闸阀法兰螺栓接头高温密封性能研究

发布时间：2020-07-13 17:06

【摘要】：足量、均匀的螺栓载荷是实现法兰螺栓接头有效密封的关键。现有的工业中应用的闸阀中法兰螺栓的研究还无法完全理解其结构在常温预紧后长期高温作用下的螺栓载荷不足、垫片失效、法兰偏转过大等密封泄漏问题。针对此类问题,搭建了相应的实验装置,实验研究了常温预紧及升压升温过程螺栓载荷变化规律。在此基础上结合有限元方法对不同压力的作用效果及热紧操作对原有密封性能影响进行了分析。探讨了长时间作用下接头各组件的力学行为变化,并建立了预测系统。本文的主要工作如下:(1)建立了某企业4Z6AA22P(S)型闸阀十螺栓法兰接头常温预紧实验装置,对比分析了ASME PCC-1-2013及JIS B 2251标准规定的螺栓加载方式下的螺栓载荷分布,实验结果表明,ASME PCC-1-2013及JIS B 2251预紧标准均能获得接近预期目标载荷70%左右的平均载荷。JIS B 2251螺栓预紧标准获得载荷的足量度与均匀度更好,加载时螺栓不需编号,但加载过程费力。基于弹性交互作用机理,提出了四参数法优化加载方式,实验结果表明,四参数法可以有效减弱加载过程中的弹性交互作用,以较少的轮次获得足量度与均匀度极佳的接近目标载荷的实际螺栓载荷,但计算过程较为复杂,需预先确定。(2)建立了高温闸阀螺栓载荷变化测量装置,采用全模型外部加热方式,实验研究了一次及二次升降温过程螺栓载荷变化规律。结果表明,温度升高至723K时,相较于初始预紧状态,螺栓平均载荷下降幅度超过40%。受垫片压缩回弹性能、各组件材料热膨胀系数影响,螺栓载荷在升降温过程会出现降增、升减等交替回弹现象。引入压力源,继而分析了压力对温度场中螺栓的作用效果。结果指出,内部冲压引起的阀体端部拉应力降低了法兰受热热应力产生的变形偏转影响,压力的介入对螺栓载荷的下降有抑制作用。但研究同时表明,此闸阀结构3 MPa压力723 K温度工况升压升温过程中,温度仍是对螺栓载荷的变化起主导作用。(3)基于闸阀物理几何结构及传热学理论,建立了高温闸阀热-结构耦合有限元模型。模拟研究了0~4 MPa及288~873 K工况下螺栓载荷、垫片应力及法兰偏转的变化规律。结果表明,螺栓载荷随温度变化的趋势受压力大小影响,不同压力下具有明显的螺栓载荷快速下降温度转变点。垫片性能同步于变形协调反应,垫片应力延环向自内至外逐渐增大,最小垫片应力在极限状态均能满足密封需要。法兰最大偏转情况在升温过程中由中法兰上侧转移到下侧,随后不断增大。(4)基于螺栓载荷的升温下降现象,进行了673 K温度下各个螺栓的热紧操作模拟分析。对比研究了不同热紧载荷及加载方式下螺栓载荷足量度与均匀性改变情况。结果表明,相同预紧载荷下,交叉加载相较于顺次加载,二者的足量度较为接近,但交叉加载造成的载荷不均匀程度呈数倍增加。预紧载荷在由0.8F_0增加至1.2F_0过程中,载荷足量度有所增加但不明显,研究指出,一轮热紧中,采用接近目标载荷的热紧力及顺次加载方式能得到更好的密封效果。(5)以热-结构耦合有限元模型为基础,模拟建立了长时间运行过程闸阀法兰接头密封性能预测系统。具体分析了10000 h运行时间、2 MPa工作压力及823 K工作温度下各组件的蠕变变化规律。结果表明,螺栓载荷在运行初期前2000 h内呈指数状下降,此时发生泄漏主要由载荷下降过度导致垫片应力过低引起。在后续长时间运行过程中,垫片会出现多处愈加明显的集中应力区域。而阀体本身会由于热应力影响发生应力重整现象,因此,在设计、运行阶段,分别要对阀体本身材料及螺栓垫片性能进行额外关注。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH131.3

【参考文献】