CN108710720B - 一种基于泄漏率的螺栓法兰连接结构分析设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于泄漏率的螺栓法兰连接结构分析设计方法，该方法包括步骤：选择法兰及垫片的结构尺寸和型式；试验测试垫片的压溃应力、压缩回弹及泄漏率‑垫片应力关系曲线；建立有限元模型，确定载荷系数；计算内压引起的垫片接触应力变化值；确定工作状态所需垫片接触应力；计算预紧状态所需垫片接触应力；计算螺栓预紧载荷；判断螺栓、法兰、垫片是否满足强度准则；选择新的法兰垫片结构型式；完成基于泄漏率的螺栓法兰连接结构设计。本发明所提出的基于泄漏率的螺栓法兰连接结构分析设计方法既考虑了螺栓法兰连接结构的强度准则，同时又考虑了其密封性能，为解决目前国内螺栓法兰连接结构设计时未考虑泄漏率的问题提供了技术支撑。

Description

一种基于泄漏率的螺栓法兰连接结构分析设计方法
技术领域
本发明属于螺栓法兰密封技术领域，具体涉及一种基于泄漏率的螺栓法兰密封结构分析设计方法。
背景技术
螺栓法兰连接作为一种可拆卸的静密封结构，广泛应用于石化、核电等领域的承压设备和管道中。螺栓法兰连接结构的失效形式表现为泄漏和强度失效，其中泄漏是其主要的失效形式。由于螺栓法兰接头内的介质多为易燃易爆、有毒有害介质，一旦发生泄漏往往会引起火灾爆炸等事故。此外，螺栓法兰接头泄漏的挥发性有机物(VOCs)也是造成大气污染的主要成因。
螺栓法兰连接结构的密封是通过预紧螺栓从而在垫片上施加一定的预紧应力来实现的；当受到介质压力作用时法兰密封面发生分离，此时垫片必须要能释放足够的弹性应变能以保持垫片具有一定的接触应力，从而保证其密封性能。螺栓法兰接头在实际工作中，由于受到螺栓载荷及介质内压的作用，法兰会发生偏转，造成垫片应力分布不均匀，从而影响其密封性能。受限于检测技术的影响，目前尚无准确有效的垫片接触应力试验测试方法。同时，由于垫片材料的非线性以及螺栓法兰连接结构复杂的接触问题，采用理论分析的方法也难以得到准确的垫片应力。
目前国内螺栓法兰连接结构的设计均采用GB 150标准进行设计，一方面，该设计方法通过垫片系数m和预紧比压y来计算螺栓载荷，但所采用的y和m值是经验值；另一方面，该设计方法仅以螺栓和法兰的强度为设计准则，未考虑泄漏率的要求。随着我国对环境保护要求的提高，对石化装置螺栓法兰接头的密封性能提出了更高的要求，建立以控制泄漏率为目标的法兰密封设计方法成为亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于泄漏率的螺栓法兰连接结构分析设计方法。该方法在螺栓法兰连接结构设计时，同时考虑了螺栓、法兰、垫片的强度以及连接结构的紧密性。
为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于泄漏率的螺栓法兰密封结构分析设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据工艺要求，明确螺栓法兰连接结构使用环境下的介质压力以及介质温度，选择法兰和垫片的结构型式、尺寸以及材料类型；
步骤2：根据垫片密封性能试验，获得所述垫片的压溃应力σGmax、压缩回弹曲线以及垫片应力-泄漏率的关系曲线；
步骤3：通过有限元分析软件，建立所述螺栓法兰连接结构的三维轴对称有限元分析模型，计算所述介质压力作用后单个螺栓载荷的变化量ΔF，按下式确定法兰连接结构的螺栓载荷系数
Figure BDA0001616439640000021
Figure BDA0001616439640000022
式(1)中，ri为垫片内半径，p为介质压力，N为螺栓个数；
步骤4：根据所述法兰连接结构的螺栓载荷系数和介质压力，按下式计算由于介质压力及法兰偏转引起的垫片接触应力变化值ΔSG，
Figure BDA0001616439640000023
式(2)中，ro为垫片外半径；
步骤5：根据设计条件要求的允许的最大泄漏率，结合试验测得的垫片应力-泄漏率关系曲线，确定工作状态下垫片接触应力SG；
步骤6：根据步骤4计算得到的垫片接触应力变化值ΔSG以及步骤5确定的工作状态下垫片接触应力SG，按下式计算初始预紧状态下法兰连接结构所需的最小垫片接触应力SG0，
SG0＝ΔSG+SG (3)
步骤7：根据步骤6计算得到的预紧状态下法兰连接结构所需最小垫片接触应力SG0，考虑工程实际加载中螺栓弹性交互作用引起的螺栓载荷分散性，在计算螺栓预紧载荷时引入螺栓的安装效率η，则可以通过下式计算得到螺栓预紧载荷F0，
Figure BDA0001616439640000031
步骤8：根据所述螺栓法兰连接结构的介质压力以及步骤7计算得到的螺栓预紧载荷，利用所述有限元分析模型进行管法兰接头应力分析，计算得到螺栓、法兰及垫片最大应力并校核螺栓、法兰以及垫片的强度，校核准则如下：
垫片：计算垫片最大应力SGmax＜垫片压溃应力σGmax；
螺栓：计算螺栓最大应力SBmax＜螺栓材料屈服应力σBy；
法兰：计算法兰最大应力SFmax＜法兰材料屈服应力σFy；
步骤9：若计算结果满足步骤8中的校核准则，则可以确定所需的法兰垫片结构型式以及初始预紧螺栓载荷；若不满足步骤8中的校核准则，则重新选择法兰垫片型式后，按所述步骤2～8重新进行分析设计。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明在螺栓预紧载荷设计时采用有限元进行分析计算，考虑了垫片材料的非线性以及法兰的偏转引起的垫片应力不均匀分布。
(2)本发明所提出的基于泄漏率的螺栓法兰连接结构分析设计方法既考虑了螺栓法兰连接结构的强度准则，同时又考虑了其密封性能，为解决目前国内螺栓法兰连接结构设计时未考虑泄漏率的问题提供了技术支撑。
附图说明
图1是本发明提供的基于泄漏率的螺栓法兰连接结构分析设计流程图；
图2是试验测得的柔性石墨缠绕垫片压缩回弹曲线；
图3是试验测得的柔性石墨缠绕垫片泄漏率-垫片应力的关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明中的基于泄漏率的螺栓法兰连接结构分析设计方法进行详细说明：
实施例为石化装置某管法兰接头，管道内直径为78mm，工作压力4MPa，工作温度20℃，内部介质为甲烷，允许最大泄漏率为2×10-4cm3/s。
分析设计过程如下：
步骤1：根据工作条件和管道内径，法兰初步选用DN80，Class300的长颈对焊凸面钢制管法兰，法兰结构尺寸符合HG/T 20615-2009标准，材料为15CrMo，弹性模量为212GPa，泊松比为0.284；螺栓尺寸及数量为M20×8，材料为35CrMoA，弹性模量为214GPa，泊松比为0.286；垫片选择柔性石墨缠绕垫，金属带材料为304不锈钢，结构尺寸符合HG/T 20631-2009标准；
步骤2：根据选择的垫片型式，开展垫片密封性能试验，获得垫片所能承受的最大压溃应力σGmax为150MPa、垫片的压缩回弹性能曲线如图2所示，介质压力为4MPa时垫片应力-泄漏率的关系如图3所示，对试验获得的垫片应力-泄漏率数据点进行曲线拟合，其拟合公式为
Figure BDA0001616439640000041
步骤3：利用有限元分析软件ABAQUS，考虑螺栓法兰连接结构的对称性，选取1/8几何结构，建立所述螺栓法兰连接结构的三维轴对称有限元分析模型。当介质压力为4MPa时，螺栓载荷的增加量ΔF为0.65KN，则由公式(1)计算得到螺栓载荷系数
Figure BDA0001616439640000042
为0.16；
步骤4：根据公式(2)计算得到由于介质内压及法兰偏转引起的垫片接触应力减小值ΔSG为8.2MPa；
步骤5：设计条件要求允许最大泄漏率为2×10-4cm3/s根据试验测得的垫片应力-泄漏率的关系拟合曲线，求得工作状态下垫片接触应力SG为52.1MPa；
步骤6：由公式(3)计算得到初始预紧状态下法兰连接结构所需的最小垫片接触应力SG0为60.3MPa；
步骤7：对柔性石墨缠绕垫片，螺栓法兰连接结构预紧时的螺栓安装效率η取0.8，由公式(4)计算得到螺栓预紧载荷F0为31.4KN；
步骤8：将螺栓预紧载荷代入有限元模型进行应力分析，得到螺栓最大应力SBmax为231MPa，法兰最大应力SFmax为162.3MPa，垫片最大接触应力SGmax为77.5MPa；
步骤9：查阅相关标准可知，螺栓材料室温下的屈服应力σBy为550MPa，法兰材料室温下的屈服应力σFy为270MPa。进行螺栓法兰连接各元件的强度校核，可知
垫片：垫片最大应力SGmax＝77.5MPa＜垫片压溃应力σGmax＝150MPa；
螺栓：螺栓最大应力SBmax＝231MPa＜螺栓材料屈服应力σBy＝550MPa；
法兰：法兰最大应力SFmax＝162.3MPa＜法兰材料屈服应力σFy×270MPa；校核结果满足强度准则，因此，确定该螺栓法兰连接结构的初始预紧螺栓载荷为31.4KN。

Claims (1)

1.一种基于泄漏率的螺栓法兰连接结构分析设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据工艺要求，明确螺栓法兰连接结构使用环境下的介质压力以及介质温度，选择法兰和垫片的结构型式、尺寸以及材料类型；
步骤2：根据垫片密封性能试验，获得所述垫片的压溃应力σGmax、压缩回弹曲线以及垫片应力-泄漏率的关系曲线；
步骤3：通过有限元分析软件，建立所述螺栓法兰连接结构的三维有限元分析模型，计算所述介质压力作用后单个螺栓载荷的变化量ΔF，按下式确定法兰连接结构的螺栓载荷系数
Figure FDA0001616439630000011
Figure FDA0001616439630000012
式(1)中，ri为垫片内半径，p为介质压力，N为螺栓个数；
步骤4：根据所述法兰连接结构的螺栓载荷系数和介质压力，按下式计算由于介质压力及法兰偏转引起的垫片接触应力变化值ΔSG，
Figure FDA0001616439630000013
式(2)中，ro为垫片外半径；
步骤5：根据设计条件要求的允许的最大泄漏率，结合试验测得的垫片应力-泄漏率关系曲线，确定工作状态下垫片接触应力SG；
步骤6：根据步骤4计算得到的垫片接触应力变化值ΔSG以及步骤5确定的工作状态下垫片接触应力SG，按下式计算初始预紧状态下法兰连接结构所需的最小垫片接触应力SG0，
SG0＝ΔSG+SG (3)
步骤7：根据步骤6计算得到的预紧状态下法兰连接结构所需最小垫片接触应力SG0，考虑工程实际加载中螺栓弹性交互作用引起的螺栓载荷分散性，在计算螺栓预紧载荷时引入螺栓的安装效率η，则可以通过下式计算得到螺栓预紧载荷F0，
Figure FDA0001616439630000021
步骤8：根据所述螺栓法兰连接结构的介质压力以及步骤7计算得到的螺栓预紧载荷，利用所述有限元分析模型进行管法兰接头应力分析，计算得到螺栓、法兰及垫片最大应力并校核螺栓、法兰以及垫片的强度，校核准则如下：
垫片：计算垫片最大应力SGmax＜垫片压溃应力σGmax；
螺栓：计算螺栓最大应力SBmax＜螺栓材料屈服应力σBy；
法兰：计算法兰最大应力SFmax＜法兰材料屈服应力σFy；
步骤9：若计算结果满足步骤8中的校核准则，则可以确定所需的法兰垫片结构型式以及初始预紧螺栓载荷；若不满足步骤8中的校核准则，则重新选择法兰垫片型式后，按所述步骤2～8重新进行分析设计。
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