螺栓法兰刚度的影响和垫片的蠕变等，所以它对法兰常 见的泄漏问题采取了比较周全的考虑。在垫片的性能方面相比a s m e 的两个系数伽，力 作了较多考虑，如工作状态下垫片的最大允许载荷和软垫片的松弛，以及密封气体、蒸 汽与液体的区别等。d i n 2 5 0 5 与a s m e 的最大区别在于将注意力放在法兰的密封方面。 d i n v 2 5 0 5 标准与a s m e 一样，整个计算过程( 包括垫片系数本身) 与法兰连接的密 封性没有明确的定量关系。在德国压力容器设计规范( a d m 甜( b l a 哟的法兰计算中【3 7 】， 采用了d i n 2 5 0 5 的方法，不过它对上述接头的密封性分析要求没有作强制性规定。这是 一种把法兰设计引向处理泄漏问题的周到而恰当的方法，但是在尚未对垫片性能充分揭 示的情况下，仍然难以对连接做出明确分析【3 8 】。 欧洲标准协会( c e b o f 属法兰技术委员会( t c 7 4 ) 提出一个新的欧盟法兰计算方法， 即e n l 5 9 1 1 垫片圆形法兰连接的设计规则的第一部分计算方法，e n v l 5 9 1 2 法兰及 7 第一章绪论 其接头垫片圆形法兰连接的设计规则的第二部分一垫片系数。c e n t c 7 4 制订了一个新 的欧盟标准p r e n l 3 5 5 5 法兰及其接头一垫片圆形法兰连接设计规则用垫片系数和试验 方法，定义了e n l 5 9 1 1 中的垫片系数和垫片试验方法，并解决上述e n l 5 9 1 2 存在的 缺陷。 ( 4 ) 密封设计方法在我国的应用 w a t e r s 法在我国也具有一定的应用基础，实践表明w a t e r s 法【3 9 1 基本上是成功的，我 国压力容器法兰标准( m 1 1 5 7 1 1 6 4 8 2 ) 是采用该法进行修订的【4 0 1 ，钢制管法兰国家标准 中的美洲体系法兰部分也是采用该法制定的 4 1 1 。 以w a t e r s 法为基础的法兰设计，未把刚性作为控制条件，而且在刚度计算时，忽略 螺栓疏散程度的影响，使得法兰设计更趋于保守。法兰连接是一个整体，法兰设计必须 兼顾法兰、螺栓、垫片，综合地加以考虑才能使整个连接设计趋于经济合理。对于大口 径法兰的设计，刚度控制已成为其设计过程中必要的环节。在设计中必须充分考虑法兰 刚度不足变形而导致的泄漏，将法兰、螺栓、垫片统一一体进行设计。 1 3 研究内容及方法 ( 1 ) 密封系统变形协调性分析 法兰密封系统包括法兰j 垫片、螺栓、螺母及其他附属结构。法兰连接的密封过程 同时也是预紧、升压升温、正常操作、停工和重新开工等工况下各个元件间发生变形协 调的过程。将螺栓法兰系统作为一个整体，考虑法兰的旋转所引起的螺栓力、垫片力、 螺栓变形、垫片变形、垫片力作用点以及螺栓力作用点的变化，对其进行详细的载荷一 变形分析，建立法兰力矩平衡方程和变形协调方程。得出预紧和操作工况下，垫片力作 用点中心圆直径的变化规律。 ( 2 ) 垫片表面残余应力分析 。 由于法兰的刚度并非无限大，在螺栓力和介质压力的作用下法兰产生一定的翘曲变 形，正是这种不均匀不规则的变形加剧了密封的泄漏。法兰接头存在材料和结构等多种 非线性，考虑接头各元件间的相互作用，把接头当作一个系统来分析。分别对预紧和操 作工况下法兰的偏转，垫片表面残余应力分布进行研究，对法兰刚度和密封的关系进行 定性分析。 ( 3 ) 大e l 径法兰刚度计算 设备法兰的大型化给密封带来了更多的技术难题。随着口径的增加，所需螺栓力的 增大，螺栓力对中心的弯矩增大，法兰的刚性降低。弯矩增大与法兰刚度的降低导致法 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 兰出现翘曲和明显的偏转，作用在垫片表面的应力在径向、环向出现明显的分布不均。 垫片与密封面间的紧密性不足从而导致密封失效。通过对法兰的结构简化和变形分析， 得出设备法兰的刚度计算方法，结合现行标准得出不同公称压力、不同公称直径的法兰 刚度差别，总结法兰刚度的分布规律，从理论上揭示大口径法兰密封失效的机理。 ( 4 ) 密封设计方法探讨 压力容器和管道用螺栓法兰接头设计不仅是强度，还包括密封问题，通过对气体介 质泄漏模型的研究，得出泄漏率计算方法。对垫片的密封性能应用理论分析和实验研究 相结合的方式，得出垫片的新型设计参数。考虑法兰刚度的不足，对最大允许泄漏率设 计准则加以修正，得出改进的密封连接设计方法。 9 第= 章浩! 密封结构变形h 析 第二章法兰密封结构变形分析 静密封元件有垫片、密封剂及直接接触密封三类，石化设备尤其是各类压力容器、 管道和阀门等广泛采用的是法兰密封结构。法兰密封通常是指由容器、管道等的连接件 法兰和垫片组成的静密封的一种结构型式，流程工业中，工艺管线、仪器仪表接管与设 备、机、泵、阀门连接处，法兰密封随处可见。 2 1 法兰密封结构 由于生产操作和检修等需要，压力容器和管道常采用可拆卸的法兰联接。法兰联接 是由法兰( 被联接件) 、垫片或垫环( 密封元件) 和螺栓一螺母( 联接件) 三部分组成靠上紧 螺栓使法兰密封面压紧垫片或垫环实现密封如图2 - 1 所示。法兰联接具有结构简单， 可实现多次重复拆装、使用等优点，但由于它是非一体化结构，如果对法兰、垫片或垫 环等选用不当，或者安装不正确，都会引起法兰联接严重泄漏，导致密封失效。 图2 - 1 法兰联接结构 f i 9 2 - is t r u c t u r e o f f l a n g e c o n n e c t i o n 22 法兰连接受力分析 传统的螺栓法兰系统载荷分析大多沿用w a t e r s 方法这一方法假定螺栓载荷仅源于 预紧阶段，在操作过程中维持不变，螺栓只存在拉伸应力而不存在弯曲应力。文献 1 3 对密封连接系统在不同操作工况的载荷变形进行了分析，但没有考虑法兰盘的偏转。密 封元件的载荷分配与系统变形关系关系没有涉及，也没有体现垫片在预紧、加载和卸载 的真实行为因此计算载荷不能反映螺栓与垫片所受的真实载荷。本文应用t i m o s e n k o 方法将螺栓法兰系统作为一个整体，考虑法兰的旋转所引起的螺栓力、垫片力、垫片变 形以及垫片力作用点的变化。 法兰连接结构如图2 2 所示。预紧时，法兰仅受螺栓力、垫片反力、边缘力及边缘 力矩的作用，使其达到初始密封比压，如图2 3 ( a ) 所示；操作时，除螺栓力、垫片反力、 0 麟 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 边缘力及边缘力矩外，还受由介质压力引起的轴向力的作用，如图2 3 ( b ) 所示。 2 2 1 形状简化与基本假设 图2 - 2 法兰结构简图 l i i 9 2 - 2 s t r u c t u r ed i a g r a mo ff l a n g e 采用t i m o s h e n k o 方法进行分析。基本假设为：( 1 ) 法兰在设计温度下保持弹性，不发 生蠕变或屈服；( 2 ) 将法兰环当作受均匀力矩作用的矩形截面圆环，法兰环受载过程中， 只绕其截面形心旋转不产生弯曲，截面形状保持不变；( 3 ) 略去法兰环上螺栓孔的影响； ( 4 ) 壳体与法兰连接是连续的，因此壳端的旋转角、径向位移分别等于法兰的旋转角及其 径向位移；( 5 ) 考虑法兰的径向刚度很大，因而忽略连接处的边缘力矩、边缘剪力、内压、 螺栓力及垫片力所产生的法兰径向位移；( 6 ) 把壳体视为半无限长弹性基础梁。 ( a ) 预紧工况( b ) 操作工况 图2 - 3 法兰受力分析 f i 9 2 - 3 f o r c ea n a l y s i so nt h ef l a n g e 2 2 2 螺栓和垫片受力计算 预紧时，力的平衡关系为： 芹= p o ( 2 - 1 ) 第二章法兰密封结构变形分析 式中：p ? 一预紧时螺栓力，n ； p ：一预紧时垫片反力，n 。 操作时，力的平衡关系为： w 叫+ 掣p c 式中：硝一操作时螺栓力，n ； 彤一操作时垫片反力，n ； 彤一操作时垫片压紧力作用中心圆计算直径，m m ； 尸产设计压力，a 。 螺栓的伸长量： 址l 亍6 q 一；- 2 p )