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。     

内压和温度对螺栓法兰接头紧密性的影响

螺栓法兰接头失效的主要机制是泄漏。在考虑了垫片的非线性和介质内压的基础上,利用ABAQUS软件对稳态温度载荷作用下的螺栓法兰结构进行了数值模拟,研究了内压和温度对连接结构紧密性的影响。研究结果表明,垫片上的应力分布不均匀,接触压力主要集中在靠近垫片外缘的1/4闭合环带处,随着温度的升高其密封闭合环带不断的变窄,垫片的接触压力降低,从而导致连接结构的泄漏。     

非金属密封垫片应力场的数值模拟

为研究聚四氟乙烯密封垫片的应力分布规律,根据有限元理论,建立了管法兰连接有限元模型。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,分析了管道内流体压力、螺栓预紧力和垫片材料弹性模量对其应力值和应力分布的影响。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;流体压力越大,垫片和Von Mises应力越大,但是其有效接触宽度越小;螺栓的预紧力越大,垫片的Von Mises应力和接触应力越大;垫片材料的弹性模量值对垫片接触应力值的影响较小。     

附加载荷作用下螺栓法兰连接的强度和紧密性分析

运用三维有限元方法模拟了垫片的非线性特性,分析了附加载荷对螺栓法兰连接结构的强度和紧密性的影响,确定了连接系统的紧密性、附加载荷和垫片残余压紧应力三者之间的关系。分析结果表明,附加弯矩对螺栓法兰连接结构的紧密性有较大影响。     

大口径法兰三维热力有限元分析

对大口径法兰进行了三维有限元热力分析,研究发现由于温度场的作用螺栓应力有所增加、法兰的偏转程度有所减轻,垫片应力以及应力分布的不均匀性有所降低;内压的波动会引起垫片应力的降低而且随着压力波动幅度的增加垫片应力降幅也越大;螺栓内外侧应力变化情况相对比较复杂,法兰的偏转量变化对其影响较大。     

螺栓法兰垫片接头整体结构数值模拟和密封性能分析

建立了螺栓法兰垫片接头整体结构有限元模型,研究了法兰盘厚度、螺栓数目、工作压力、及螺栓预紧力等参数对法兰偏转角和泄漏率的影响。结果发现,由于法兰力矩作用,法兰盘发生偏转,使得垫片上压应力沿径向分布不均,在垫片外缘存在最大压应力环带,环带上最小压应力值决定着接头的密封性能。法兰偏转会影响接头泄漏率,但并非偏转越大,泄漏率越大;在某些情况下,泄漏率甚至随偏转角增大而减小。     

金属垫片密封连接的泄漏率计算

金属垫片密封是压力容器和管道中常见的连接型式,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。在金属垫片泄漏模型基础上,考虑垫片接触应力分布不均匀对泄漏通道的影响,推导了变截面泄漏通道的泄漏率计算公式,此公式将泄漏率、垫片接触应力、介质压力和密封表面分形参数联系在一起,因而使以最大允许泄漏率为准则的金属垫片密封连接设计以及紧密性评价成为可能。     

基于FEM的承受附加载荷的法兰连接安全评价

在考虑垫片力学性能的非线性和非保守的基础上,建立了承受附加载荷高温螺栓法兰连接结构的有限元分析方法.运用APDL和UIDL开发了基于ANSYS环境的法兰连接结构强度和紧密性分析模块,实现了连接系统的参数化建模及程序化计算.提出了基于紧密性的承受附加载荷螺栓法兰连接的安全评价方法,并以某铂重整装置接管法兰连接为对象,验证了有限元分析和安全评价方法的可行性,确定了该连接的安全操作条件.研究结果为承受附加载荷的螺栓法兰连接系统的安全评价和结构设计提供了借鉴.     

垫片尺寸对碳纤维复合材料螺栓连接单搭接挤压强度影响研究

针对碳纤维复合材料单搭接螺栓连接结构,研究不同垫片外径对螺栓连接的挤压强度及损伤的影响,并仿真分析其失效模式。发现在单搭接螺栓连接结构中,加入垫片可以提高连接的挤压强度,且强度随着垫片外径尺寸的增加而增加。当垫片外径从11.8 mm逐渐增加到13.8 mm、15.8 mm和17.8 mm时,挤压强度分别在前一基础上提升了5.76%、5.87%和2.4%。试验结果表明垫片外径增加到一定程度时,挤压强度的增强效应开始减弱,但对失效模式并没有影响,仍为挤压失效模式。在Abaqus有限元软件中建立碳纤维复合材料单搭接螺栓连接三维有限元模型,引入含拉伸分层损伤、压缩分层损伤的三维Hashin准则和改进了的Tan、Tserpes材料刚度退化模型,仿真得到的载荷-位移曲线和失效模式与试验结果相吻合。     

基于蠕变的高温法兰连接系统寿命预测方法

长期工作在高温下的法兰连接系统 ,由于密封垫片和螺栓的蠕变松弛 ,使得垫片上的残余压紧应力逐渐减小 ,并最终导致连接系统的泄漏失效。在考虑垫片和螺栓蠕变的基础上 ,对连接系统进行变形协调分析 ,建立了高温下法兰连接系统的变形协调方程 ;进而导出了垫片残余应力与时间的关系式 ,即变形协调率型方程 ;根据紧密性概念 ,以最大允许泄漏率为失效准则 ,提出了高温法兰连接系统的寿命预测方法     

FEM stress analysis and sealing performance improvement of box-shaped bolted flanged joints using silicone sealant under internal pressure and thermal conduction conditions

Interface stresses and sealing performance of thin-wall box-shaped bolted flanged joints using silicone sealant under internal pressure and thermal conduction conditions are analyzed by the thermo-elastic finite element method. The flexible flanges were fastened by M8 bolts and nuts with an initial clamping force (bolt preload) after being joined with the silicone sealant. In the elastic and thermo-elastic Finite Element Method (FEM) calculations, the effects of the bolt pitch distance, flange rigidity and flange thickness were examined on the interface stress distributions. In addition, the effects of the linear thermal expansion coefficient and Young's modulus of the silicone sealant in the steady temperature state were also examined from a design standpoint. In the experiments, leakage pressure was measured when the silicone sealant was applied between an aluminum flexible flange with 1 mm thickness and an aluminum flange (body) with 10 mm thickness. Measurements of sealing performance with the silicone sealant and a sheet gasket were also conducted. In addition, strains in the joint in steady temperature states were also measured by strain gauges to understand the effect of the operative temperature on the sealing performance. The experimental results were found to be in fairly good agreement with the calculated results. From the results, it was found that the effect of the thermal conduction condition was greater than that of the internal pressure on both the interface stress distributions and the sealing performance. In addition, the sealing performance was found to be better in the joint with the silicone sealant than that with the sheet gasket.     

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.     

非金属平垫片密封连接的泄漏率预测

In this work, a model of gas leakage through nonmetallic gaskets was developed in order to predict leakage rate of gasket sealing connections. The model was verified by the leakage experiments on two types of gaskets： compressed non-asbestos fiber gasket and flexible graphite gasket reinforced with tanged metal sheet. The coefficients in the leakage rate formula were obtained by regression of experimental data for each type of gasket, The model was also validated against the experimental leakage data by other researchers and shown to produce accurate predications. Furthermore, the model was applied to a bolted flanged connection in service in order to assess the tightness of the connection.     

高温法兰连接系统的故障树分析

由于过程工业装置正向着大型化、高参数方向发展,长期在高温高压下服役的关键设备和管道,法兰连接系统泄漏失效引发事故的潜在危险性日益增大。为了分析高温法兰系统失效原因,将法兰连接系统的泄漏失效作为顶事件,分析引起泄漏的各种可能因素,建立故障树。并由故障树底事件构成的最小割集求出底事件的结构重要度。该方法可对现役法兰连接系统进行失效预测和泄漏预防,为高温法兰连接系统的可靠性分析提供指导。     

载丝法兰——一种新型的法兰连接形式

载丝法兰是一种转换型连接法兰,主要适用于API 6A或API 17D等高压管道系统与普通的ASME B16.5等不同尺寸与磅级的法兰之间的转换连接.提出了针对载丝法兰的材料选用、尺寸设计、强度校核的选用原则与设计计算方法,并在此基础上对应用实例进行了有限元分析,分析结果充分显示载丝法兰的强度符合应力要求,证明了该设计方...     

制氢转化炉炉管与法兰连接焊缝失效分析

中石化金陵分公司制氢转化炉管在服役8900小时后上部法兰环焊缝发生泄露,对导致炉管与法兰焊接接头产生穿透性裂纹的成因作全面分析,找出泄露的根本原因,并提出了解决措施。