螺栓法兰接头安全密封技术(三)——法兰的设计选用及其承载能力评估

Taylor-Waters法与相应的设计工况下载荷确定规则及其应力判据三者构成一个完整规则,被各国规范应用于非标法兰的强度校核。标准法兰按标准规定的压力-温度额定值选用是安全的。最大螺栓预紧力是控制法兰接头泄漏的关键,而法兰的承载能力评估是决定最大螺栓预紧力的重要因素。法兰承载能力评估可采用公式计算、弹性应力分析、弹-塑性有限元分析等方法,并建立相应的应力分类判据、应变或转角判据。     

基于有限元法的法兰工程设计软件开发

为实现非标设备法兰的分析设计和优化设计,建立了整体法兰参数化有限元分析模型,根据Taylor-Waters法兰应力分析和压力容器分析设计中应力分类准则,给出了基于有限元法的法兰强度与刚度计算方法和校核判据,采用ANSYS参数化设计语言和VB编程工具,开发了基于有限元法的法兰工程设计软件CFFEA。应用该软件对某工程中的非标设备法兰进行了优化设计,优化结果符合ASMEⅧ-2-4.16的规定。     

压力容器设备法兰及法兰螺栓材料的代用与强度校核

本文通过压力容器设备法兰和法兰螺栓材料代用后的强度校核，对影响法兰设计力矩和法兰应力值的有关因素进行了探讨，从而提出了设备法兰与螺栓材料代用的最优方案。     

钢制冲压活套法兰的有限元分析及其应力分类校核

钢制冲压活套法兰(简称冲压活套法兰)是一种新型的非标管法兰,对该法兰进行了介绍,并对其结构及特点进行了详细阐述。首先使用Solid Works三维制图软件建模,通过与ANSYS Workbench之间的无缝连接导入有限元软件,进行有限元分析及应力分类后,根据JB 4732中应力强度校核标准进行校核。结果具有参考价值,可为冲压活套法兰的推广使用及优化设计提供参考。     

关于螺栓法兰垫片连接接头密封性能研究概述

螺栓法兰垫片接头是压力容器中常用的静密封连接形式。工程上常常采用泄漏率来表征其紧密性。本文从螺栓法兰垫片接头的泄漏率计算模型、密封泄漏失效预测模型和影响螺栓法兰垫片系统的关键因素对其密封性能进行文献综述,为螺栓法兰连接结构设计与泄漏率控制提供参考。     

提高法兰连接密封可靠性的最大螺栓安装载荷控制技术

确定螺栓安装载荷是走出法兰设计选用的认识误区,解决法兰接头泄漏的核心问题。螺栓材料抗松弛适用温度应大大低于螺栓材料最高设计温度,螺栓安装应力应大大高于螺栓材料许用应力。垫片蠕变松弛是螺栓安装载荷(垫片应力)降低,并导致泄漏的重要因素。最大螺栓安装载荷只要控制螺栓不发生屈服、垫片不压溃、法兰不发生影响垫片密封的过大变形。按WRC 538或ASME压力容器规范进行法兰安装工况下的应力和转角(应变)评估。     

高温法兰连接结构的有限元模拟及安全评定

利用ANSYS软件分析了高温螺栓法兰连接系统在预紧、承压及热-机操作工况下的应力和变形行为,并基于强度分析和密封分析对螺栓法兰连接进行了安全评定.结果表明：不同工况下,应力具有相似的分布规律,法兰最大应力在螺母与法兰接触面的内侧,上、下法兰应力分布具有对称性;螺栓应力呈现拉弯组合形变,最大应力出现在由中间向两端第一个螺纹根部;垫片应力在各工况下均呈现为外大内小,密封面压力均大于满足密封要求的最小压紧力,法兰的转角均小于0.3°,满足法兰刚度要求,强度分析和密封分析均满足要求,具有良好的紧密性,给出了一种工程分析方法.     

螺栓法兰接头安全密封技术(四)——垫片应力

虽然垫片成本相对较低,但在保证法兰接头的密封性能、控制泄漏方面却起着关键的作用。当法兰接头发生泄漏时,人们往往容易归因于垫片,其中固然有垫片本身的原因,但更多的是法兰连接系统的设计或安装使用中存在的问题,最终通过垫片密封失效的形式表现了出来。在法兰接头安装后到投入使用,垫片应力受到众多因素的影响而发生改变直至减小。当垫片应力降低到低于设计密封要求时,将导致法兰接头的密封失效、发生泄漏。分析了影响垫片应力的因素及其原因,提出从螺栓预紧后直至维持长期运行过程中,垫片应力经历了一个逐渐衰减的过程。要弥补或减小这样的影响,维持法兰接头的密封状态,在垫片和螺栓许用强度范围内,安装垫片应力应尽可能大,即安装螺栓载荷应足够大。     

非线性性质垫片的螺栓法兰联接泄漏分析

提供螺栓法兰联接的模型;通过平衡图形的分析以计算垫片和螺栓的载荷。已知垫片载荷—泄漏率相互关系来校核联接处的密封能力。对三维图形分析进行了讨论。推导出法兰环旋转角的近似公式。对非线性性质垫片的实例进行了研究。     

压力容器法兰的设计

结合实际工程经验介绍了压力容器标准法兰的选用要点,非标法兰、无垫片焊接密封法兰和无垫片焊接密封反向法兰的设计方法。     

氧气冷却器填料函设计与校核

填料函是填料函式换热器的重要部件,根据GB151-1999《管壳式换热器》无法确定填料函所有的结构尺寸。针对此问题,本文在标准法兰的基础上提出一种填料函设计方案,主要包括填料函法兰内径设计、填料函法兰选型、填料函厚度设计和填料函高度设计。基于本文提出的设计方案完成氧气冷却器填料函设计,并参照GB150-2011《压力容器》进行填料函法兰校核,采用有限单元法进行填料函设计方案校核,结果表明:填料函设计方案满足螺栓面积、间距以及填料函应力和刚度要求,笔者提出的填料函设计方案是可行的,本文的填料函设计方案与校核方法可为相关科技人员参考。     

基于有限单元法的法兰连接中的接触分析

应用ANSYS软件对法兰接头结构进行建模和网格划分,并且对法兰与螺栓接触处做了非线性接触分析,得到了在设计压力下螺栓结构的应力分布和变形。之后分别对整体模型和螺栓模型做出了应力强度分析。按照JB4732—1995《钢制压力容器-分析设计标准》对危险截面进行应力强度评定。分析结果表明,强度满足要求。     

压力容器法兰和主螺栓的疲劳校核

由于生产发展和设计需要,疲劳分析已逐步提到日程上来了。国内亦已在准备压力容器设计的应力分析篇,其中也有疲劳分析部分。疲劳分析的关键在于循环应力 S_a 或应力集中系数的确定。查阅 ASME 和 BS5500疲劳分析部份,未见法兰和主螺栓的分析方法,文献中介绍的疲劳强度校核,在法兰和主螺栓的应力分析中,采用最安全的而实际是不可能达到的循环应力,得出主螺栓只能用两年的结论,值得进一步探讨。根据法兰和主螺栓的连接情况,预紧时,开车时和正常操作时的应力变化,在西德标准DIN2505中有比较详细的分析和说明。     

JX-WG128型压力蒸汽灭菌器法兰泄漏分析及改进

法兰螺栓连接是一种在化工、制药设备中最常用的管道连接方式,具有结构简单,拆卸方便,接合强度高,密封性能好等优点,但失效泄漏是典型的密封失败的表现。本文根据香菊集团JX-WG128型压力蒸汽灭菌器在生产过程中发生法兰接口泄漏事件,分析了法兰片的选用和安装,预紧力的校核,密封垫片的选用等因素,提出解决法兰泄露的方案。本设计对法兰接头提出新型改进措施,对同类企业具有参考价值。     

长颈法兰偏转角的解析算法

螺栓法兰连接是石油、化工、核能、电力等部门压力容器和管道广泛采用的一种连接形式,其密封连接是否可靠直接关系到生产装置的安全运行和现场操作人员的安危。其失效极少是因强度不足引起的,泄漏是连接系统失效的主要原因。在真实螺栓法兰连接结构中,螺栓载荷和内压的作用使法兰发生偏转,法兰偏转引起垫片接触应力分布不均匀,垫片的局部接触应力对螺栓法兰连接结构密封性能的影响较垫片的平均压紧应力更大。文章在Warters法的基础上,考虑了操作压力的影响,对法兰变形进行理论分析,推导了法兰偏转角的计算公式,这为垫片接触应力分布的解析计算研究奠定基础。     

筒体吊装系统校核计算

某压力容器筒体的吊装包括翻转、平移、就位等过程,吊装系统各构件强度应满足吊装全程各种状态的要求。对主吊梁与筒体端面法兰联接处进行了详细受力分析,重点分析了紧固螺栓与主吊梁圆弧板法兰止口之间受载分配。以受力分析为依据,校核了紧固螺栓的承载能力和抗拉强度,完成了主吊梁结构、连杆结构等构件的强度分析、焊缝校核等工作,使理论计算成功指导了筒体吊装施工。     

三瓣式快开卡箍结构的有限元应力分析

在实际工程设计的基础上,利用ANSYS Workbench软件对控制非标准件球冠封头与筒体法兰开启闭合的三瓣式快开卡箍结构进行了有限元静力学分析,并采用了压力容器常用的线处理方法对各危险截面的应力进行了分类与校核,分析结果满足相应的应力校核标准。从而确定了非标准件设计的合理性,为三瓣式卡箍结构的设计提供了理论依据和参考。     

基于螺栓力的法兰接头泄漏率预测模型研究

螺栓法兰接头在石化装置中应用广泛,也是频繁泄漏部位之一,主要是由于螺栓力不足导致密封垫片应力下降从而引起泄漏,因此接头运行过程中螺栓力变化对于其密封性能至关重要。针对该问题,提出以泄漏率为指标,研究法兰接头螺栓力与垫片应力的关系,构建基于螺栓力的法兰接头泄漏率模型,并开展接头螺栓力和泄漏率试验,验证模型可靠性。实验结果表明,随着内压升高,螺栓力增大、垫片应力下降,螺栓力和垫片应力存在单调对应关系,垫片应力理论计算值与试验值之间对应较好,接头泄漏率理论值同实验值相比具有较好的可比性。因此,基于接头螺栓力预测泄漏率是可行的,同时该模型对于监测法兰接头服役过程中螺栓力的变化具有重要的理论意义。     

焦炭塔法兰应力分析计算

采用有限元分析软件ANSYS,对焦炭塔法兰在设计条件下的应力进行分析计算,依据JB4732-95对其进行强度校核。分析计算结果可知,该法兰强度符合要求,设计合理。     

快开压力容器螺栓法兰的设计

在受预紧螺栓力矩控制的法兰设计中,存在法兰厚度随螺栓个数增加而增加的不合理现象,其原因在于为了满足螺栓间距而增加螺栓个数导致法兰力矩增加。提出了应在设计图纸上标明螺栓应力和螺栓拧紧力矩的观念。从法兰和垫片变形协调条件推导了螺栓最大间距理论公式。