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。     

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。     

在稳态温度场中法兰接头的三维有限元分析

利用3-D有限元法模拟了法兰接头的稳态温度场分布,结果表明计算值与实测数据吻合较好。此外,模拟了操作条件下,垫片因蠕变引起减薄的垫片应力分布,并利用垫片应力与紧密性参数之间的关系,评价了垫片应力对法兰接头密封性能的影响。     

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.     

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。     

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。     

法兰用聚四氟乙烯垫片的密封性能分析

根据有限元理论,建立了管法兰连接有限元模型,对管法兰用聚四氟乙烯密封垫片的密封性能进行了数值计算。研究了垫片在预紧状态和工作状态下的Von Mises应力和接触应力分布,分析了管道内介质压力对其应力和应力分布的影响。结果发现:垫片在工作状态下的Von Mises应力大于其在预紧状态下的;介质压力越大,垫片的Von Mises应力越大,但垫片的有效接触宽度越小。     

外弯矩和元件蠕变对螺栓法兰连接力学性能的影响

在考虑连接结构承受外弯矩作用和螺栓、法兰及垫片蠕变的基础上,建立高温螺栓法兰连接结构的变形协调分析方程,采用解析方法研究连接结构承受外弯矩和蠕变对连接结构力学行为的影响。结果表明,外弯矩作用下,受拉侧的法兰转角增大,螺栓伸长量减小,垫片应力增大;受压侧的情况则相反。在相同的工作条件下,考虑蠕变时,温度越高,法兰转角、法兰变形量和垫片应力减小幅度越大。外弯矩引起的垫片受拉侧应力下降和元件的蠕变是连接结构密封失效的重要原因。     

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。     

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。     

高温法兰连接系统的失效分析

针对法兰连接系统长时间在高温下工作会导致泄漏失效的问题,对法兰连接系统的3个主要部件的失效机理进行了分析,其中从蠕变、预紧力、脆性断裂及疲劳等方面分析了螺栓的失效机理;从蠕变松弛失效、高温回弹性失效和高温强度失效等方面分析了垫片的失效机理;从高温蠕变松弛失效和高温下的界面泄漏失效等方面分析了法兰的失效机理。本文为更快地找出高温下法兰连接系统的失效原因提供了参考依据。     

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.     

非石棉纤维橡胶垫片失效分析

一台废热锅炉人孔用非石棉纤维橡胶垫片服役一年多后发生泄漏。通过现场调查和新旧垫片性能对比试验,并在扫描电镜下观察分析了垫片基体和纤维材料的微观组织,发现垫片失效主要是由其内部的增强纤维材料在高温蒸汽下水解、粉化导致强度明显下降而引起的。     

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.     

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。     

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.     

基于ANSYS的凹凸管法兰系统密封性能研究

运用ANSYS有限元分析软件,建立凹凸管法兰系统的热-结构数值模型,对系统内各组件的应力与温度对系统密封性的影响规律进行分析。结果表明:法兰管道与螺栓外侧法兰外缘所受应力相对较小,螺栓内侧法兰所受应力相对较大;在预紧、预紧+内压、预紧+内压+温度3种工况下垫片的径向应力过渡方式均为由大变小再变大的变化趋势,且在预紧工况下垫片的压应力最大;自螺栓底面至顶面螺栓轴向应力呈逐渐增大再减小的变化趋势。