CN105909892B - 一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，包括以下步骤：分析垫片的压缩回弹性能；计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数；对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，获得变形协调方程，并确定垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的关系式；对法兰连接系统的紧密性进行安全评定；综合垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定法兰在一定工作压力条件下的初始预紧力的安全区域。该法兰接头预紧力设计方法能简单有效的对常温法兰连接系统进行紧密性评价，为垫片初始预紧力安全范围的确定提供依据，提高法兰连接系统安全性。

Description

一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法

技术领域

本发明涉及法兰接头技术领域，特别涉及一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法。

背景技术

在承压设备和管道中，由于生产工艺和安装检修的需要，通常采用可拆卸的密封连接结构。其中法兰连接是最典型的可拆卸密封连接，在中低压容器和管道中被广泛采用，尽管这种连接类型在拆卸方面是很实用的，但是它还是有一个潜在的泄露危害。即使在常温下，如果工作压力、垫片预紧力设定不当，会降低垫片的回弹性能，使垫片应力下降，法兰偏转角增大，螺栓法兰连接系统的紧密性会因泄露而破坏，导致石油化工装置失效。

现有技术中的法兰接头预紧力设计方法无法确保在一定工作压力条件下法兰连接系统的初始预紧力处于安全区域，导致法兰连接系统的紧密性不可靠。

发明内容

本发明提供了一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，解决了或部分解决了现有技术中法兰接头预紧力设计方法无法确保在一定工作压力条件下法兰连接系统的初始预紧力处于安全区域的技术问题，实现了简单有效的对常温法兰连接系统进行紧密性评价，提高法兰连接系统安全性的技术效果。

本发明提供的一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，包括以下步骤：

分析所述垫片的压缩回弹性能；

计算螺栓、法兰和所述垫片的弹性系数；

结合所述垫片的压缩回弹性能及所述螺栓、法兰和垫片的弹性系数，对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，获得变形协调方程，并确定垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的关系式；

对所述法兰连接系统的紧密性进行安全评定；

综合所述垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定所述法兰在一定工作压力条件下的初始预紧力的安全区域。

作为优选，计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数，包括：

通过普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得所述螺栓的弹性系数；

求取所述法兰对弯矩的弹性系数，及所述法兰对内压的弹性系数；

根据垫片弹性系数的计算方法求取所述垫片的弹性系数。

作为优选，所述螺栓的弹性系数

其中，l_b＝2t_f+t_g+0.5d；t_f为法兰的厚度，t_g为垫片厚度，d为螺栓直径。

作为优选，所述法兰对弯矩的弹性系数

其中，E为法兰的弹性模量，g₀为锥颈小端的厚度，v_f为泊松比；

所述法兰对内压的弹性系数

其中：P_c为内压，θ_fP为对应内压下的法兰转角，

E为所述法兰材料的弹性模量，A为所述法兰外径，B为所述法兰内径，B_G为重心参数，X_G为重心的横向位置。

作为优选，所述垫片弹性系数的计算方法包括：

确定所述法兰受弯矩作用产生的转角其中，为法兰在操作工况下所受弯矩，h_G为螺栓分布圆与垫片力之间的半径距离，h_p为螺栓分布圆与法兰内径之间的半径距离，为操作工况下所需的最小垫片压紧力，P_c为法兰连接系统的工作压力，A_p为垫片环绕的受压面积；

确定所述法兰受内压作用产生的转角

确定所述法兰的偏转角之和为：

根据所述法兰的偏转角之和确定所述垫片的弹性系数为：

其中，D_G为所述垫片的压缩量。

作为优选，对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，列写变形协调方程，包括：

将所述螺栓、法兰、垫片组成的整体看作是一个静不定结构，分析最终螺栓上残余载荷与最初的螺栓预紧力之间的关系，为研究变量的单一性，不考虑热膨胀和蠕变产生轴向位移的影响；

在预紧的过程中，所述螺母移动的轴向位移在整个工作时段内是保持不变的，得出所述变形协调方程为：

其中，分别为初态螺栓、法兰、垫片的位移，单位mm； 分别为末态螺栓、法兰、垫片的位移，单位mm；分别为所述螺栓、法兰及垫片的蠕变位移，单位mm；

设置轴向平衡条件，得到垫片压紧应力；所述轴向平衡条件为：

所述垫片压紧应力为：

其中，K_e是整个连接的等效弹性系数，

作为优选，由所述螺栓法兰连接协调分析可得，所述垫片压紧力与工作压力、垫片最大预紧力的关系式为：

作为优选，在操作工况下，所述法兰承受弯矩和内压的作用，所述法兰偏转角由弯矩和内压共同作用产生；

所述法兰在内压作用下的偏转角

所述法兰在弯矩作用下的偏转角其中，为所述法兰在操作工况下所受弯矩，即：

所述法兰偏转角与工作压力、垫片最大预紧力的关系式为：

作为优选，将在一定工况下工作的所述垫片压紧力与满足密封的最小压紧力进行比较，据此来对垫片的密封性进行评价；

将在一定工况下工作的所述法兰偏转角与ASME标准中限定的偏转角进行比较，对所述法兰连接系统的紧密性进行评价；

通过计算可以得到等垫片应力曲线和等法兰转角曲线的变化规律，根据所述变化规律，当给定一个工作压力，可以确定所述法兰连接系统满足紧密性时所需的初始预紧力的安全区域，且可以确定所述法兰连接系统的最大工作压力。

作为优选，综合所述垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定所述法兰在一定工作压力条件下的最大预紧力的安全区域，包括：

以所述垫片压紧力为评判准则的安全极限垫片初始预紧力为：

其中，A_g为垫片的有效接触面积，即：A_g＝πD_GN；mP_cA_g值为操作工况下满足密封要求的最小垫片压紧力；

以所述法兰偏转角为评判标准的安全极限垫片初始预紧力为：

所述垫片压紧力确定最小安全极限垫片预紧应力σ₁，所述法兰偏转角用来确定最大安全极限垫片预紧应力σ₂，在这两个限制条件下，可以得到在一定工作压力条件下的，法兰系统的初始预紧力的安全区域，使得螺栓法兰系统的紧密性达到最优。

本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

通过对垫片压缩回弹性能的分析，确定垫片的卸载性能与最大压缩量的关系，对法兰连接进行轴向位移的协调分析，求解垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的关系式；通过从垫片压紧力和法兰偏转角两方面对法兰连接系统的紧密性进行安全评定，并且综合垫片压紧力和法兰偏转角两方面给出法兰在一定工作压力条件下的最大预紧力的安全区域，垫片压紧力确定最小安全极限垫片预紧应力，法兰偏转角用来确定最大安全极限垫片预紧应力，由此可以直接得到螺栓法兰连接系统的初始预紧应力的安全区域，此安全区域可以作为预防法兰系统泄漏，评价法兰连接紧密性的重要依据。这样，有效解决了现有技术中法兰接头预紧力设计方法无法确保在一定工作压力条件下法兰连接系统的初始预紧力处于安全区域的技术问题，实现了简单有效的对常温法兰连接系统进行紧密性评价，为垫片初始预紧力安全范围的确定提供依据，提高法兰连接系统安全性的技术效果。

附图说明

图1为本发明提供的基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法的流程图；

图2为本发明提供的垫片压缩回弹曲线图；

图3为本发明提供的法兰连接系统的协调分析图；

图4为本发明提供的法兰连接分析模型图；

图5为本发明提供的等垫片应力、等法兰转角变化规律图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，解决了或部分解决了现有技术中法兰接头预紧力设计方法无法确保在一定工作压力条件下法兰连接系统的初始预紧力处于安全区域的技术问题，通过垫片压紧力确定最小安全极限垫片预紧应力，法兰偏转角用来确定最大安全极限垫片预紧应力，在这两个限制条件下，可以得到在一定工作压力条件下的，法兰连接系统的初始预紧力的安全区域，实现了简单有效的对常温法兰连接系统进行紧密性评价，提高安全性的技术效果。

参见附图1，本发明提供的一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，包括以下步骤：

S1：分析垫片的压缩回弹性能。

S2：计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数。

S3：结合垫片的压缩回弹性能及螺栓、法兰和垫片的弹性系数，对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，获得变形协调方程，并确定垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的关系式。

S4：对所述法兰连接系统的紧密性进行安全评定。

S5：综合所述垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定所述法兰在一定工作压力条件下的初始预紧力的安全区域。

进一步的，步骤S1中的压缩回弹性能是垫片的基本力学性能。在螺栓法兰连接的预紧阶段,垫片良好的压缩性能是保证其表面与法兰面形成初始密封的基本条件,而操作时则要求垫片具有较好的回弹性能,以便有效补偿操作工况下由介质压力、温度和法兰附加载荷引起的密封面的分离。

柔性石墨复合垫片在应力等级70Mpa、温度20℃下的压缩回弹曲线，参见附图2，由垫片的压缩回弹曲线便可大致了解，在操作条件下连接系统在不同最大压缩量处发生回弹其卸载性能的影响，进而得到垫片压缩回弹性能引起连接密封性能发生变化的规律。

将垫片的试验数据分别作拟合，并考虑温度的影响，得到如下压缩回弹曲线公式：

压缩曲线：

回弹曲线：

其中，A_C、B_C、N_C、A_S、B_S、A_T、B_T为回归系数，S_K为垫片预紧应力，D_K为不考虑蠕变时的最大变形量，T为试验温度。

由式(2)可得到，垫片的卸载性能与最大压缩量的关系，垫片在不同的最大压缩量处发生回弹时，其回弹曲线会不同，则垫片在回弹阶段的弹性系数将变化，导致垫片压紧力和法兰偏转角改变，影响法兰连接系统的紧密性。

进一步的，步骤S2包括：

S201：通过普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得所述螺栓的弹性系数；所述螺栓的弹性系数

其中，l_b＝2t_f+t_g+0.5d；t_f为法兰的厚度，t_g为垫片厚度，d为螺栓直径。

S202：求取所述法兰对弯矩的弹性系数，及所述法兰对内压的弹性系数；所述法兰对弯矩的弹性系数

其中，E为法兰的弹性模量，g₀为锥颈小端的厚度，v_f为泊松比；

所述法兰对内压的弹性系数

其中：P_c为内压，θ_fP为对应内压下的法兰转角，

E为所述法兰材料的弹性模量，A为所述法兰外径，B为所述法兰内径，B_G为重心参数，X_G为重心的横向位置。

S203：根据垫片弹性系数的计算方法求取所述垫片的弹性系数。

垫片弹性系数的计算方法为Abdel-Hakim Bouzid在Creep analysis of boltedflange joints文中引用的计算方法(选取垫片材料为柔性石墨复合垫片)，包括：

确定所述法兰受弯矩作用产生的转角其中，为法兰在操作工况下所受弯矩，h_G为螺栓分布圆与垫片力之间的半径距离，h_p为螺栓分布圆与法兰内径之间的半径距离，为操作工况下所需的最小垫片压紧力，P_c为法兰连接系统的工作压力，A_p为垫片环绕的受压面积；

确定所述法兰受内压作用产生的转角

确定所述法兰的偏转角之和为：

根据所述法兰的偏转角之和确定垫片的弹性系数为：

其中，D_G为所述垫片的压缩量。

进一步的，步骤S3包括：

S301：参见附图4，将所述螺栓、法兰、垫片组成的整体看作是一个静不定结构，分析最终螺栓上残余载荷与最初的螺栓预紧力之间的关系，为研究变量的单一性，不考虑热膨胀和蠕变产生轴向位移的影响；

S302：参见附图3，在预紧的过程中，所述螺母移动的轴向位移在整个工作时段内是保持不变的，得出所述变形协调方程为：

其中，分别为初态螺栓、法兰、垫片的位移，单位mm； 分别为末态螺栓、法兰、垫片的位移，单位mm；分别为所述螺栓、法兰及垫片的蠕变位移，单位mm；

S303：设置轴向平衡条件，得到垫片压紧应力；所述轴向平衡条件为：

所述垫片压紧应力为：

其中，K_e是整个连接的等效弹性系数，

S304：由所述螺栓法兰连接协调分析可得，所述垫片压紧力与工作压力、垫片最大预紧力的关系式为：

S305：在操作工况下，所述法兰承受弯矩和内压的作用，所述法兰偏转角由弯矩和内压共同作用产生；

所述法兰在内压作用下的偏转角

所述法兰在弯矩作用下的偏转角其中，为所述法兰在操作工况下所受弯矩，即：

所述法兰偏转角与工作压力、垫片最大预紧力的关系式为：

进一步的，步骤S4包括：将在一定工况下工作的垫片压紧力与满足密封的最小压紧力进行比较，据此来对垫片的密封性进行评价。

将在一定工况下工作的法兰偏转角与ASME标准中限定的偏转角进行比较，对法兰连接系统的紧密性进行评价。

通过计算得到等垫片应力曲线和等法兰转角曲线的变化规律，参见附图5，当给定一个工作压力，可以确定所述法兰连接系统满足紧密性时所需的初始预紧力的安全区域，且可以确定所述法兰连接系统的最大工作压力。

进一步的，步骤S5综合垫片压紧力和法兰偏转角两方面，给出法兰在一定工作压力条件下的最大预紧力的安全区域，使得螺栓法兰系统的紧密性达到最优，包括：

S501：垫片压紧力是指垫片在受压的工况下垫片轴向压紧力，此垫片压紧力是评价连接紧密性的一项重要指标。依照GB150标准和ASME标准的要求，在操作工况下垫片的压紧力大于mP_cA_g就认为达到了密封的要求。

m为垫片系数，P为法兰内部介质在工况下产生的压力，蔡仁良在《柔性石墨金属复合密封垫片材料的性能研究》中通过实验对柔性石墨波齿复合垫片的性能进行了研究，根据实验数据可知：m＝3，y＝31MPa。mP_cA_g值为操作工况下满足密封要求的最小垫片压紧力，先假设垫片压紧力减小至mP_cA_g，可以得到以所述垫片压紧力为评判准则的安全极限垫片初始预紧力为：

其中，A_g为垫片的有效接触面积，即：A_g＝πD_GN；mP_cA_g值为操作工况下满足密封要求的最小垫片压紧力；

S502：法兰偏转是由于螺栓转配载荷、操作内压和垫片回弹力等作用下发生的法兰体的弯曲变形、垫片的均匀压缩和螺栓拉弯变形相互协调共同造成的。由于法兰偏转角与垫片压紧应力的分布均匀性紧密相关，法兰偏转角越大，垫片压紧应力沿垫片宽度的分布越不均匀，当分布极度不均匀时，会导致垫片外侧应力过大而导致垫片局部压溃，致使有效密封宽度变窄，使泄漏率增加。因此必须限定法兰的偏转角，以保证法兰系统的紧密性。

研究的法兰为带颈对焊法兰，属于整体法兰，ASMEVIII-1中规定整体法兰的限定角度不超过0.3°，要限定法兰偏转即要限定法兰连接系统的初始预紧力。令即可得到相应工况下以所述法兰偏转角为评判标准的安全极限垫片初始预紧力为：

垫片压紧力确定最小安全极限垫片预紧应力σ₁，所述法兰偏转角用来确定最大安全极限垫片预紧应力σ₂，在这两个限制条件下，可以得到在一定工作压力条件下的，法兰系统的初始预紧力的安全区域，使得螺栓法兰系统的紧密性达到最优。由等垫片应力曲线和等法兰转角曲线的变化规律，当给定一个工作压力，可以得到法兰连接系统满足紧密性时，所需的初始预紧力在一定的安全区域内，且可以确定该法兰系统的最大工作压力。可在实际工程中，为垫片初始预紧力安全范围的确定提供依据，使得螺栓法兰系统的紧密性达到最优，也可为螺栓法兰连接系统的设计和紧密性的评定提供依据。

本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了通过对垫片压缩回弹性能的分析，讨论了垫片的卸载性能与最大压缩量的关系；通过对法兰连接进行轴向位移的协调分析，求解垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的变化规律；通过从垫片压紧力和法兰偏转角两方面对法兰连接系统的紧密性进行安全评定，并且综合垫片压紧力和法兰偏转角两方面给出法兰在一定工作压力条件下的最大预紧力的安全区域，垫片压紧力确定最小安全极限垫片预紧应力，法兰偏转角用来确定最大安全极限垫片预紧应力，由此可以直接得到螺栓法兰连接系统的初始预紧应力的安全区域，此安全区域可以作为预防法兰系统泄漏，评价法兰连接紧密性的重要依据。这样，有效解决了现有技术中法兰接头预紧力设计方法无法确保在一定工作压力条件下法兰连接系统的初始预紧力处于安全区域的技术问题，实现了简单有效的对常温法兰连接系统进行紧密性评价，为垫片初始预紧力安全范围的确定提供依据，提高法兰连接系统安全性的技术效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

分析所述垫片的压缩回弹性能；

计算螺栓、法兰和所述垫片的弹性系数；

结合所述垫片的压缩回弹性能及所述螺栓、法兰和垫片的弹性系数，对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，获得变形协调方程，并确定垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的关系式；

对所述法兰连接系统的紧密性进行安全评定；

综合所述垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定所述法兰在一定工作压力条件下的初始预紧力的安全区域。

2.如权利要求1所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数，包括：

通过普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得所述螺栓的弹性系数；

求取所述法兰对弯矩的弹性系数，及所述法兰对内压的弹性系数；

根据垫片弹性系数的计算方法求取所述垫片的弹性系数。

3.如权利要求2所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，

所述螺栓的弹性系数

其中，l_b＝2t_f+t_g+0.5d；t_f为法兰的厚度，t_g为垫片厚度，d为螺栓直径。

4.如权利要求2所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，

所述法兰对弯矩的弹性系数

其中，E为法兰的弹性模量，g₀为锥颈小端的厚度，v_f为泊松比；

所述法兰对内压的弹性系数

其中：P_c为内压，θ_fP为对应内压下的法兰转角， a₅＝-(h+t-X_G)，

E为法兰材料的弹性模量，A为法兰外径，B为法兰内径，B_G为重心参数，X_G为重心的横向位置。

5.如权利要求4所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，所述垫片弹性系数的计算方法包括：

确定所述法兰受弯矩作用产生的转角其中，为法兰在操作工况下所受弯矩，h_G为螺栓分布圆与垫片力之间的半径距离，h_p为螺栓分布圆与法兰内径之间的半径距离，为操作工况下所需的最小垫片压紧力，P_c为法兰连接系统的工作压力，A_p为垫片环绕的受压面积；

确定所述法兰受内压作用产生的转角

确定所述法兰的偏转角之和为：

根据所述法兰的偏转角之和确定所述垫片的弹性系数为：

其中，D_G为所述垫片的压缩量。

6.如权利要求1所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，列写变形协调方程，包括：

将所述螺栓、法兰、垫片组成的整体看作是一个静不定结构，分析最终螺栓上残余载荷与最初的螺栓预紧力之间的关系，为研究变量的单一性，不考虑热膨胀和蠕变产生轴向位移的影响；

在预紧的过程中，螺母移动的轴向位移在整个工作时段内是保持不变的，得出所述变形协调方程为：

其中，分别为初态螺栓、法兰、垫片的位移，单位mm； 分别为末态螺栓、法兰、垫片的位移，单位mm；分别为所述螺栓、法兰及垫片的蠕变位移，单位mm；

设置轴向平衡条件，得到垫片压紧应力；所述轴向平衡条件为：

所述垫片压紧应力为：

其中，K_e是整个连接的等效弹性系数，

7.如权利要求6所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，

由螺栓法兰连接协调分析可得，所述垫片压紧力与工作压力、垫片最大预紧力的关系式为：

8.如权利要求6所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，

在操作工况下，所述法兰承受弯矩和内压的作用，所述法兰偏转角由弯矩和内压共同作用产生；

所述法兰在内压作用下的偏转角

所述法兰在弯矩作用下的偏转角其中，为所述法兰在操作工况下所受弯矩，即：

所述法兰偏转角与工作压力、垫片最大预紧力的关系式为：

9.如权利要求1所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，

将在一定工况下工作的所述垫片压紧力与满足密封的最小压紧力进行比较，据此来对垫片的密封性进行评价；

将在一定工况下工作的所述法兰偏转角与ASME标准中限定的偏转角进行比较，对所述法兰连接系统的紧密性进行评价；

通过计算可以得到等垫片应力曲线和等法兰转角曲线的变化规律，根据所述变化规律，当给定一个工作压力，可以确定所述法兰连接系统满足紧密性时所需的初始预紧力的安全区域，且可以确定所述法兰连接系统的最大工作压力。

10.如权利要求1所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，综合所述垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定所述法兰在一定工作压力条件下的最大预紧力的安全区域，包括：

以所述垫片压紧力为评判准则的安全极限垫片初始预紧力为：

其中，A_g为垫片的有效接触面积，即：A_g＝πD_GN；mP_cA_g值为操作工况下满足密封要求的最小垫片压紧力；

以所述法兰偏转角为评判标准的安全极限垫片初始预紧力为：

所述垫片压紧力确定最小安全极限垫片预紧应力σ₁，所述法兰偏转角用来确定最大安全极限垫片预紧应力σ₂，在这两个限制条件下，可以得到在一定工作压力条件下的，法兰系统的初始预紧力的安全区域，使得螺栓法兰系统的紧密性达到最优。