（化工过程机械专业论文）承受外弯矩作用的螺栓法兰连的紧密性研究.pdf

硕士学位论文 摘要 1 1 1 1 1 1 1p jij j i i ip i i i i h i l ii i i i i i i l l j j i i i liiii y 2 2 5 3 8 0 6 螺栓法兰连接是石油化工设备和管道中最主要的连接形式。螺栓法兰连接除 了承受温度载荷、介质压力和螺栓载荷外，还可能承受由设备和管道系统作用引 起的附加载荷以及其他随机载荷，其中外弯矩是影响法兰连接结构性能的主要因 素之一，因此系统地研究和分析外弯矩作用下法兰连接的紧密性是当前密封技术 的研究热点。本文采用三维有限元方法对外弯矩作用下的法兰连接进行数值模 拟，以垫片应力为切入点，揭示外弯矩对连接紧密性的影响。在此基础上，进行 法兰的参数化研究，提出外弯矩作用下法兰的工程设计方法。本文的主要工作和 研究成果如下： ( 1 ) 对柔性石墨复合垫片、柔性石墨缠绕垫片、金属包覆垫片进行了常温 及高温压缩回弹性能及密封性能试验研究，提出了能够较好地表征垫片基本性能 的公式，对试验数据进行回归分析，得到了各类垫片的性能系数。 ( 2 ) 以g b t9 1 1 5 1 2 0 0 0 的公称直径d n 8 0 d n 6 0 0 法兰连接结构为例，采 用a b a q u s 有限元分析软件建立模型，利用试算法得到法兰连接所能承受的最 大外弯矩以及当连接承受外弯矩作用时，法兰和螺栓上的应力分布。计算结果为 法兰连接结构的工程设计提供了参考。 ( 3 ) 通过对承受外弯矩作用时各法兰连接垫片上的应力分析，对连接结构 进行了紧密性研究。结果表明，法兰连接在承受外弯矩后，垫片上的应力分布出 现不均匀，随着外弯矩的增大，受拉侧垫片应力减小，受压侧垫片应力增加。垫 片应力最小处发生在连接结构受拉侧，故应该以该侧垫片应力评价法兰连接的紧 密性。 ( 4 ) 研究了外弯矩和法兰公称直径这两个参数对垫片应力分布和连接泄漏 率的影响。随着外弯矩的增大，单位垫片外周长泄漏率增大；在确定的螺栓载荷 和外弯矩作用下，随着法兰公称直径的增大，受拉侧垫片应力增大，单位垫片外 周长泄漏率减小。 ( 5 ) 建立了法兰螺栓连接结构的基于紧密性的安全操作条件。在此基础上， 按相应的强度设计准则和密封设计准则，提出了承受外弯矩作用下螺栓法兰连接 的工程设计方法。 摘要 关键词：螺栓法兰连接外弯矩 紧密性有限元分析参数化研究 硕士学位论文 a b s t r a c t b o l t e df l a n g e dc o n n e c t i o n sa r em a i nt y p e si np e t r o l - c h e m i c a le q u i p m e n ta n d p i p i n g t h ej o i n t sa r eu s u a l l ys u b j e c t e dt oe x t e r n a ll o a d sa n do t h e rr a n d o ml o a d s b e s i d e st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n db o l tl o a d s t h ee x t e r n a lb e n d i n gm o m e n ti sa n e s s e n t i a lf a c t o ra f f e c t i n gt h ejo i n t sp e r f o r m a n c e s ，a n ds y s t e m i cr e s e a r c ho nt h e t i g h t n e s so f j o i n ts u b je c t e dt oe x t e r n a lb e n d i n gm o m e n th a sb e c o m ea c u r r e n tr e s e a r c h h o t p o i n ti ns e a l i n gt e c h n o l o g y f i e l d 3 一df e mw a sa p p l i e dt os i m u l a t et h e m e c h a n i c a la n ds e a l i n gb e h a v i o r si n t h i st h e s i s 。t h eg a s k e ts t r e s sd i s t r i b u t i o nw a s i n v e s t i g a t e d ，a n dt h ee f f e c t so ft h ee x t e r n a lb e n d i n gm o m e n t o nt h et i g h t n e s so f j o i n t w e r er e s e a r c h e d t h ep a r a m e t r i cs t u d yw a sa l s oc a r r i e do u t ，a n da ne n g i n e e r i n g d e s i g nm e t h o do fb o l t e df l a n g e dc o n n e c t i o n ss u b je c t e db ye x t e r n a lb e n d i n gm o m e n t w a sp r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nc o m p r e s s i v e - r e s i l i e n tp e r f o r m a n c ea n ds e a l i n g b e h a v i o ro ff l e x i b l eg r a p h i t ec o m p o u n dg a s k e t s ，f l e x i b l eg r a p h i t es p i r a lw o u n d g a s k e t sa n dm e t a l w r a p p e dg a s k e t sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n de l e v a t e dt e m p e r a t u r e s w a sc a r r i e do u t t h ef o r m u l a ew e r ep u tf o r w a r d ，b yw h i c hg a s k e tp e r f o r m a n c e sc a r l b ee x p r e s s e ds a t i s f a c t o r i l y c o e f f i c i e n t so ft h e s ef o r m u l a ew e r eo b t m n e db yr e g r e s s i o n a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a ( 2 ) s t a n d a r df l a n g e so fd n 8 0 - d n 6 0 0i ng b t9 115 1 2 0 0 0w e r et a k e na s e x a m p l e s ，a n dt h e3 - dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w a sc o n d u c t e db ya b a q u s t h e m a x i m u me x t e r n a lb e n d i n gm o m e n t so fb o l t e df l a n g e dc o n n e c t i o n sw e r eo b t a i n e db y t e s ta l g o r i t h m ，a n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ff l a n g e sa n db o l t sw a sa l s oo b t a i n e dw h e n t h ec o n n e c t i o n sw e r es u b j e c t e dt oe x t e r n a lb e n d i n gm o m e n t s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s c a np r o v i d er e f e r e n c ef o re n g i n e e r i n gd e s i g no ff l a n g e dc o n n e c t i o n s ( 3 ) t i g h t n e s ss t u d yw a sc o n d u c t e db y t h ea n a l y s i so fg a s k e ts t r e s so ft h e c o n n e c t i o n su n d e rt h ea c t i o no fe x t e r n a lm o m e n t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eg a s k e t s t r e s si su n e v e nd u et ot h ee f f e c to fe x t e r n a lb e n d i n gm o m e n t t h eg a s k e ts t r e s so nt h e t e n s i o ns i d eo ft h eb o l t e df l a n g e dc o n n e c t i o n sr e d u c e sw h i l ei to nt h ec o m p r e s s i o n l l i a b s t r a c t s i d ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gb e n d i n gm o m e n t s t h em i n i m u mg a s k e ts t r e s sa p p e a r s o nt h et e n s i o ns i d eo ft h ec o n n e c t i o n s t h e r e f o r e ，i ti sa d v i s a b l et oa s s e s st h ejo i n t s t i g h t n e s sb yu s i n gg a s k e ts t r e s so nt h et e n s i o ns i d e ( 4 ) e f f e c t so fe x t e m a lb e n d i n gm o m e n ta n dn o m i n a ld i a m e t e ro ff l a n g eo n g a s k e ts t r e s sd i s t r i b u t i o na n dl e a k a g er a t eo ft h ec o n n e c t i o n sw e r es t u d i e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h eg a s k e ts t r e s so ft h eb o l t e df l a n g e dc o n n e c t i o n sr e d u c e sa n dt h e l e a k a g er a t ep e ru n i tp e r i m e t e ri n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gb e n d i n gm o m e n t s t h e g a s k e ts t r e s so nt h et e n s i o ns i d ei n c r e a s e sa n dt h el e a k a g er a t ep e ru n i tp e r i m e t e r r e d u c e sw i t hi n c r e a s eo ft h ef l a n g en o m i n a ld i a m e t e ru n d e rp r e s c r i b e db o l tl o a da n d e x t e r n a lb e n d i n gm o m e n t ( 5 ) s a f ew o r k i n gc o n d i t i o n sb a s e do nt h et i g h t n e s so fb o l t e df l a n g e dc o n n e c t i o n s w e r ep u tf o r w a r d ，a n dt h ee n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o do ft h ec o n n e c t i o n ss u b j e c t e dt o e x t e r n a lb e n d i n gm o m e n t sw a sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h es t r e n g t ha n ds e a l i n gd e s i g n r u l e s k e y w o r d s ：b o l t e df l a n g e dc o n n e c t i o n ；e x t e m a lb e n d i n gm o m e n t ；t i g h t n e s s ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；p a r a m e t r i cs t u d y 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 螺栓法兰连接垫片的试验研究2 1 2 1 垫片常温性能的试验研究2 1 2 2 垫片高温性能的试验研究3 1 3 螺栓法兰连接的分析计算方法5 1 3 1g b l 5 0 - - 1 9 9 8 规范方法5 1 3 2 螺栓法兰连接的紧密性分析方法5 1 3 3a s m e 规范新方法一p v r c 法5 1 3 4e n l 9 5 1 方法6 1 4 外弯矩作用下螺栓法兰连接结构的研究7 1 5 本文的主要研究内容9 第二章法兰连接的垫片性能试验研究1 1 2 1 试验装置和试验条件1 2 2 1 1 试验装置及原理1 2 2 1 2 试验条件及方案一1 4 2 2 垫片压缩回弹性能试验15 2 2 1 试验内容一1 5 2 2 2 试验步骤一15 2 2 3 试验结果分析1 5 2 3 垫片密封性能试验18 2 3 1 试验内容一1 8 2 。3 2 试验步骤一18 目录 2 2 3 试验结果分析一1 9 2 4 本章小结2 2 第三章承受外弯矩作用的法兰连接的有限元分析2 3 3 1 法兰连接的基本参数2 3 3 1 1 法兰、螺栓和垫片的选取一2 3 3 1 2 法兰连接结构的材料参数一2 6 3 2 螺栓预紧载荷的计算2 6 3 3 法兰连接的有限元分析2 7 3 3 1 有限元计算方案及计算流程一2 7 3 3 2 有限元分析模型的建立一2 9 3 4 法兰连接的有限元计算结果3 2 3 4 1 法兰的强度校核一3 2 3 4 2 法兰的应力分布一3 9 3 4 3 螺栓的应力分布与强度校核一4 1 3 5 本章小结4 2 第四章承受外弯矩作用的法兰连接的紧密性研究4 4 4 1 垫片应力的有限元计算结果4 4 4 1 1d n 8 0 法兰连接一一4 4 4 1 2d n 2 0 0 法兰连接一4 5 4 1 3d n 3 0 0 法兰连接一4 6 4 1 4d n 4 0 0 法兰连接一4 7 4 1 5d n 5 0 0 法兰连接一4 8 4 1 6d n 6 0 0 法兰连接一4 9 4 2 对有限元计算结果的分析5 0 4 2 1d n 8 0 法兰连接5 0 4 2 2d n 2 0 0 法兰连接一51 4 2 3d n 3 0 0 法兰连接一5 2 4 2 4d n 4 0 0 法兰连接一5 3 4 2 5d n 5 0 0 法兰连接一5 4 硕士学位论文 4 2 6d n 6 0 0 法兰连接一5 5 4 3 法兰连接的紧密性分析5 6 4 3 1 紧密性评价方法一5 6 4 3 2 泄漏率的计算5 7 4 4 本章小结5 8 第五章承受外弯矩作用的法兰连接的工程设计方法5 9 5 1 外弯矩和公称直径对垫片应力的影响5 9 5 2 外弯矩和公称直径对泄漏率的影响6 0 5 3 螺栓法兰连接的安全操作条件6 1 5 4 法兰连接的工程设计方法6 4 5 4 1 设计准则一6 4 5 4 2 设计方法一6 4 5 5 设计示例6 5 5 6 本章小结6 5 第六章结论与展望6 6 6 1 结论6 6 6 2 展望6 7 参考文献6 8 在读期间发表的论文7 4 致谢7 5 硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 随着科学技术的发展，工业生产中高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性、剧毒 和放射性等介质的工况日益增多。这些系统一旦产生泄漏，不仅浪费能源和材料， 而且污染环境，甚至造成人员伤亡及财产损失等严重危害。为此，现代工业对流 体密封提出了愈来愈严格的要求，并采取一些检漏方法进行监测。定量控制泄漏 量，延长密封元件的使用寿命，提高密封系统可靠性是节约能源，保护环境，安 全生产十分迫切的要求【lj 。 螺栓法兰连接是石油化工管道系统中管道与管道以及管道与设备之间的主 要连接形式。石油化工管道系统中，螺栓法兰连接系统除了承受温度、介质压力 和螺栓载荷外，还可能承受由管道系统作用引起的附加载荷以及其他随机载荷。 从上世纪七十年代以来，世界上许多工业发达国家设立专门的研究机构，投入大 量人力和物力对螺栓法兰连接进行一系列研究，这些研究主要集中在密封机理、 密封材料、元件性能、连接设计方法等方面【2 9 】。但近年来许多学者【胁1 3 1 发现外 弯矩对于法兰连接的紧密性影响较大，它不仅能够导致法兰和螺栓严重变形，而 且可以导致连接泄漏。因此研究外载荷对于连接紧密性的影响己成为密封研究领 域的一个新热点。目前，国内关于螺栓法兰连接的研究在于承受内压及温度载荷 条件下的法兰的结构强度【1 4 】、连接系统的紧密性及连接系统的寿命预测【1 6 1 8 】、 垫片材料的机械及密封性能【1 9 2 1 1 、垫片新材料的开发2 扛2 3 1 等方面。有关承受附 加载荷作用的螺栓法兰连接结构的试验研究仍处于探索阶段。 螺栓法兰连接承受的外载荷包括弯矩、扭矩和轴向力等，其中弯矩对于连接 的性能影响最大。弯矩使法兰连接所受载荷由轴对称转变为非轴对称，引起了垫 片应力的重新分布，从而增加了法兰连接受载情况的复杂性，所以外弯矩是当前 研究外载荷对法兰连接性能影响的重点。因此，本文主要研究外弯矩对法兰螺栓 连接的作用。 螺栓法兰连接主要的失效形式是强度失效和密封失效。法兰连接结构复杂， 结构参量甚多，载荷也相当复杂，只通过实验建立强度失效和密封失效的表达式 是很困难的，最好能通过有限元建立恰当的模型，以得到法兰连接失效的表达式。 法兰所能承受的最大弯矩直接反映了法兰的承载能力，也反映了连接的完整性， 第一章绪论 最大弯矩作用下法兰的泄漏情况反映了法兰连接的紧密性。完整性和紧密性是连 接性能评定的重要依据。综上所述，研究外弯矩对于螺栓法兰接连接的影响是完 善法兰设计理论与方法的一项主要内容，也是一个有重要工程价值的课题。 1 2 螺栓法兰连接垫片的试验研究 在螺栓法兰连接中，垫片是影响连接紧密性的关键性元件，因此，垫片的力 学性能和密封性能研究一直是螺栓法兰连接研究中的重点【2 4 1 。 1 2 1 垫片常温性能的试验研究 美国压力容器委员会( p v r c ) 下设的螺栓法兰连接分会( b f c ) 于1 9 7 4 年 就开始对垫片常温性能进行系统的研究，应美国机械工程师学会( a s m e ) 锅炉和压 力容器规范要求进行垫片系数m 和y 的评定工作即“垫片试验i ”1 2 川。在1 9 7 4 至1 9 8 3 年期间的研究中采用了美国材料试验学会( a s t m ) 标准，对几种石棉垫和 缠绕垫进行了常温氮气和水密封试验，研究装配应力和表面光洁度对密封性能的 影响，以及m 和y 与垫片宽度、预紧载荷、泄漏率和介质压力之间的相互关系， 由于试验得到的各参数之间关系复杂，因此提出需要更加广泛的试验研究。美国 的r a u t ，l e o n 和b a z e r g u i t 2 6 2 7 1 对垫片试验i 进行了总结，并在真实法兰上进行 了垫片试验，采用状态方程法检漏，选用压缩石棉垫片和缠绕式垫片两种试验垫 片。试验考虑的参数是垫片宽度、厚度、螺栓载荷、内压及泄漏率，介质为氮气 和水。试验结果表明，垫片系数m ，y 是泄漏率的函数。 1 9 7 9 年p v r c 联合a s m e 、a n s i ( 美国国家标准协会) 、a p i ( 美国石油协会) 、 a s t m ( 美国材料试验协会) 等制订了一个广泛垫片试验计划，即“垫片试验计划 i i 2 8 2 9 】，组成了垫片试验课题组( t go ng t ) 。该计划主要包括为了全面揭示 上述各参数对几种典型垫片的影响的里程碑试验，以及作为提供更有效的规范形 式设计参数和a s t m 试验标准基础的生产试验。b a z e r g u i 和m a r c h a n d l 3 0 】总结了 “垫片试验计划工i ”的p v r c 里程碑试验。试验方法和结果是与文献 2 9 基本一 致。不同之处在于里程碑试验研究了垫片的压缩回弹特性，发现垫片的压缩回弹 曲线是非线性、非保守的。试验研究了垫片在不同加载方式下的泄漏特性，发现 泄漏率的大小与垫片加载方式有关；垫片在卸载时的泄漏率小于加载时的泄漏 率；泄漏率随垫片压缩量的增加而减小。b a z e r g u i ，m a r c h a n d 和r a u t 3 1 】对生产 试验的设备和方法进行了总结，试验选用了缠绕垫片、柔性石墨垫片等五种垫片。 硕士学位论文 泄漏率试验分别在模拟法兰装置和真实法兰装置上进行，垫片的力学性能在万能 试验机上进行。并对垫片的蠕变特性作了研究，试验发现垫片蠕变量与时间之间 存在对数函数关系。经过三十多年的研究，p v r c 已经取得了许多富有成效的研 究成果【2 4 i ，对垫片常温性能有了充分的了解。 德国的h e t t i c h 3 2 3 3 1 等人研究了垫片在动态剪切应力作用下的特性，并建立 了相应的本构关系。m i c h e e l y 3 4 1 和k a m p k e s 3 5 1 则在考虑石棉橡胶垫片密封性能的 基础上研究了法兰连接的整体性态，探讨了垫片微观几何结构对泄漏特性的影 响。奥地利r a j a k o v i c s 和g u 【3 6 】等则对多种常用的检漏方法作了大量理论和实验 研究，分析了检测环境和条件改变对检测结果的可能影响，对检测结果的重复性、 比较性以及常用检漏方法的精度和测量范围作了深入探讨。 1 2 2 垫片高温性能的试验研究 在高温和氧化介质等的作用下，垫片及螺栓发生蠕变和应力松弛，垫片材质 发生氧化或热分解等，这对连接密封性能的影响比常温显著得多。高温会降低垫 片的回弹能力和实际的密封性能，介质压力和温度的联合作用是导致密封失效的 主要原因。 1 9 8 2 年，p v r c 下设的螺栓法兰连接分会( b f c ) 与高温设计分会( e t d ) 组成了垫片试验与高温连接性能研究小组，启动了垫片高温性能研究计划【3 列，开 始了一系列垫片连接在循环高温载荷下的性能实验和分析工作。该研究探讨了螺 栓法兰连接在高温条件下的密封机理，确定了引起法兰连接高温泄漏的因素及各 因素之间的关系，并提出了能减小法兰高温泄漏的设计方法。 1 9 8 7 年，b a z e r g u i ，m a r c h a n d 和p a y n e 研制出了垫片热态密封试验装置 3 8 1 ， 并于1 9 8 8 年开始了对热态垫片特性的系统性试验研究【3 9 1 。该研究讨论了垫片应 力、蠕变或应力松弛对系统紧密性的影响。在与实际操作工况相近条件下，对受 温度、介质压力共同作用时的非石棉垫片和缠绕垫片进行了试验研究。试验结果 表明：垫片的密封性能会由于温度和介质压力的共同作用而显著下降，垫片在高 温下产生蠕变和应力松弛，并且蠕变速度比常温快得多，从而降低了垫片紧密性。 法国的b i r e m b a u t 和b r a v o 4 0 】在1 9 8 8 年以石棉橡胶缠绕垫片和压缩石棉垫片 为例研究了高温对垫片力学和密封性能的影响，初步探索了温度、介质压力、流 体共同作用对垫片的影响。试验结果表明：垫片压缩量随温度的增加而增加；垫 第一章绪论 片泄漏率随温度升高而急剧增大；室温下泄漏率随垫片预紧载荷的增大而减小。 1 9 9 0 年，p v r c 对常用的以石棉和绿泥石一石墨为非金属填充材料的两种缠 绕垫片的高温特性进行了研究【4 ，该试验研究了垫片应力昆、氦气压力p 、垫 片温度丁和泄漏率三的关系以及泄漏率随时间的变化情况。试验通过对得到的常 温和高温下垫片密封特性的对比，发现以绿泥石一石墨为填充材料的缠绕垫的高 温特性不如常温特性好，石棉缠绕垫片常温特性与高温特性大体相同。 d e r e n n e ，m a r c h a n d ，p a y n e 和b a z e r g u i 4 2 】在1 9 9 4 对由石棉和石墨两种材质 组成的平垫片和缠绕垫片在高温下的各种性能进行了试验，研究结果表明：石棉 橡胶垫片的外环材料在高温长时间下具有良好的力学性能；当垫片位移保持恒定 时，高温下柔性石墨垫片材料的蠕变松弛对连接系统的紧密性有明显影响；高的 气体压力能够阻碍石墨填充材料的外部氧化，内环对该种垫片的紧密性影响不 大，在加载时它阻碍了发生在垫片内圆周的局部弯曲，但仍不清楚内环是否增加 了垫片的刚性；垫片进行时效试验得出的质量损失与泄漏量相关，并建立了橡胶 垫片在高温时效时的质量损失与力学性能及密封性能的关系，这种关系被认为有 可能成为垫片性能量化的方法。 19 9 7 年，b o u z i d 和c h a a b a j l 【4 3 j 指出螺栓法兰连接会由于蠕变、热膨胀和热老 化而导致垫片密封应力有所降低，从而在试验后的某一时间导致泄漏的产生。 a s m e 已经注意到高温下螺栓法兰连接的松弛性能，但在设计和使用中都没有给 出相应的指导。b o u z i d 和c h a a b a n 通过对在真实螺栓法兰连接装置上获得的试 验结果和所建立的有限元模型的研究提出了松弛分析的基本的分析手段，并编制 了计算机程序，能精确预测螺栓法兰连接的松弛以及估计出现泄漏的时间。 国内在垫片高温压缩回弹和密封性能方面也进行了一些研究。燕山石化大修 厂首先在国内建成了高温垫片试验装置，随后华东理工大学蔡仁良等【4 4 卅】也建 成了高温试验装置。中国石油大学阎国超，李晓静，赵正修【4 8 】在研制的高温法兰 装置上按国外推荐的高温试验方法对不锈钢石棉缠绕垫片高温性能进行了研究， 得到了垫片应力与变形关系的曲线、垫片应力和泄漏关系曲线。华东理工大学郑 建荣【4 圳研究了组合垫片法兰连接在2 4 0 。c 下的密封性能。 南京工业大学朱洪生、顾伯勤等【5 0 5 3 1 研制出了多功能垫片试验机和垫片高温 性能试验装置，并在实验装置上对石棉橡胶垫片、缠绕垫片、金属包覆垫片等进 4 硕士学位论文 行了力学性能和密封性能研究，对垫片的密封机理、性能研究进行了广泛探索。 通过对不同温度下垫片性能的研究，得到了可以表征该垫片压缩回弹特性、应力 松弛特性、密封特性和蠕变特性的公式，并且通过对试验数据的回归分析得到公 式中的系数。这些研究已经在石化企业得到了应用，为消除石油化工企业中的泄 漏等问题，确保石化装置的高效、连接、安全、长周期运行提供了技术支持。 1 3 螺栓法兰连接结构的分析计算方法 1 3 1g b l 5 0 - - 1 9 9 8 规范方法 我国g b l 5 0 - - 1 9 9 8 5 4 1 中采用的分析设计与美国a s m e 中螺栓法兰连接的分 析设计方法是致的，认为为了保证法兰连接系统的紧密不漏，必须满足以下条 件：( 1 ) 必须在预紧时，使螺栓力在压紧面与垫片之间建立起不低于y 值的比压 力；( 2 ) 工作时，螺栓力应能够抵抗内压的作用，并且在垫片表面维持m 倍内 压的比压力。在此基础上通过对螺栓、法兰的强度校核进行连接系统的设计计算。 其中螺栓的预紧、操作载荷分别为 彬= 砌d 。y( 1 1 ) = _ 7 c 。2 p + 2 6 加。p ( 1 - 2 ) 式中矾、分别为预紧和操作条件下所需的最小螺栓载荷，n ； d m 为根据规范要求确定的垫片载荷作用中心圆计算直径，m m ； 尸为介质压力，m p a ； b 为垫片有效密封宽度。 而法兰应力则采用w a t e r s 法进行。 1 3 2 螺栓法兰连接的紧密性分析方法 南京工业大学1 9 8 7 年率先提出了紧密性概念和紧密性设计方法【2 3 】。研究探 索了垫片压缩回弹特性和基本密封特性及其公式表达方法，以此较全面、正确地 表征了垫片的基本性能；在考虑垫片非线性、非保守的力学性态的前提下，通过 对连接的变形协调分析建立满足系统紧密性要求时系统结构、螺栓载荷与工况条 件之间的关系。其认为连接系统中，各元件的变形量满足变形协调方程 5 5 】： d k d 0 = l b 2 一l b l + 2 0 d f 2 一d _ 1j + d r ( 1 3 ) 式中d 小d g 分别为预紧和操作时的垫片压缩量，m m ； 第一章绪论 珞j 、l b 2 分别为预紧和操作时螺栓的长度，m n l ； d r l 、翰分别为预紧和操作时在螺栓孔中心圆处的法兰挠度； d r 为垫片变形量，m m 。 该方法将垫片的泄漏特性与连接的系统刚度相联系。在已知螺栓预紧载荷和 操作工况下，利用式( 1 。3 ) 可求得操作时垫片的残余压紧应力，结合垫片密封 性能公式，求得系统的泄漏率；或根据规定的指标泄漏率，结合工况条件，利用 式( 1 3 ) ，求得使连接系统达到泄漏率指标时所需的螺栓预紧载荷。 1 3 3a s m e 规范新方法p v r c 法【5 6 】 在试验研究和分析的基础上，a s m e 提出了表征垫片密封性能和确定螺栓载 荷的新方法，即“p v r c 方法”。p v r c 法中的一个显著特点是考虑了连接的“紧 密度”这样一个概念。以紧密度作为设计的基本准则，通过紧密度把压力和泄漏 率结合起来表明静密封连接的密封能力。对垫片而言，紧密度是度量在给定螺栓 载荷下连接限制泄漏的能力。定性上，紧密度与密封压力成正比，与泄漏量成反 比，因此一个连接的紧密度在载荷一定的情况下，越高越好。在p v r c 方法中， 将紧密度分为五个等级，经济级，标准级，紧密级，严密级和极密级，其中标准 级定义为质量泄漏率为2 1 0 一m g s r a i n ，这可满足一般工业的要求。 p v r c 法的第二个特点是提供了以大量试验数据和科学归纳为基础的新的 垫片常数g 6 ，a ，伉。对某一特定的垫片，g 6 和a 就完全确定了加载曲线，g 6 和a 的值较低则表明垫片需要较低的预紧应力，因此这两个系数就代表了垫片的 预紧特性。g 所代表的是垫片在卸载一再加载循环操作时的特性，因此它表明 了垫片的操作特性，联系了规范中的系数m ，g s 较低则表明垫片只需要较小的应 力就可以维持操作时的密封性能，较高则反之，因此这个系数是越低越好。 引入了新的垫片系数以后，相应的螺栓力的计算也进行了修订。新方法中螺 栓力的计算考虑不同的紧密度，根据实际工程需要，确定相应的紧密度级别，这 样可以兼顾经济性要求和紧密性要求。 1 3 4e n l 5 9 1 方法恻 1 9 9 7 年欧盟标准化委员会( c e n ) 对螺栓法兰连接提出了一个新的计算标准 e n l 5 9 1 1 “法兰及其连接垫片圆形法兰连接的设计规则第一部分：计算方法”。 该计算方法要求满足强度和密封两个准则，考虑了法兰一螺栓一垫片系统的全程行 硕士学位论文 为。计算考虑装配和操作两种状况，对每种状况考虑内外机械载荷和温度载荷作 用，分别进行密封性和机械完整性计算。密封性通过对法兰连接各部件之间的载 荷一变形关系的弹性分析，计算出装配状况和随后各种操作状况下的垫片应力。 因为垫片应力反映了泄漏率的大小，所以演算合格就是满足了法兰连接的密封准 则；机械完整性则利用弹性或塑性极限分析，分别对螺栓、垫片和法兰的极限承 载能力进行核算，并以载荷比的形式表示。 按e n l 5 9 1 1 计算同样需要用到垫片参数。c e n 制订了一个新的欧洲草案标 准p r e n l 3 5 5 5 “法兰及其连接一垫片圆形法兰连接的设计规则用垫片参数和实验 方法”。p r e n l 3 5 5 5 规定了需要满足e n v l 5 9 1 1 要求的垫片材料和垫片参数，以 及确定这垫片参数的试验方法。p r e n l 3 5 5 5 中的垫片参数表达了垫片的两类特 性：变形特性和密封特性，更全面、更实质地反映了垫片的重要特性，而这些垫 片参数又都是可以通过实验加以确定的。 1 4 外弯矩作用下螺栓法兰连接结构的研究 国外对于承受附加载荷的法兰连接的研究始于2 0 世纪5 0 年代。对于外弯矩 的问题，理论研究的难度较大，需要对力学模型做诸多的简化，导致计算结果有 较大误差，尤其是当垫片材料为非线性时，问题就更复杂了。所以到目前为止， 有意义的理论研究结果不多。随着计算机水平的进步，模型越来越与实体相接近， 并且对材料和载荷的模拟也越全面，所以通过建立三维模型来解决法兰螺栓的连 接问题的有限元法成为主要的研究手段。 1 9 5 0 年，b l i c k 5 7 1 假设操作过程中螺栓应力保持不变，计算垫片应力的变化， 将其限制在一定范围内。 1 9 7 1 年，i t o 和m a s u k o 【5 8 l 基于w a t e r s 法将法兰分为筒体、锥颈及法兰环三 部分，将所分析的简体和锥颈连接面增加一个当量弯矩，然后进行法兰的受力分 析，但是如何确定增量大小没有得到解决。 1 9 8 4 年，英国的n a u 5 9 1 所做的大型法兰密封的计算机模拟成为早期较有成效 的有限元计算。n a u 的主要工作是预测垫片与法兰触面上应力的分布。他首先模 拟了螺栓的预紧状态，在此期间法兰变形和相应的垫片应力是假设流体压力为零 和螺栓载荷不变而进行计算的。紧接着模拟了工作状态，即流体压的操作状态， 螺栓载荷随法兰位移的变化而变化。对于这两种状态，为保证垫片应力分布和法 第一章绪论 兰变形的一致性，采用了迭代法。研究对象是两维的有限元模型。n a u 的整个计 算过程是合理的，但是由于当时计算机水平的限制，不可能在这个方面做很多研 究工作。 b l a c h 和l i g u o 9 1 于1 9 9 2 年在进行外载荷下法兰的受力分析时，假设法兰所 受的拉应力和垫片所承受的压应力不变，忽略了操作过程中螺栓载荷的变化和垫 片预紧与卸载时应力的变化。b l a c h 通过建立法兰的力矩平衡方程，引出几何形 状系数a 来修正当量内压法，a 与弯矩和内压均无关系，只与法兰和垫片的几何 形状和尺寸有关系。 1 9 9 6 年，k o v e s 6 0 】基于板壳理论提出了弯矩修正因子丘，兀的意义为抵抗外 弯矩的扭转阻力。 19 9 8 年，加拿大学者b o u z i d 6 1 1 对外载荷下连接的紧密度进行了理论研究， 并率先对该问题建立了三维有限元模型进行分析，螺栓以梁单元代替，将其加在 法兰外表面，给梁单元一初始位移代表预紧力。不考虑螺栓的径向和周向应力。 认为垫片材料为线性，具有一般材料的特性，其中层被固定；垫片的径向位移视 法兰和垫片的接触情况而定，表面摩擦力以表面单元模拟。外弯矩相当于作用在 管道圆周按余弦分布的应力。在法兰的弹性范围和垫片的线性范围内，其结果与 实验接近，因而准确度较高。 c h a r l e s 6 2 1 等人于1 9 9 8 年通过建立三维有限元模型研究软质的垫片材料和缠 绕垫片两种情况下的垫片应力和法兰应力，外载荷包括温度和弯矩。研究结果表 明，螺栓预紧力、内压、热梯度以及外弯矩对垫片应力影响较大，其中外弯矩影 响最大。垫片密封的程度取决于垫片的变形与法兰变形二者之间的相互协调性， 即垫片的回弹性。对于n p s 2 4c l a s s l 5 0 法兰，软质材料的垫片的回弹性比缠绕垫 片好，在同样外弯矩作用下密封性能也较好。缠绕垫片较常见的问题是外弯矩较 大时，垫片与法兰接触面容易分离。c h a r l e s 的研究没有用间隙单元或其它专门 单元模拟垫片，并且假定垫片的弹性模量不变。实际上，软质材料的垫片均表现 出非线性的材料特性。 s h o j i 等人曾用两种方法研究螺栓法兰的连接问题。第一种方法是采用二维 有限元法1 6 引，垫片用杆单元模拟，材料为非线性，通过给定其初始应变模拟螺栓 预紧操作。鉴于垫片应力难以正确测量，s h o j i 等人计算了预紧和操作条件下的 垫片应力，但较实验值偏高。s h o j i 的二维有限元计算较简单，没有涉及到外弯 8 硕士学位论文 矩的问题。第二种方法是采用三维有限元方法【6 4 】，由于二维方法不能讨论螺栓孔 的影响，他重点研究了螺栓孔对垫片应力和法兰应力的影响，并考虑t ； i - 弯矩的 影响，结果表明，在外弯矩的作用下垫片应力分布更不均匀。该研究成果为如何 用有限元法研究外弯矩作用下的法兰接头问题指明了方向。 2 0 0 0 年，日本学者s a w a1 6 5 j 将螺栓法兰连接作为法兰、垫片、螺栓相互作用 的整体来研究。假设法兰和垫片