金属透镜垫系统密封性能的研究

发布时间：2017-08-09 05:06

  本文关键词：金属透镜垫系统密封性能的研究

  更多相关文章： 透镜垫 接触宽度 接触应力分布 密封特性

【摘要】：金属透镜垫广泛地应用在合成氮、尿素等高压管道和深海密封管道中。金属透镜垫系统密封的可靠性直接关系到设备运行、人员安全、经济损失、环境污染等问题。金属透镜垫密封面为两个球面,与管道(或法兰)的锥形密封面形成线接触密封,在承受压紧力后,其密封变成环带密封,且其接触面宽度会随接触面上的作用力变化而变化。在工程实际使用中对透镜垫表面接触宽度、表面应力分布等的规律缺乏比较清晰的认识,为此本文开展了金属透镜垫系统密封性能的研究。本文首先开展了两个方面的试验研究:一是预紧载荷下透镜垫表面接触宽度大小的测量;二是透镜垫系统密封性能试验的研究。然后采用二维Hertz接触理论、ANSYS有限元软件的线弹性和弹塑性分析计算方法分别分析了透镜垫在不同预紧力下接触表面的受力和变形情况。将试验测得接触宽度、有限元模拟计算得到的接触宽度与文献及利用相关标准计算的接触宽度的结果进行了对比分析。再结合试验以及有限元模拟对透镜垫系统在操作工况下的密封特性进行分析研究。最后利用两个具体的算例对几种常见的透镜垫计算方法进行了分析,深入地讨论它们在计算中所存在的问题,得到如下的结论:1)透镜垫的实测接触宽度与理想弹塑性的有限元模拟计算方法所得的结果较吻合,也与当欧盟压力容器标准EN13445.3-G公式中Qmax取2ReL时计算的结果较接近。2)透镜垫表面接触压力近似呈抛物线分布。当表面接触压力超过2倍的屈服强度后,表面接触压力和分布宽度的线弹性模拟结果与弹塑性的模拟结果差距变得越来越明显,两者开始出现差异约在Hertz最大接触应力等于2倍的透镜垫材料屈服强度处。3)当内部介质为氮气时,根据工程上常见的几种透镜垫计算方法计算得到的透镜垫预紧力的大小都达不到PVRC标准T2等级的密封要求,且利用试验结果计算得到的垫片系数y和m的大小比标准规范中更大。
【关键词】：透镜垫 接触宽度 接触应力分布 密封特性
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB42
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 符号说明10-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 课题背景与意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 垫片螺栓法兰密封系统的研究现状14-16
• 1.2.2 密封的有限元模拟仿真16-17
• 1.2.3 金属透镜垫的研究现状17-18
• 1.3 研究目标、方案和技术路线18-21
• 1.3.1 研究目标18-19
• 1.3.2 研究方案及技术路线19-21
• 第2章 透镜垫系统密封的试验研究21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 试验方案21-25
• 2.2.1 透镜垫预紧状态下接触宽度的测量21-24
• 2.2.2 透镜垫密封性能试验24-25
• 2.3 试验装置的主要功能和技术参数25-26
• 2.4 试验步骤26-27
• 2.4.1 透镜垫预紧状态下接触宽度的测量的试验步骤26
• 2.4.2 透镜垫密封性能试验步骤26-27
• 2.5 试验结果27-29
• 2.5.1 透镜垫径向表面粗糙度27
• 2.5.2 透镜垫预紧状态下接触宽度的结果27-28
• 2.5.3 透镜垫密封性能试验的结果28-29
• 2.6 本章小结29-31
• 第3章 透镜垫预紧时接触表面密封特性的研究31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 预紧状态下受力分析与模拟计算31-34
• 3.2.1 预紧状态下透镜垫受力理论分析31-32
• 3.2.2 有限元模拟分析32-34
• 3.3 结果与讨论34-37
• 3.3.1 不同预紧力下的接触面宽度34-36
• 3.3.2 表面接触压力大小与分布36-37
• 3.4 透镜垫系统材料屈服强度对接触宽度及应力分布的影响37-41
• 3.4.1 不同屈服强度、不同预紧力下的接触面宽度37-39
• 3.4.2 不同屈服强度下表面接触压力大小与分布39-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第4章 透镜垫在操作工况下的模拟研究43-53
• 4.1 引言43
• 4.2 透镜垫模拟“卸载”时卸载定律43
• 4.3 透镜垫密封性能试验的模拟分析43-47
• 4.3.1 有限元模型及网格划分43-44
• 4.3.2 有限元边界条件及约束44-45
• 4.3.3 有限元计算结果45-47
• 4.4 扩展到一些其他工况的模拟研究47-51
• 4.4.1 内压更高下透镜垫系统加载及卸载过程的模拟47-49
• 4.4.2 透镜垫系统预紧力不同时的模拟49-51
• 4.5 本章小结51-53
• 第5章 试验介质为氮气时透镜垫密封性能的讨论53-63
• 5.1 引言53
• 5.2 透镜垫在工程上常见的设计计算方法53-61
• 5.2.1 EN13445.3-G方法的简单介绍[71]53-56
• 5.2.2 HG/T20582-2011 第17章方法的简单介绍56-57
• 5.2.3 线密封比压方法的简单介绍57
• 5.2.4 对比讨论57-60
• 5.2.5 透镜垫预紧力工程计算方法60-61
• 5.3 透镜垫操作工况下密封问题的讨论61
• 5.4 本章小结61-63
• 第6章 结论与展望63-67
• 6.1 本文主要结论63-64
• 6.2 创新点64
• 6.3 展望64-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-73
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 弓海霞;徐折贵;石长伟;王肃;;螺栓法兰连接的金属透镜垫的自紧能力分析[J];华中科技大学学报(自然科学版);2015年03期

2 刘国振;杨晓雨;刘利云;张建秀;;透镜垫密封螺栓载荷的探讨[J];压力容器;2015年01期

3 侯世远;廖日东;;螺纹联接松动过程的研究现状与发展趋势[J];强度与环境;2014年02期

4 安少军;王立权;;金属透镜垫密封特性研究[J];流体机械;2011年09期

5 刘容;顾伯勤;陈晔;;附加载荷作用下螺栓法兰连接的强度和紧密性分析[J];化工机械;2007年05期

6 孙世锋,蔡仁良;基于紧密度要求的法兰接头三维有限元分析[J];石油机械;2004年10期

7 孙世锋,蔡仁良;承受外弯矩作用的法兰接头紧密性研究[J];机械工程师;2004年03期

8 孙世锋,蔡仁良;承受外弯矩作用的法兰接头有限元分析[J];压力容器;2003年12期

9 周剑秋，周昌玉，沈士明;八角垫密封性能的分析研究[J];石油化工设备;1996年03期

10 蔡仁良，，郑建荣，岑红;八角垫密封的有限元分析[J];化工机械;1995年03期

本文编号：643600