管法兰密封特殊性及泄漏概率研究

发布时间：2019-07-21 08:34

【摘要】：压力管道作为石油化工行业的重要设备,其密封性能的好坏直接影响着国民经济与人身安全。压力管道法兰的受力形式比设备法兰复杂的多,设备法兰主要受内压和温度载荷的作用,而管道法兰除了受内压、温度载荷作用外还会因为温度、内压、安装误差、自身重力等因素在法兰端面产生很大的附加轴向力和附加弯矩,并且附加载荷的大小具有不可预测性,很容易发生泄漏。在实际工程中管道法兰虽然满足设计要求,但是发生泄漏的事故却很多,这就是因为在法兰设计时没有考虑附加载荷的影响,因此研究管道法兰密封性能具有重要意义。本文主要对以下两个方面进行分析:①对螺栓法兰密封系统进行稳态、瞬态数值模拟,对其完整性和密封性能进行分析,研究管道法兰受载特殊性对密封性能影响。②考虑管线整体受力复杂的特点,创建了泄漏失效极限状态方程,应用Monte Carlo法结合概率统计学正态分布随机抽样理论,计算管道法兰密封失效泄漏概率。提出一种保障管道法兰密封系统安全运行的新方法,解决了基于传统设计方法设计出的管道法兰,在具有不确定性附加载荷作用下密封性能较差的问题,消除了通过盲目增大螺栓拉力来保证密封安全这种保守方法的弊端。本文首先根据传热学理论,创建了传热学模型,进而对系统进行稳态热分析和热-结构耦合分析,研究了法兰系统整体及其各个组件的应力分布。其次研究了法兰在弯矩作用下法兰整体及其组件的应力分布,并通过PVRC法计算不同弯矩作用下法兰的紧密度。再次,对系统进行瞬态热分析,研究不同时刻法兰系统的温度以及应力分布。最后应用概率分析法—Monte Carlo法计算法兰泄漏的概率,研究在不同工况下法兰密封泄漏失效概率。
【图文】：

Ｔｐｍｉｎ逦Ｔｐａ逡逑紧密度逡逑图１．１紧密性曲线的理想状态图逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｉｄｅａｌ邋ｓｔａｔｅ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑在实际工程中，可根据实际泄漏率与紧密度的关系，把紧密度依次分级，再根据紧逡逑密度对螺栓法兰系统进行结构设计。ＰＶＲＣ发布的紧密度等级见表３．１，每相邻一级逡逑的实际泄漏率差两个数量级。如以双对数坐标作图，垫片残余应力５ｂ邋（ＭＰａ）和紧密逡逑度ｒＰ基本成线性关系。如图Ｌ１所示，实验发现，垫片的加载和卸载时，其反力与紧密逡逑度的关系曲线并不重合，而且，当在加载曲线上的不同位置进行卸载时，，卸载曲线的走逡逑向也不相同。但却很简单明了地发现，所有的卸载曲线与纵轴的交点坐标基本重合。逡逑Ｇｂ为加载曲线上纵坐标的截距为加载曲线的斜率，＆为卸载曲线在纵坐标的截距。逡逑虽然基于ＰＶＲＣ的新设计方法在限制法兰最大应力方面并没有得到进一步实质性逡逑的进展，但是该方法引入了以定量分析为依据紧密度的概念，把密封条件和强度要求紧逡逑密联系起来，相对于传统方法设计而言，ＰＶＲＣ法更加的具备实际性和灵活性。逡逑．

２．１压力管线模型逡逑这是一台三联合重油催化裂化反应区催化剂罐的管线部分，工作压力４．５ＭＰａ，逡逑介质温度为３００°Ｃ，环境温度为２０°Ｃ，主要尺寸如图２．１所示，本文主要对图中管线逡逑ＩＩ处的螺栓法兰密封系统进行研究。因为介质扩散到环境中容易引起环境污染，且爆逡逑炸危害比较大，容易造成经济的损失且危害人身安全。所以对此螺栓法兰系统进行数逡逑值模拟计算是十分必要的。逡逑，逦“逦２１２逦＾广逦ｍ＾逦３Ｕ０＿逦逦逡逑图２．１压力管线螺栓法兰密封系统结构图逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｂｏｌｔｅｄ邋ｆｌａｎｇｅ邋ｓｅａｌｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｐｉｐｅｌｉｎｅ逡逑２．２密封系统结构有限元模型逡逑２．２．１各组件的尺寸逡逑管线法兰和垫片都是根据标准ＨＧ／Ｔ２０６１５－２００９《钢制管法兰》［１６］及逡逑ＨＧ／Ｔ２０６３１－２００９《钢制管法兰用缠绕式垫片》［１７］查得的标准件，ＤＮ１５０、Ｃｌａｓｓ６００凸逡逑面带颈对焊钢制管法兰，垫片为附带内环和外环的不锈钢柔性石墨缠绕垫，内环和外逡逑环以及金属带的材料都为0Ｃｒｌ８Ｎｉ９。垫片内、外环厚度要比垫片石墨缠绕层厚度小，逡逑在有限元模型中，内、外环是不能和法兰面相接触，所以要对垫片模型进行简化，按逡逑照柔性石墨缠绕层的尺寸建模。带颈对焊法兰和石墨缠绕垫的结构图如图２．２、２．３所逡逑示
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE65;TQ055.81

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本文编号：2517052