高温下螺栓-法兰-垫片系统密封性能研究

温度和内压载荷对螺栓法兰连接的密封性能有着显著的影响。采用有限元技术,对DN100mm,PN40 MPa的管法兰连接进行了热及结构分析,探讨了高温稳态工况下法兰、垫片和螺栓的温度分布,分析了预紧、加压和升温后的螺栓以及垫片的应力变化。结果表明,法兰、螺栓以及垫片沿径向存在温度梯度;内压作用后垫片应力明显降低;升温后垫片外侧应力减小,内侧应力增大;加压及升温后螺栓应力均增大。     

大口径法兰三维力学有限元分析

建立了螺栓法兰联接大口径法兰的三维有限元模型，在考虑垫片非线性和接触非线性的基础上，研究了预紧工况和承压工况下螺栓、垫片等元件的受载与变形情况。研究表明螺栓外侧应力与预紧力成正比且随着内压的升高而增加：螺栓内侧应力与预紧力成正比但随着内压的升高而降低；法兰偏转量对垫片和螺栓的应力影响较大，随着内压的升高法兰偏转量增加，垫片变形量减小但不均匀性增加。     

高温下螺栓法兰联接密封结构三维数值分析

采用有限元法对高温下螺栓法兰联接密封结构进行三维数值分析。分析结果表明,在稳态温度场下,螺栓法兰联接密封结构在内压作用下垫片应力降低,随着温度的升高,法兰转角增大,垫片应力持续减小;在螺栓预紧力、内压以及温度载荷的作用下,螺栓法兰联接密封结构的螺栓应力、垫片平均应力以及法兰转角基本呈线性变化。     

罐车液相法兰密封性能影响因素研究

以某液氨运输罐车为研究对象,分析罐车液相法兰密封性能的影响因素,指出垫片失效变形、介质内压载荷变化和环境温度变化是影响法兰密封系统的主要因素。建立液相法兰的有限元模型,分析预紧工况下垫片的失效变形、内压载荷和环境温度对螺栓法兰接头密封性能的影响。模拟结果表明：液相法兰紧急切断阀阀根的内芯平面与法兰盘密封垫片之间存在凹陷区域,造成垫片的密封面积减少20.9%,降低法兰接头的密封性能;介质内压载荷的波动对系统密封性能影响很小;温度变化对残余压应力值的影响较大,决定密封条件的最小压力值随温度降低而降低,从而影响法兰的密封性能。     

基于金属与金属接触型螺栓法兰接头的垫片应力分析

建立了三维参数化弹塑性有限元模型,对DN600 CLASS300金属与金属接触型(MMC)螺栓法兰接头进行了结构以及热-结构耦合分析,研究了预紧力、内压、温度、螺栓和法兰蠕变对垫片应力的影响。结果表明,当法兰密封面与垫片外环接触后,垫片平均应力基本不变,内压对垫片应力影响较小,垫片应力随温度升高而减小,螺栓和法兰蠕变过程中,垫片应力先增大后减小。     

多因素下氧化石墨烯无石棉垫片应力场数值模拟

针对氧化石墨烯无石棉垫片的实际工作情况,建立螺栓法兰系统三维有限元模型,并运用Abaqus软件研究螺栓预紧力、介质内压及垫片尺寸3种因素对氧化石墨烯无石棉垫片应力场的影响;采用稳态温度场对不同介质温度因素进行研究,模拟实际工况下垫片的温度场及应力场分布。结果表明：垫片应力随着螺栓预紧力增大而增大,随着内压载荷及垫片宽度增大而减小;最高温度存在于垫片内侧,且随着介质温度升高,垫片内外侧温度差逐渐的增大;垫片应力沿径向由内到外呈现递增趋势,随着介质温度升高,垫片应力减小;垫片应力沿外侧周向分布不均匀,呈45°为一个周期变化。     

基于紧密度要求的非金属垫片应力场数值模拟

针对密封垫片的实际工作情况,将螺栓-法兰-垫片连接系统看成一个整体进行分析研究,并考虑系统中各元件之间的相互作用。以ASME B16.5标准中的NPS4 Class150法兰为例,建立螺栓-法兰-垫片连接系统的参数化三维有限元模型,模拟垫片材料的非线性行为。采用预紧单元模拟螺栓的预紧作用,研究了在不同预紧力和内压载荷的作用下,垫片应力的变化规律。研究结果表明:垫片应力的大小随着螺栓预紧力的增加而增大;随着内压载荷的升高,垫片的应力沿径向和周向分布更加不均匀。研究结果为螺栓-法兰-垫片连接系统的密封性能分析以及有限元法在该领域的应用提供了依据。     

螺栓法兰连接系统应力强度的研究

螺栓、法兰、垫片连接系统中各元件的应力大小和分布情况,是影响连接系统密封性能的主要因素。将非金属垫片的非线性性能及螺栓、法兰、垫片之间的变形协调关系考虑进去,建立了整个螺栓、法兰、垫片连接系统的有限元模型;研究在螺栓的预紧应力和连接系统的内压载荷作用下,螺栓、法兰、垫片的应力大小和分布情况,为定量研究接头的泄漏奠定基础。     

基于有限元的LNG管道法兰连接紧密性分析

螺栓法兰连接是一种管道连接形式,其密封性能是工程中关注的重要问题,而垫片密封是螺栓法兰连接中被广泛应用的密封形式。综合考虑螺栓预紧力、管道压力、温度、管道结构及低温下材料力学性能,建立管道、法兰、垫片、螺栓系统的热-结构耦合有限元模型,分析螺栓法兰连接在安装工况、压力工况、低温压力工况下垫片接触应力分布规律、螺栓拉应力及管道位移变形。结果表明:低温压力工况下,垫片接触应力周向分布不均匀,管道结构对螺栓法兰连接密封性能有较大影响。     

PTFE缠绕垫片旋转法兰的强度及密封性能研究

带垫片的螺栓法兰为压力容器管道的重要连接件,现行的基于Waters算法的规则设计难以保证法兰连接承受复杂载荷的完整性及密封有效性,根据欧盟标准BS EN 13445-3-2009附录GA的设计原则,建立PTFE缠绕垫片的压缩回弹本构关系,采用3D非线性有限元方法分析垫片及螺栓连接的旋转法兰组件受到内压及外载作用的强度及密封性能,结果表明螺栓预紧及操作条件下垫片法兰的密封性能及强度性能满足要求,螺栓预紧力的确定与内压及外载的大小,动态变化的垫片压应力、螺栓分散性有关。     

大型500 kV变压器主密封法兰系统受力分析

利用有限元分析软件ABAQUS对油浸式变压器的主密封界面的螺栓、垫片、法兰系统进行建模,分析预紧状态下法兰螺栓受力及变形情况,探讨接触应力随橡胶垫片压缩率、流体压力、橡胶垫片硬度的变化规律。结果表明:在螺栓预紧载荷作用下,法兰偏转使螺栓受力不均,箱沿连接处为法兰最易损坏位置,可在箱沿与箱体处加额外刚性固定来增加强度;随着压缩率与流体压力的增大,橡胶垫片的接触应力和von Mises应力均增大;橡胶垫片硬度越大,相同流体压力下的接触应力和von Mises应力也越大,因此当密封界面承受较大流体压力时,应选用硬度大的橡胶垫片。     

确定法兰螺栓预紧力的EN法与Waters法对比研究

为了验证不同方法计算所得的螺栓预紧力能否满足密封性要求,选取2种不同尺寸和工况的管法兰-螺栓-垫片模型,进行有限元分析。运用ANSYS Workbench有限元软件建立三维模型,施加温度载荷后得到法兰系统的温度场分布。根据EN13445附录G和Waters方法确定了螺栓预紧力,分别作为初始预紧力施加在对应的管法兰系统上并进行热-结构耦合。对预紧工况和操作工况下的法兰系统进行模拟分析,并对其密封及其强度性能进行评定。结果表明:通过EN法和Waters法计算所得的螺栓预紧力,均能使法兰系统满足密封条件且符合安全评定要求;但EN13445附录G方法确定的螺栓预紧力能保证应力在法兰上更均匀地分布,且应力水平更低;EN13445附录G方法在计算时考虑了整个法兰连接接头的密封要求及其强度要求,相较于Waters法考虑情况更加全面。     

加载方式对垫片应力的影响及其泄漏率预测

垫片是螺栓法兰连接系统中的关键密封元件，在实验室对其进行泄漏率测量时，多采用刚性法兰通过试验机进行均匀加载，而忽略了生产实际中螺栓加载方式对泄漏率的影响。采用数值模拟方法研究实际操作常用的交叉加载、顺次加载和ASME PCC-1-2013标准中传统星形加载方式对垫片应力的影响，并将这3种加载方式与均匀加载方式进行比较。结果表明：3种加载方式都存在着螺栓预紧载荷不均匀的情况，但相比之下传统星形加载方式的预紧效果最佳，最接近均匀加载时的预紧效果；在相同载荷下，不同加载方式所得垫片上的应力不同。考虑垫片应力分布的不均匀性，对现有泄漏率预测公式进行了修正，并通过试验对修正后的公式进行验证。结果表明：修正后的公式所预测的泄漏率与试验结果更为接近。研究工作对提高螺栓法兰连接系统泄漏率预测的准确性具有重要意义。     

高压管法兰用缠绕式垫片的试验研究

分析了高压管法兰用缠绕式垫片的预紧应力，通过试验研究调整了垫片的工艺结构使其机械性能与紧固件的要求一致。     

带接管组合法兰的强度和密封有限元分析

螺栓法兰连接是石化设备和管道中应用最广泛的密封形式,对其完整性和紧密性分析仍是工程中亟待解决的问题。综合考虑垫片的非线性压缩回弹本构关系、螺栓预紧和法兰垫片接触作用,将带接管的组合法兰、垫片、螺栓作为一个系统进行三维非线性有限元模拟。基于强度和密封要求,借助Waters公式和有限元试算,选定合适的螺栓预紧载荷。计算获得组合法兰在预紧、操作、设计和水压试验4种工况下的应力与变形分布规律。依据JB 4732对法兰应力进行分类强度评定,依据ASMEⅧ-1从垫片应力和法兰转角两个方面进行密封评定。可为实际应用提供参考。     

一种新型法兰连接垫片设计

垫片是法兰连接接口的重要密封元件,在螺栓预紧力的作用下对法兰密封面施加压紧力,由垫片填塞住法兰面凹凸不平的微观几何间隙来实现密封.文中对现有的垫片进行改进,采用一种金属波齿骨架与O型圈结合,石墨填充辅助密封的垫片结构.法兰接口的螺栓拉紧后,内侧O型圈变形量可达到40％以上,外圈橡胶圈变形接近30％,垫片能达到良好的密封效果,此时法兰接口的主要密封环节是由垫片内侧的橡胶圈在起作用.当橡胶圈的变形量达到使波齿骨架变形时,金属波齿骨架、O型圈和石墨材料三者共同起密封作用.     

高压自紧式法兰密封结构研究

对高压自紧式法兰密封结构进行研究，推导自紧式法兰密封比压和螺栓载荷的计算公式，并通过有限元方法进行了验证。结果表明：密封比压与内压呈一阶线性递增的关系：密封面越窄密封比压随内压递增速度越快，法兰端面与T形垫片支撑面间隙越大则初始密封比压越大。对某自紧式法兰进行结构以及热-结构耦合分析，研究内压、温度、弯矩工况的影响。结果表明：升温对高压和低压2种工况的密封性能影响不同，低压下升温使密封比压增大，高压下升温则会使密封比压有所减小；高压自紧式法兰密封受压侧垫片密封面上应力随弯矩增大先减小，但当弯矩增大到一定值后，该应力随着弯矩的增大而增大。     

高压法兰螺栓上紧技术的探讨

本文从高压法兰螺栓上紧过程中螺栓受力变化的数据记录,探索螺栓上紧过程中螺栓受力变化的规律,介绍了如何保证螺栓上紧的一些方法,期望施工者能理解高压法兰螺栓上紧的规律,有助于提高高压法兰的安装质量。