承受外弯矩作用的法兰接头有限元分析

采用有限元法模拟了垫片的非线性特性，研究了外弯矩对于垫片应力分布、螺栓载荷及法兰转角的影响；有限元计算结果与PVRC实验数据做了比较，结果表明，有限元计算具有较高的可靠性，基于垫片应力，提出了外弯矩与接头紧密度之间的关系。     

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。     

一种无石棉金属缠绕垫片压紧应力的解析算法

在螺栓法兰系统中,垫片的局部压紧应力比平均压紧应力对法兰连接可靠性的影响更大,而现有的试验技术无法确定垫片上局部应力的分布情况。考虑内压时的法兰转角和垫片的力学性能,提出垫片径向压紧应力分布的解析算法。解析法计算的结果与数值模拟得到的应力分布基本一致,虽然垫片内缘应力值的解析计算结果较数值模拟果偏小,但仍满足工程近似计算的精度要求。分析结果表明,垫片径向压紧应力不是均匀分布的,而是由垫片内缘向外缘逐渐增大。     

高温法兰密封接头的可靠性分析

长期工作在高温下的螺栓法兰接头，由于密封垫片和螺栓的蠕变松弛，使得垫片上的残余应力逐渐减小，法兰接头的密封可靠性逐渐降低，并最终导致泄漏失效。在考虑垫片和螺栓蠕变的基础上，对法兰连接系统进行变形协调分析，建立了高温下法兰接头的变形协调方程，进而导出了泄漏率的极限方程；通过与法兰强度、螺栓强度的极限方程相结合，得出了利用Monte Carlo法计算高温螺栓法兰接头可靠度的方法，并给出了计算实例。     

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。     

考虑垫片时滞效应的管板-法兰-垫片-螺栓连接系统三维有限元分析--预紧工况和加压工况下密封垫片的压紧应力分析

本文从整体性观点出发,考虑垫片的非线性性质和应力-应变时滞效应,用大型有限元软件ANSYS建立了U形管换热器中等效管板和法兰垫片螺栓连接系统的三维有限元模型,并作为研究报告的第一部分,着重分析了预紧和加压两种工况下垫片材料的非线性与时滞效应、不同的管壳程压差以及不同的螺栓预紧力和不同的螺栓尺寸等因素对法兰接头紧密性(垫片压紧应力的大小和分布状况)的影响;在下一部分中将讨论上述各种因素对法兰接头强度的影响。     

基于非线性有限元的螺栓法兰接头应力分析

考虑法兰接头各元件之间的相互作用以及垫片材料的非线性,建立了管法兰接头的三维有限元模型,研究了螺栓预紧载荷、介质内压和法兰尺寸对法兰的偏转角度及垫片接触应力的影响。结果表明:螺栓预紧载荷及介质内压的增加均会造成法兰偏转角的增大,从而引起垫片接触应力沿径向方向分布的不均匀程度变大;法兰直径越大,其垫片应力在径向上分布越不均匀;对较小直径的法兰,轴向螺栓力随介质内压的增加而增大,对大直径的法兰,轴向螺栓力随内压增加而减小。     

金属垫片接触应力分布解析算法

金属垫片密封是压力容器和管道中常见的密封形式,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.在真实螺栓法兰金属垫片连接结构中,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.笔者在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.根据法兰偏转角和金属垫片力学性能,提出了金属垫片接触应力分布的解析算法.解析计算得到的平均应力与数值模拟结果较为接近,但垫片外缘的最大应力小于数值模拟值,金属垫片接触应力的解析计算方法可作为一种保守的工程算法,可用于真实螺栓法兰金属垫片连接结构的设计.     

延迟焦化装置中带碟簧的管法兰接头三维数值分析

应用有限元法分析延迟焦化装置中焦炭塔和管道的受力和变形,并针对生焦高温工况,对带有碟形弹簧的管法兰接头进行三维数值模拟,分析碟形弹簧对垫片应力的影响。模拟结果表明,生焦时焦炭塔受高温膨胀,导致管道弯曲变形,而内压对此影响相对要小很多;高温下选用适当的碟形弹簧,有利于维持管法兰接头的垫片工作应力。     

基于紧密度要求的法兰优化设计

传统的法兰设计准则依据强度失效判据，不能定量估计法兰接头的紧密性，本文采用密封设计准则，通过实验测定试验垫片的PVRC垫片系数：a=0.39,Gs=0.012MPa和Gb=4.57MPa，并在此基础上，得到该垫片在各级紧密度参数Tp下的最佳垫片装配应力（Sga)opt与垫片应力变化量ΔS的关系，从而计算法兰接头的最佳预紧螺栓载荷。     

外弯矩下螺栓法兰连接紧密性研究

为准确分析螺栓法兰连接系统的紧密性,利用当量内压法﹑当量轴向力法和变形协调方程,研究外弯矩作用下螺栓法兰连接中的垫片压紧应力。分析结果表明:若利用当量内压法来计算,外弯矩等同于内压,相当于增大了系统的内压,但并不能体现出外弯矩作用下垫片应力在螺栓法兰连接系统分布的不均匀性;而利用当量轴向力法来计算,可以体现出整个系统在承受外弯矩作用导致的垫片应力沿管道圆周方向按余弦分布的不均匀性,并且垫片受拉侧和受压侧的压紧应力相差增大,其中受拉侧垫片应力减小,受压侧垫片应力增大,因此螺栓法兰连接的紧密性需重点考虑受拉侧的垫片应力。     

垫片外缘最大应力对螺栓法兰连接结构泄漏率影响

螺栓法兰连接广泛的应用于石油化工等过程装备中,其是最重要的静密封连接形式之一,失效的主要原因是泄漏。利用有限元法对垫片的平均应力和外缘最大应力关系进行分析研究;采用解析方法预测螺栓法兰连接结构的泄漏率,并与试验结果进行对比,研究了垫片外缘最大应力与泄漏率之间的关系。结果表明,随着螺栓载荷的增加,法兰偏转程度增加,垫片平均应力与垫片外缘最大应力的差值逐渐增大;垫片外缘最大应力较平均应力对连接结构泄漏率影响更大。     

多试件垫片加速寿命试验装置试验垫片预紧应力误差分析

垫片是螺栓法兰连接系统的核心部件,对垫片寿命进行预测可提高连接系统的可靠性,而减小垫片寿命评价装置试验误差则可提高垫片寿命预测的准确性。以柔性石墨缠绕垫为例,研究多试件垫片加速寿命试验装置的法兰和垫片厚度偏差、加载的同轴度偏差和垫片安装偏差对垫片上应力分布的影响,得到在不同温度和预紧应力下的载荷比,确定试验装置所允许的最大偏差;揭示温度和预紧应力大小对试验垫片预紧应力误差的影响,提出控制预紧应力误差的方法。结果表明：预紧应力误差都随着温度的升高而减小;法兰和垫片厚度偏差引起的预紧应力误差随着预紧应力增大而减小;试验装置加载的同轴度偏差和垫片安装偏差引起的试验垫片的预紧应力误差随着预紧应力增大而增大。以试验垫片预紧应力误差1%为指标,得到法兰和垫片之间的厚度偏差应控制在-0.02～0.005 mm之间,试验装置加载的同轴度偏差应不大于0.33 mm,试验垫片的安装偏差应不大于1.24 mm。对于其他种类垫片,也可以通过提出的方法确定法兰和垫片之间的厚度偏差、试验装置加载的同轴度偏差、试验垫片的安装偏差的范围。     

高温螺栓法兰连接的紧密性评价方法

提出了高温螺栓法兰连接的紧密性概念;试验研究了柔性石墨填充缠绕式垫片、金属冲齿板柔性石墨复合垫片和金属包覆垫片的压缩回弹性能、蠕变性能和基本密封性能;通过试验数据的回归分析得到了垫片高温性能表达式;将试验得到的垫片变形特性和泄漏特性统一于螺栓法兰连接中进行系统分析,建立了紧密性评价方法。该方法不仅可对在役螺栓法兰连接的泄漏状况作出评价,而且为密封连接的设计、新型垫片的开发以及垫片性能的评价提供了借鉴。     

非金属垫片螺栓法兰连接寿命评价

分析非金属垫片密封的时效特性,考虑高温条件下材料退化和垫片载荷松弛过程对密封性能的影响,依据多孔介质理论,建立非金属垫片密封的时效泄漏模型.将螺栓法兰连接系统寿命划分为密封寿命和部件寿命.提出密封寿命试验方法,在考虑垫片泄漏特性变化的基础上,基于指标泄漏率分析螺栓法兰连接系统密封寿命;基于蠕变和疲劳损伤准则分析高温螺栓的剩余寿命,探讨螺栓法兰连接系统的密封寿命和各部件寿命之间的关系.建立螺栓法兰连接系统的寿命预测最弱环模型,将垫片的变形特性和泄漏特性统一于螺栓法兰连接系统中进行研究,提出基于指标泄漏率和结构完整性的螺栓法兰连接系统寿命评价方法.     

Sealing Performance of Gasketed Bolted Flanged Joints: A Fuzzy Decision Support System Approach

The paper describes a fuzzy decision support system (FDSS) and its application to the selection of sets of optimal parameters to characterise the gasket sealing performance in gasketed bolted flanged joints. The FDSS of fuzzy logic theory is applied considering the gas pressure, gasket deflection, and leakage rate based on required gasket stress and flange surface roughness. The idea and implementation of the fuzzy decision support system is based on the compositional rules of inference and can be applied to other areas of gasketed bolted flanged joints to automate the selection of proper parameters which can best characterise the joint sealing performance and provide the required tightness.     

Effect of Surface Characteristics on Compressive Stress and Leakage Rate in Gasketed Flanged Joints

The effect of surface characteristics on compressive stress and leakage rate in gasketed flanged joints is discussed qualitatively and quantitatively based on experimental verifications. The sensitivity of the sealing phenomenon to the sealing surface characteristics, gas pressure and stress level is presented. Sealing surfaces produced with grinding, turning and milling procedures of different roughness values were the subject of the tests with three types of gasket, namely, PTFE (polytetrafluoroethylene), graphite, and spiral wound. The experimental results indicated that the roughness value Ra (average arithmetic height) has no effect on the sealing performance of the gasket, except for the ground type sealing surfaces. The platen (flange) surface forms were found to be the determining factor on the leakage rate and flow regime for gasketed flanged joints. It is shown that the surface characteristics have no effect on the leakage rate and on the gasket performance for the PTFE gasket at high stress levels. However, at low stress levels the rougher ground and milled sealing surfaces having radial channels on the surface produce larger leakage rates. The effect of surface characteristics, stress level, and gas pressure was more evident on the graphite and spiral wound gasket types, at both low and high stress levels. It is also shown that the leakage rate follows an exponential law as a factor of surface stress and gas pressure, for all sealing surface characteristics and gasket types. While there is little difference in the leakage rate for the PTFE gasket when the gasket stress level is increased by a factor of two, from S3 to S5, a substantial leakage rate reduction by a ratio of 17.5 times was observed for the graphite and spiral wound gaskets for most sealing surfaces. On the other hand, when increasing the helium gas pressure from 200 to 800 p.s.i., the leakage rate increased by 5 times for the PTFE, and up to10 times for the graphite and the spiral wound gaskets. It was determined that while molecular flow regimes can be achieved for the PTFE gasket for all sealing surfaces, the two other gasket types provided laminar flow under the same operating conditions.     

螺栓法兰金属垫片连接结构的紧密性分析方法

现行金属垫片的设计以垫片系数或线密封比压为依据,主要针对法兰强度问题,而没有定量泄漏和紧密性的概念,因此无法从理论上说明连接是否紧密。在金属垫片变截面泄漏通道的泄漏率计算公式、接触应力分布的解析算法以及连接结构变形协调分析的基础上,建立连接系统的紧密性分析方法。实例分析表明:通过增加垫片应力(即提高螺栓载荷),可降低连接的泄漏率,但当垫片应力水平较高时,效果并不显著。对于密封性要求高的连接,可以采用表面较光滑的垫片。以最大允许泄漏率为设计准则的设计方法与以强度为设计准则的规范设计方法相结合,有可能发展成为一种新的密封连接设计方法。     

不锈钢柔性石墨缠绕垫片基本性能研究

对不锈钢柔性石墨缠绕垫片进行了常温机械性能和密封性能的试验研究,找出了垫片常温密封的基本规律,提出了较好地表征该垫片压缩回弹特性、应力松弛特性和基本密封特性的公式,通过试验数据的回归分析,得到公式中的各系数,为螺栓法兰垫片连接的紧密性分析和密封件的工程选用提供了依据。