温度及外弯矩作用下双楔角环垫法兰接头性能研究

发布时间：2020-09-17 09:31

　　 作为现代过程工业使用最为普遍的一种可拆卸连接方式,螺栓法兰连接广泛应用于食品、机械、航空航天等行业。这些行业大多都会涉及高温、高压,受外界恶劣环境等因素的影响较为严重,因此对螺栓法兰接头的密封性能提出了较高的要求。特别是近年来随着人们对环保要求日益增高,对螺栓法兰接头密封性能的研究更加引起了社会各界的广泛关注[1]。但是由于螺栓法兰连接系统较为复杂、在实际应用中使用数量比较庞大再加上连接接头往往处在复杂多变的载荷工况之下,使其成为压力容器及管道连接中较为薄弱的环节,因此螺栓法兰连接接头在高温及外载荷作用下的失效问题已经成为目前急需解决的一个问题。本论文选取工况条件为5MPa、研究对象为3英寸的双楔角环垫螺栓法兰接头建立三维有限元模型,对其在高温环境承受外弯矩等组合载荷下的强度、刚度及密封性能进行分析,具体研究内容与结论如下:(1)利用有限元软件ABAQUS对双楔角环垫法兰接头在预紧工况、操作工况的密封性能分析,得到了两种工况下螺栓法兰接头的应力分布,在此基础上进行了法兰的位移转角分析、螺栓及法兰的应力评定,分析此两种工况下螺栓法兰是否满足刚度要求、强度要求及密封要求,分析结果表明:双楔角环垫法兰接头在螺栓预紧力、内压及端部载荷的作用下,各部件满足强度及刚度要求且垫片最小接触应力满足密封所需的要求,为接下来螺栓法兰接头的热-结构耦合分析提供有效数据。(2)鉴于双楔角环垫法兰接头多在高温环境下工作,为准确分析双楔角环垫法兰接头的泄漏机理,进行了高温环境下的热分析,并采用顺序耦合的方法,分析了在不同温度作用下螺栓法兰接头的密封性能。分析得到,在温度达到773K,垫片应力衰减十分明显,法兰连接接头就会发生泄漏。(3)螺栓法兰接头除受管道内压外,在实际应用中还可能会伴随外弯矩的作用,且外弯矩导致的变形及转角通常是直接导致法兰接头密封失效的主要原因,本文对弯矩作用下的双楔角环垫法兰接头进行应力评定,得到在弯矩达到3000N·m时,标准尺寸的双楔角环垫法兰在路径所对应的一次应力大于许用应力所对应的数值,即无法通过强度校核,导致螺栓法兰接头密封失效。整个分析对于双楔角在实际中的应用有重要的参考价值。
【学位单位】：吉林化工学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH136
【部分图文】：

技术路线示意图

法兰锥颈小端有效厚度一般与管道壁厚相等，法兰直边段长度以及螺栓孔直径和螺栓个数可参考现有标准。图2.1 法兰及环垫尺寸Fig.2.1 Dimensions of the flange joint and a double wedge angle ring gasket2.2.2 双楔角环垫法兰接头的材料参数本文以双楔角环垫法兰接头作为研究对象，法兰和螺栓材料性能可看作均匀、各向同性且线弹性。紧固件为 8×M20 双头螺柱，垫片为双楔角环垫。法兰材料选用 10CrMo910，双头螺柱材料为 35CrMoA，垫片材料为 304L。双楔角环垫、螺栓及法兰材料参数根据《机械工程材料性能数据手册》[39]如表 2.1 所示。

有限元模型

【参考文献】

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本文编号：2820543