传统与欧盟法兰连接螺栓预紧力计算方法对比研究

摘要

法兰螺栓连接系统是化工设备常用的连接装置，大量研究表明泄漏是引起法兰连接系统失效的主要原因，而强度引起的失效则是少数情况。因此对法兰螺栓连接系统的密封特性研究需要引起足够的重视。由于国内法兰连接螺栓预紧载荷的计算基本上采用的是 ASME法，对于欧盟法兰连接螺栓载荷的计算方法的研究和应用较少。因此，本文利用两种法兰设计方法计算法兰连接所需的螺栓预紧载荷，同时结合有限元软件对法兰螺栓连接结构进行数值模拟，分析不同法兰设计方法对法兰接头强度和密封性的影响。
　　本文通过理论分析、数值计算和有限元模拟三者相结合的方法对不同法兰连接螺栓载荷计算方法进行更全面、更深入、更客观的研究。
　　首先，本文就目前常用的两类法兰设计方法进行了详细介绍，一类是传统的基于Taylor-Forge法的，以ASME VIII-1法兰设计规范为代表；另一类是有别于Taylor法的欧盟法兰设计方法，以EN13445附录G——法兰设计另一方法为代表。通过对比ASME VIII-1法兰设计规范（以下简称ASME法）和EN13445附录G（以下简称附录 G）的理论依据，计算过程以及涉及的参数等因素，从而说明附录 G的方法计算出的螺栓载荷值更加精确，更能保证法兰连接的密封性。因此，在工程实际中，能对螺栓载荷的计算提供理论性指导。
　　然后，本文依据某石化公司提供的设备实际运行参数，分别运用ASME法和附录G两种方法计算法兰接头的螺栓载荷。将两种方法计算得到的螺栓载荷值进行对比分析，结果表明，附录G计算所得的预紧和操作两种工况下的螺栓载荷均普遍小于ASME法计算得到的预紧和操作两种工况下的法兰设计螺栓载荷，而附录G的最大螺栓实际安装载荷与ASME预紧工况的法兰设计螺栓载荷相比，有些大于ASME预紧工况法兰设计螺栓载荷，有些则小于。
　　最后，运用有限元分析软件对螺栓法兰连接结构在上述两种方法计算得到的螺栓载荷下的应力-应变进行分析。首先对法兰接头施加温度载荷进行热分析，再将热分析结果导入静力分析中对法兰接头进行热-结构耦合分析。结果显示，施加附录G计算出的螺栓载荷，法兰接头各组件均未超出材料的屈服极限，施加ASME法计算出的螺栓载荷法兰螺栓孔部分最大应力超出法兰材料屈服极限。法兰材料长期在屈服状态下工作将会导致法兰密封失效。另外，ASME螺栓载荷作用下的垫片应力不均匀现象明显，这也将会造成法兰接头密封失效引起泄漏。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景

1.2 螺栓法兰连接密封原理

1.3 法兰设计方法发展历程

1.4 法兰设计方法研究现状

1.5 本文研究内容和技术路线

第2章 国内外法兰连接设计方法对比

2.1 国内外现行的法兰连接设计方法

2.2 实例计算比较

2.3 本章小结

第3章 法兰连接温度场有限元分析

3.1 法兰连接的三维有限元模型

3.2 有限元模型

3.3 传热模型

3.4 法兰系统稳态温度场分析

3.5 本章小结

第4章 法兰系统热-结构耦合场分析

4.1 热-结构耦合场

4.2 载荷及边界条件

4.3 热-结构耦合结果分析

4.4 本章小结

结论与展望

1. 结论

2. 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文