外弯矩作用下金属透镜垫法兰连接结构受力特征研究

发布时间：2020-11-23 20:13

　　 金属透镜垫密封有效接触面积小,可以获得较高的接触应力,容易实现高压密封,因此被广泛的使用在高压管道连接中。然而在使用过程中除了承受介质内压和螺栓载荷作用外,还经常有来自管路系统中由热变形产生的外弯矩载荷的作用,造成螺栓管道法兰连接结构的泄露失效。本文在考虑内压和螺栓预紧载荷的基础上,研究了外弯矩作用下的螺栓法兰连接结构力学行为,建立了外弯矩作用下金属透镜垫理论分析的简化方法,为研究外弯矩作用下透镜垫螺栓法兰连接结构的密封性能提供了参考。本文的主要工作和研究结果如下:对外弯矩通过两相邻螺栓对称面的透镜垫法兰连接结构进行了实验研究,利用压降法测量在不同预紧力下,随外弯矩变化共计14种工况下金属透镜垫法兰连接结构泄漏率变化情况。通过在各个螺栓光杆部分黏贴2个180°间隔的应变计的方法测量了螺栓在预紧、加压和外弯矩全过程应变变化情况;同时建立了与试验相对应的三维有限元模型,对各个工况下金属透镜垫法兰连接结构进行了数值模拟计算;最后通过理论推导建立了外弯矩作用下金属透镜垫理论分析的简化方法。对比分析实验、有限元模拟计算和理论推导下各个工况的螺栓载荷变化,结果基本吻合。由外弯矩作用下金属透镜垫法兰连接结构的密封性能实验可知,金属透镜垫周向上压痕呈现明显分布不均现象,在“受压”侧压痕宽度较宽,在“受拉”侧压痕宽度较窄;泄漏率L_R与外弯矩M的关系为非线性关系,呈现两段式变化趋势,当预紧力大小分别为230kN或240kN、内压为2.0MPa,对于DN50的金属透镜垫螺栓法兰连接结构,当M3.5kN·m时,泄漏率随外弯矩的增大呈现出平稳上升的趋势,当外弯矩M3.5kN·m时,泄露率增长的速率明显增大。考察了外弯矩对垫片接触应力分布的影响,结果表明:外弯矩作用前垫片接触应力在圆周方向均匀分布在金属透镜垫的一个狭长带上,随着外弯矩的增大,金属透镜垫垫片接触应力在圆周上呈现分布不均匀变化,而且这种分布不均的趋势随着外弯矩的增大越来越显著。透镜垫接触应力在接触宽度中心区域最大,沿两侧逐渐减小,直至为零,在密封接触区域垫片接触应力沿径向分布并不均匀,透镜垫外径方向接触应力分布区域大于内径方向接触应力分布区域。
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与接管锥形密封面相接触，初始状锥形密封面之间相互接触挤压发生弹作状态时，在内部压力作用下密封接可减少因密封接触面偏转引起的接触优点，可以减少有效压力区[2]。透镜少管道内高压流体所产生的轴向端部需要的预紧载荷。透镜垫除了由预紧镜垫内壁面的自紧载荷[4]。因此，金肥等高压管线及相关装置中[5]。近些属透镜垫的套筒连接结构为解决深海镜垫密封结构。

试验装置简图

10图 2-2 试验实物图2.2.1 均匀加载系统均匀加载系统给试验装置提供的轴向压紧力由 Instron 8850 试验机施加，Instron 8850试验机的主要技术参数见表 2-1 所示；
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