法兰设计方法比较及螺栓预紧力确定的研究

发布时间：2020-08-21 12:43

【摘要】：大量试验研究结果表明,法兰连接系统失效主要是密封失效,而强度失效只占少数,一旦发生失效将会对环境、人员以及经济造成极大影响。而保证法兰接头不发生密封失效的重要因素之一就是给螺栓施加合适的预紧力,目前对于螺栓预紧力计算方法即法兰设计方法主要是Taylor-Waters法(以下简称Waters法),该法使用历史较长,设计经验丰富,工程应用广泛;而对于欧盟计算方法EN13445-3附录G法兰设计的另一方法(以下简称EN法)使用较少,但该法在计算时对强度及密封性考虑的更加全面,因此本文对这两种计算方法进行深入的对比研究。本文通过理论介绍、算例计算以及有限元分析对EN法与Waters法进行对比分析,同时分析了法兰公称直径、设计压力、设计温度以及垫片种类等参数对两种计算方法预紧力结果的影响规律。对EN法与Waters法的发展历程及研究现状进行了详细阐述,对两种方法的计算过程作了详细介绍,对比发现EN法在计算过程中对法兰接头强度以及密封性方面考虑的更加全面。采用Visual Studio 2012中VB.NET编程工具编写了法兰设计及螺栓预紧力计算软件。该软件集EN法、Waters法等法兰设计方法以及ASME PCC-1螺栓安装载荷确定方法于一体。对标准法兰和非标法兰均可进行EN法和Waters法的计算,同时能给出螺栓预紧力推荐范围、对法兰各部件进行强度校核、自动生成结果报告等。通过已编写的计算软件分别运用EN法与Waters法对标准甲型平焊法兰、标准乙型平焊法兰和标准长颈对焊法兰进行算例计算,对比两种计算方法预紧力计算结果的差异,同时分析了法兰公称直径、设计压力、设计温度以及垫片种类等参数对两种计算方法预紧力结果的影响规律。结果表明,EN法螺栓预紧力整体小于Waters法螺栓预紧力,且螺栓预紧力均随着法兰公称直径、设计压力、设计温度的升高而增大。将EN法与Waters法螺栓预紧力计算结果作为初始螺栓预紧力进行有限元模拟,分析法兰系统的应力分布以及法兰偏转程度,并对其进行校核,研究这两种计算方法在指导法兰接头螺栓安装时,法兰强度以及密封性的可靠程度和方法的可行性。结果表明EN法预紧力能保证法兰接头强度、刚度及密封性;Waters法预紧力虽能保证法兰接头的强度和刚度,但存在压溃垫片即泄漏的可能性。依据应力分类设计评定准则、ASME对法兰偏转角的限定要求、EN13445附录G中所规定的的保证密封所需最小垫片压应力Q_(0,min)以及保证垫片不被压溃的最大压应力Q_(max)作为限制条件进行螺栓预紧力优化。确定公称直径为1200mm标准带颈对焊法兰在设计压力3.4MPa、设计温度300℃工况下满足法兰强度、刚度以及密封性的螺栓预紧力范围为27.43%~44.17%σ_S(σ_S为螺栓材料常温下的屈服强度)。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH131
【图文】：

硕士学位论文是一款基于 Visual Studio 和 ACCESS 数据库的计算螺栓预核的软件。Visual Studio 是一款世界主流的编程开发软件ET、C++、C#、C、Python、HTLM、JSP、PHP 等多种编的运行库。本文使用 Visual Studio 平台中经典 VB.NET 编螺栓预紧力计算软件。将标准法兰、螺栓及垫片的尺寸和规格建立成 ACCESS 力容器法兰、标准管法兰进行计算时提供了极大的便利；时，用户需要手动输入各部件尺寸进行计算。系统界面过快捷方式启动后的系统界面如图 2.1。

13图 2.2 软件运行界面EN 计算方法界面择 EN13445 计算方法程序运行界面如图 2.3，该方法依据 EN13445 附录 G工况下的压力容器法兰以及管法兰均可进行计算，并能给出螺栓预紧力（0, 0,max~B req BF F ）以及法兰接头强度校核结果。

图 2.3 EN 法计算界面据输入完成后，可点击计算按钮，弹出计算结果界面如图 2.4。图 2.4 EN 法计算结果算完成后，可点击工具栏中保存按钮完成对计算文件的保存，方便修改或计算。保存完毕，点击工具栏形成计算书，自动生成 word方面直观的观察各数据结果。如图 2.5。

【参考文献】

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1 姜峰;王雅;俞树荣;梁瑞;;Taylor-Forge法与欧盟法兰设计另一方法对比分析[J];压力容器;2017年03期

2 陈圆;关凯书;马凯;章兰珠;徐严言;;高温螺栓法兰连接系统的温度场及热损失分析[J];华东理工大学学报(自然科学版);2015年06期

3 谢育辉;艾波;任相军;周庆伟;毕林涛;;Waters法兰设计方法分析与建议[J];石油化工设备技术;2015年06期

4 郑小涛;王明伍;喻九阳;程诗;林纬;;高温法兰连接结构的有限元模拟及安全评定[J];化工设备与管道;2014年06期

5 白国荔;伊军;闫兴清;罗从仁;喻健良;;法兰-螺栓-垫片系统高温热紧流程优化[J];石油化工设备;2014年04期

6 李天浩;;两种螺栓预紧力计算方法的分析与比较[J];化工管理;2014年20期

7 王立满;邵松林;;基于有限元方法的螺栓法兰连接密封性能分析[J];河南科技;2014年02期

8 桑如苞;高洁;冯清晓;;WATERS法兰设计方法的进展与评述[J];石油化工设备技术;2014年01期

9 喻健良;闫兴清;罗从仁;;高温下法兰系统温度分布及螺栓载荷变化[J];压力容器;2013年11期

10 应道宴;蔡暖姝;蔡仁良;;螺栓法兰接头安全密封技术(三)——法兰的设计选用及其承载能力评估[J];化工设备与管道;2012年06期

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6 张忠华;高温螺栓法兰系统密封性能研究[D];大连理工大学;2012年

7 任世雄;考虑垫片非线性时法兰接头性能的三维有限元模拟[D];北京化工大学;2002年

本文编号：2799394