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基于缠绕式垫片的螺栓法兰连接系统的化工可靠性研究

时间:2018-03-30 18:48来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇化工工程论文,化学工程专业学生将系统地学习本专业必须的基础理论和工程技术知识,特别是以下方面的知识: (1)无机化学、有机化学、物理化学的基础理论与实验。
本文是一篇化工工程论文,化学工程专业学生将系统地学习本专业必须的基础理论和工程技术知识,特别是以下方面的知识: (1)无机化学、有机化学、物理化学的基础理论与实验; (2)化工原理、化工热力学、化学反应工程、分离工程、化工生产工艺与设备的基础理论与实验; (3)化工技术经济分析和生产运行管理; (4)研究与开发新产品、新设备和新工艺的初步能力等。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇化工工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪 论
 
1.1 选题背景
现如今,法兰连接已成为压力容器、石油化工设备以及管道中最常应用的连接形式。这种形式由螺栓、法兰、螺母和垫片共同组成,在石油化工、航空航天、核电等领域有广泛应用。压力容器的快速发展,也带动了垫片密封技术的发展,且垫片密封技术应用面愈加广泛。作为整体结构的法兰连接系统的密封机理也愈加复杂,且对其连接的强度及可靠性提出了更高的要求[1]。由垫片密封结构引起的设备管道泄漏,往往会造成不堪设想的后果。1990 年,印度新德里一农药厂发生严重毒气泄漏。事故造成近两万人死亡,约 50 万人受伤及20 万人致残。现代工业中,垫片密封失效往往伴随着严重的后果,跑、冒、滴、漏现象不但影响生产连续性,还会对财产安全形成极大隐患,带来严重伤亡事故。可见垫片的性能是关系设备管道系统密封性的要因之一。正因如此,人们愈加重视垫片的发展。缠绕式垫片因适应工况范围广、密封性能优良、易于安装等优点,在密封系统中有着广泛、大量的应用[2]。它是由一定几何截面的成型金属带、非金属填充材料带及内环、外环或内外环组成的一种复合型垫片。据统计,螺栓法兰连接系统所应用的垫片中,近六成以上是缠绕式垫片。缠绕式垫片主要有四种类型,分别是 A 型基本型金属缠绕垫片、B 型带内环金属缠绕垫片、C 型带外环金属缠绕垫片、D 型带内外环金属缠绕垫片。
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1.2 静密封中缠绕式垫片的发展情况分析
 
1.2.1 国内外缠绕式垫片标准情况概述
GB46-84《缠绕式垫片》,是我国发布的首部缠绕式垫片的标准,它适用于管法兰及压力容器法兰中的缠绕垫片,有带内加强环型、带外加强环形和带内外加强环形三种垫片类型,而没有提及基本型垫片,对垫片尺寸及其有关技术条件给予了内容说明,而并没有提到用来测试缠绕垫片密封性能的压缩—回弹试验[3]。而第二版国标被分为三项标准,即:GB4622.1,《缠绕式垫片分类》、GB4622.2,《缠绕式垫片管法兰用垫片尺寸系列》及 GB4622.3 ,《缠绕式垫片技术条件》。三项标准中,GB4622.1 对范围、标记等先后进行了三次修订,将其中术语进行规范与简化,如:“内环”取代“内加强环”,“定位环”取代“外加强环”;为与其他行标保持名称一致,修改了一些垫片型式代号,且对压力容器法兰用缠绕垫片内容进行删除。GB4622.2 经过四次修订,参照 ISC 标准作出一系列修改,公称压力等级被重新划分,原标准的 7 个等级扩展为 13 个,其中 PN10 等 8 个等级归于欧洲法兰及垫片系列,而Class150(PN20)等五个等级归于美洲法兰及垫片系列。GB 4622.3 对范围、材质、工艺条件、检测方法、检测规则、符号、包装等经过两次修订,对压力容器中缠绕垫片部分进行删除,降低了厚度范围而增大了材质种类,取消了两项性能试验,改进了水压密封试验的检验方式。此外,对于抽查检测的数量等因素做了进一步要求。我国共制定了 7 套缠绕式垫片的行业标准,包括中国原机械部标准JB/T4705-2000,JB/T90-1994,JB/T4719-92,JB/T6369-2005,中国石油化工总公司标准 SH3407-96,中国化工行业标准 HG20610-2009,HU20631-2009。与国内相比,国外标准制定得比较早,并且经过多次修改,比较完善。我国标准的制定基本参照以下三大标准,即:国际 ISC7483 标准、美国 ASMEB16.20 标准及欧洲 EN1514 - 2 标准。值得一提的是,我国标准在参照上述标准上,结合了我国实际情况。
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第二章 缠绕式垫片试验研究
 
2.1 系统综合性试验-刚性法兰试验装置
试验装置如图 2.1 所示。该装置可在常温或高温条件下,对垫片进行压缩—回弹性能及密封性能的试验。该装置由三部分组成,分别为连接加载系统、测量系统及温控系统。试验法兰由两个符合 HG5014-58、Pg100、DN80 的锥颈法兰组成,上法兰与盲板封焊,下法兰与一段 DN80 的无缝钢管焊接,连接螺栓为 8 个材质为 35CrMo、M20 的单头螺栓,螺栓载荷是通过扭矩扳手施加。法兰温度通过套在法兰外的加热器加热,由温控仪控制。测量系统包括:螺栓载荷由高温应变计测量,每个螺栓颈部沿法兰轴向两侧面对称贴有两个电阻应变片,并与 YJ-5 静态电阻应变仪相连,仪器误差小于百分之一。垫片的位移由置于顶板处的千分表测量,法兰转角由固定于下法兰盘上的侧板与千分表相连来测量,泄漏率通过侧漏空腔内压强变化采用状态方程法测量,侧漏空腔内的压强由量程为 100mm H O 的微压传感器测量,误差小于 0.5%。
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2.2 压紧钢带及成型钢带的几何结构尺寸设计
金属钢带是缠绕式垫片的主要结构,起到支撑整个垫片的作用,故其几何结构尺寸是影响垫片性能的关键参数,要基于缠绕垫片的压缩—回弹及其密封性等因素来设计,即要考虑金属钢带的弹塑性及非金属带的密封性,才能满足系统密封要求。因此,保证钢带几何尺寸设计的合理性尤为重要。本论文主要对 4.5mm 级别厚度的垫片进行设计,结合美国 API 规范的尺寸,V形垫片压紧钢带其波高 1.5mm,其宽度要求不超过 4.35mm。目前生产的垫片,厚度都在 4.65mm 左右。多出的 0.3mm 是钢带两侧的各 0.15mm 非金属填料,填料用以保证密封。假设平钢带宽度为 L,厚度为 b,V 形角度为 2α,波高为 h,直边宽度为 l,如图 2.3 所示,在满足此 V 形垫片中,压紧钢带宽度为 4.30mm 的情况下有下列等式:多年来,国产垫片的性能明显要比进口垫片性能差。其中原因固然多种多样,但根本原因还是在于国产垫片的设计缺乏科学性。许多厂家在设计垫片时,单纯把成型钢带与压紧钢带尺寸对等,或凭经验使其略有差异而已,这些不科学的设计都对垫片性能产生了影响。如果成型钢带与压紧钢带尺寸一致,钢带成型后的回弹会降低 V形钢带的波高,增大角度与进入压紧轮之间的宽度,使钢带与挡板发生摩擦,难以进入压紧轮而不能紧密地缠绕。这样就极大的影响了垫片的性能和产品的稳定性。所以设计成型带几何尺寸时要对以上问题加以考虑。由大量设计经验可知,成型带宽度要不超过 4.0mm,直边与斜边长度和压紧钢带尺寸保持相同。
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第三章 法兰转角的计算方法...............27
3.1 DIN2505 改进法计算法兰转角.........27
3.2 应用有限元计算法兰转角 ............29
3.3 试验和计算数据分析 ................30
第四章 高温螺栓法兰垫片系统的密封性研究..............34
4.1 高温下螺栓法兰垫片系统性能研究 ....34
4.1.1 系统模型建立的假设 ............34
4.1.2 系统相关参数的计算 ............35
4.2 紧密性的分析 .........37
4.2.1 对连接系统泄漏率的预测 ........37
4.2.2 对连接系统泄漏率的控制 ........40
第五章 系统有限元建模的分析.............43
5.1 有限元方法介绍 .......43
5.2 建立结构分析有限元模型 ............44
5.3 小结 ....51
 
第五章 系统有限元建模的分析
 
5.1 有限元方法介绍
伴随着计算机的普及应用,有限元法得以广泛推广,它是综合物理学、数学、计算机科学及力学等多学科而形成的一种计算方法,主要用于求解一般性的连续体问题。有限元法的基本思路可概括为:先化整为零,再积零为整,即将一个一般性的连续体划分成若干个单元,视整体结构由若干单元组成,再将这些单元组合起来整合成整体进行分析。实际上,这种方法是把一个复杂的偏微分方程转化成了一个可用计算机求解的代数方程组,很好地解决了问题。作为一种重要的科学计算方法,有限元应用于建筑学、生物医学、航空航天等各个领域。特别是对各类复杂的工程结构的研究,从结构设计到工程事故分析,都起到至关重要的作用。固体力学领域是公认的较早应用有限元法研究问题的领域,用以解决一般的连续性问题,其后渐渐拓展到电磁学、传热学以及流体力学。有限元法的出现,使一些以前难以解决的问题通过转化的手段得以解决:它把一些非常复杂的静力学结构分析转化成简单的计算,借助计算机后往往非常容易求解。此外,解决固体力学问题中的一些非线性类问题也成为了可能。有限元法的理论及其应用在近四十年里得到持续且快速的发展,研究愈加深入且领域也愈加广泛。就弹性力学领域而言,由只能浅显的研究平面问题逐步深入到空间问题,静力平衡也逐步扩展到动力问题、稳定及波动问题。除了单一的弹性材料,塑性材料甚至是复合材料也可作为分析的对象,非线性问题得以考虑。作为一种数值分析方法,有限元法的一大优点就是具有较强的可适用性。这是因为拆分单元可以形状各异且它们可以以任意方式进行排列,也就是说为了便于求解有限元法可以模拟出任意复杂的模型。这些优点,也有利于处理非均匀材料、解决非线性问题及各种复杂的边界条件,对于研究分析复杂结构来说是一种可靠有效的方法。随着有限元法在生产、设计、制造领域的普遍应用,它的作用已不仅仅是简单的分析与校核。如何利用其进行优化设计,已成为目前实际应用及研究的热点问题。
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结论
 
本论文应用 ANSYS 有限元软件,建立了法兰-垫片-螺栓连接系统的三维有限元模型,考虑了垫片材料的非线性和垫片加载-卸载过程的非保守性,系统分析了法兰几何参数对法兰接头完整性和紧密性的影响。通过本论文的研究可以得出如下结论:1、以 V 形柔性石墨缠绕式垫片研究为例,在影响其密封的各因素中,钢带角度与压紧力两因素带来的影响较为显著,试验中保证垫片性能最佳组合为:钢带角度111.4°,钢带拉紧力 15N,钢带压紧力 0.3MPa。2、通过分析缠绕式垫片,垫片的残余应力 SG、操作压力 P、操作温度 T 和泄漏率 Lr 的关系式,结合之后导出的系统变形协调计算方程,易于对泄漏率预测及加以控制。3、垫片上的应力受各元件材质及各类工况的影响,其分布在径向以及轴向都不均匀,且垫片厚度和螺栓预紧力等因素也对密封产生至关重要的影响。4、单纯考虑各部件性能后的优优组合,效果往往不是最佳,还需要通过大量试验、研究确定适合系统的最佳组合。
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参考文献(略)
 
(责任编辑:gufeng)
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