CN109446554A - 一种hdpe管系法兰连接的选型设计和分析评价方法 - Google Patents

一种hdpe管系法兰连接的选型设计和分析评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法，包括以下步骤：S1、根据管道系统各工况下的压力确定法兰设计压力，并确定法兰连接形式和法兰接头的结构尺寸；S2、确定法兰轴向载荷范围；S3、评价法兰接头承压部件的强度；S4、输出各工况下法兰界面输出载荷，并判断其是否满足载荷评价准则；S5、确定初始安装时的法兰轴向载荷，判断初始安装时的法兰轴向载荷是否满足接触面密封性评价准则；S6、判断螺栓强度是否满足要求。本发明提供的HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法成本低、耗时短，且可以方便开展参数的敏感性分析，具有很好的通用性，适合于大规模推广应用。

Description

一种HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法
技术领域
本发明涉及法兰连接技术领域，尤其涉及一种HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法。
背景技术
HDPE(High density polyethylene，高密度聚乙烯)材料以其优异的抗腐蚀和抗微生物性能在常规工业管道设计中取得了优异的成效，也成为核电站部分系统金属管道的理想备选替代材料之一。法兰连接是HDPE管系中常用的一种连接形式，论证法兰连接是否能够执行系统设计所需的功能是核电站管系评价的重要内容，也是核电安全性的重要保障之一。
然而，由于HDPE材料与金属材料具有极大的力学性能差异，目前应用于金属管道法兰连接的选型设计和分析评价不能直接应用于HDPE管系中，且相关领域内也没有基于分析计算的可应用于HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价的用具和系统。若将法兰连接应用于核电站的HDPE管系中，只能通过试验的方法验证其是否能够执行系统设计所需的功能，其主要过程包括试验对象的制作、模拟装置的搭建、系统工况的模拟、模拟工况下试验对象响应的测试和法兰连接性能的评价。该方法虽然是最直接的功能性验证方法，但是一次试验只能针对指定试验对象在指定工况下的功能性进行评价，无论是试验对象还是所模拟的工况，都不具有拓展性和通用性；另一方面，试验验证中固定其他参数对某一特定参数开展敏感性分析执行难度大，参数变化范围受限，成本高，耗时长；同时，从试验的准备到试验的开展再到试验数据的后处理，不仅需要高昂的运营成本，还需要较长的工作周期，经济性差、耗时多，使得采用试验的方法进行HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价无法完全满足工程设计对设计灵活性、产品经济性和时效性的要求。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的问题，提供了一种HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法，可直接应用于实际工程，解决现有技术中采用试验的方法经济性差、通用性差，耗时长和参数敏感性分析难度大的问题。
本发明用于解决以上技术问题的技术方案为：提供一种HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法，包括以下步骤：
S1、根据管道系统各工况下压力确定法兰设计压力，并确定法兰连接形式和法兰接头的结构尺寸；
S2、根据所述法兰设计压力和法兰连接形式确定法兰轴向载荷范围；
S3、在管道系统中评价法兰接头承压部件的强度是否满足压力边界完整性要求，若满足,则进入下一步骤；否则，返回步骤S1；
S4、输出管道系统各工况下法兰界面输出载荷，并判断其是否满足载荷评价准则；若满足，则进入下一步骤；否则，返回步骤S1；
S5、根确定初始安装时的法兰轴向载荷，并判断其是否满足接触面密封性评价准则；若满足，则进入下一步骤；否则，返回步骤S1；
S6、根据法兰界面输出载荷和初始安装时的法兰轴向载荷判断螺栓强度是否满足螺栓强度要求；若满足，则结束评价；否则，返回步骤S1。
本发明提供的法兰连接的选型设计和分析评价方法中，还包括步骤：
S7、根据螺栓初始安装载荷确定螺栓安装扭矩。
本发明提供的法兰连接的选型设计和分析评价方法中，步骤S1包括：
S11、根据连接管道的材料确定法兰连接形式，所述法兰连接形式包括用于连接HDPE管道和金属管道的HDPE法兰接头与金属法兰的连接，以及用于连接两根HDPE管道的两个HDPE法兰接头的连接；所述HDPE法兰接头与金属法兰以及两个HDPE法兰接头分别通过活套金属法兰连接；
S12、根据管道连接需求确定是否需要密封垫圈，所述密封垫圈与管道系统的工作要求相匹配。
本发明提供的法兰连接的选型设计和分析评价方法中，步骤S2包括：
S21、根据法兰设计压力Pd计算法兰轴向载荷最小值Fmin1：
Fmin1＝π(0.25Dc 2+2aDcb)cPd (1)；
公式(1)中，Dc为密封环形面的直径；a为放大系数，其根据密封垫圈的选型进行选择；b为密封环形面的宽度；c为材料的长期蠕变放大系数；
S22、计算法兰轴向载荷最小值Fmin2和法兰轴向载荷最大值Fmax：
Fmin2＝πbDcσmin (2a)；
Fmax＝πbDcσmax (2b)；
公式(2a)和(2b)中，Dc为密封环形面的直径；b为密封环形面的宽度；σmin和σmax分别为考虑HDPE材料长期蠕变和应力松弛特性的密封垫圈的最小和最大许用压应力；
S23、确定所述法兰轴向载荷F范围：
Fmin＜F＜Fmax；
式中，Fmin＝max(Fmin1,Fmin2)。
本发明提供的法兰连接的选型设计和分析评价方法中，步骤S3包括：
S31、在有限元软件中采用直管单元模拟法兰接头，并在连接处定义集中质量模拟活套金属法兰；
S32、定义法兰接头的应力指数和柔度系数；
S33、利用有限元软件计算法兰接头在各载荷作用下的响应；
S34、利用线性叠加原理计算系统各工况下法兰接头的响应，评价法兰接头的压力边界完整性；若评定结果不满足要求，则返回步骤S1。
本发明提供的法兰连接的选型设计和分析评价方法中，步骤S4包括：
S41、输出各工况下法兰界面输出载荷中轴向力的最小值FUmin和最大值FUmax；
S42、判断所述法兰界面输出载荷中轴向力的最小值FUmin和最大值FUmax是否满足载荷评价准则：
Fmax-FUmax＞Fmin-FUmin (3)；
S43、当所述载荷评价准则成立时，进入下一步骤；否则，返回步骤S1。
本发明提供的法兰连接的选型设计和分析评价方法中，步骤S5包括：
S51、确定初始安装时的法兰轴向载荷Fi：
Fi＝0.5(Fmax+Fmin-FUmax-FUmin) (4)；
S52、判断初始安装时的法兰轴向载荷Fi是否满足接触面密封性评价准则：
公式(5a)和(5b)中，Fx取Fi+FUmin或Fi+FUmax，Mbmax为法兰界面输出载荷中弯矩的最大值；
S53、当所述接触面密封性评价准则成立时，进入下一步骤；否则，返回步骤S1。
本发明提供的法兰连接的选型设计和分析评价方法中，步骤S1还包括：
S13、根据相连的HDPE管道的公称直径确定HDPE法兰接头的公称直径；
S14、根据法兰设计压力确定HDPE法兰接头的壁厚；
S15、确定活套金属法兰和凸面颈圈法兰的型号。
本发明提供的法兰连接的选型设计和分析评价方法中，在进入步骤S11之前还包括：
S10、确定管道系统正常工况下的最大压力Pd1、确定管道系统扰动工况下的最大压力Pd2、确定管道系统异常工况下的最大压力Pd3、确定管道系统的系统试验压力最大值Pd4，且最大压力Pd2在寿期内累积时间小于10％的系统设计寿期；法兰设计压力Pd满足：
Pd＝max(Pd1,Pd2/1.2,Pd3/2,Pd4)。
本发明提供的法兰连接的选型设计和分析评价方法中，步骤S7包括：
S71、根据螺栓初始安装载荷确定单个螺栓的初始拉载荷；
S72、根据单个螺栓的初始拉载荷计算拧紧力矩。
实施本发明提供的一种HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法，具有以下有益效果：该选型设计和分析评价方法相对于试验方法而言，成本低、通用性强、耗时短，且可以方便开展参数的敏感性分析，可直接应用于工程中的HDPE法兰连接设计，并保证其满足管道系统的设计要求，具有非常好的经济性和通用性；同时，该设计和分析方法不需要根据设计对象进行实物试验，具有很好的通用性，适合于大规模推广应用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例提供的HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的HDPE法兰接头与金属法兰连接的剖面图；
图3是本发明实施例提供的两个HDPE法兰接头连接的剖面图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法，包括以下步骤：
S1、选取管道系统各工况下压力的最大值为法兰设计压力，并根据所述法兰设计压力和连接管道确定法兰连接形式和法兰接头的结构尺寸；
S2、根据所述法兰设计压力和法兰连接形式确定保证密封性的法兰轴向载荷范围；
S3、在管道系统中评价法兰接头承压部件的强度，若强度评价结果满足压力边界完整性，则进入下一步骤；若不满足，则返回步骤S1；
S4、输出管道系统各工况下法兰界面输出载荷，并判断所述法兰轴向载荷范围和法兰界面输出载荷之间是否满足载荷评价准则；若满足，则进入下一步骤；若不满足，则返回步骤S1；
S5、根据所述法兰轴向载荷范围和法兰界面输出载荷确定初始安装时的法兰轴向载荷，判断初始安装时的法兰轴向载荷是否满足接触面密封性评价准则；若满足，则进入下一步骤；若不满足，则返回步骤S1；
S6、根据法兰界面输出载荷和初始安装时的法兰轴向载荷判断螺栓强度是否满足螺栓强度要求；若满足，则结束评价；若不满足，则返回步骤S1。
具体的，步骤S1包括：
S10、确定管道系统正常工况下的最大压力Pd1、确定管道系统扰动工况下的最大压力Pd2、确定管道系统异常工况下的最大压力Pd3、确定管道系统的系统试验压力最大值Pd4，其中，最大压力Pd2在寿期内累积时间小于10％的系统设计寿期；法兰设计压力Pd满足：
Pd＝max(Pd1,Pd2/1.2,Pd3/2,Pd4)；
即法兰设计压力Pd取Pd1、Pd2/1.2、Pd3/2和Pd4的最大值，其中，最大压力Pd2和最大压力Pd3的系数依据管道系统扰动工况下和异常工况下的最大压力不大于正常工况下的最大压力的1.2倍和2倍确定。
S11、根据连接管道的材料确定法兰连接形式；如图2所示，所述法兰连接形式包括HDPE法兰接头10与金属法兰20的连接，其中，HDPE法兰接头10通过熔接焊与HDPE管道11连接，金属法兰20与金属管道21连接，且HDPE法兰接头10与金属法兰20通过活套金属法兰30连接；
如图3所示，所述法兰连接形式还包括两个HDPE法兰接头10的连接，两个HDPE法兰接头10分别连接HDPE管道11，且两个HDPE法兰接头10通过活套金属法兰30连接；
S12、根据管道连接需求确定是否需要密封垫圈40，密封垫圈40与管道系统的工作要求相匹配；其中，管道连接需求根据法兰的结构和法兰面的形状确定；密封垫圈40主要考虑工况温度和工质选择合适的材料，包括橡胶、聚乙烯等刚度小、变形大的材料；
S13、根据相连的HDPE管道的公称直径确定HDPE法兰接头的公称直径；
S14、根据法兰设计压力确定HDPE法兰接头的壁厚，所述HDPE法兰接头的壁厚tdesign应满足：
tdesign＝tmin+c；
式中，tmin为HDPE法兰接头的最小壁厚；Pd为法兰设计压力；D为法兰接头的平均外径；S为法兰接头的许用应力；c为考虑管件制备和焊接缺陷及运输安装损伤的修正系数。
S15、根据选定的设计规范、HDPE法兰接头的公称直径和法兰设计压力确定活套金属法兰和凸面颈圈法兰的型号，并记录下选定型号的法兰尺寸；本实施例中，设计规范包括但不限于asme16.5和GB/T9119，只要前后选用一致的规范即可。
进一步地，步骤S2具体包括：
S21、根据法兰设计压力和法兰的结构尺寸计算法兰轴向载荷最小值Fmin1：
Fmin1＝π(0.25Dc 2+2aDcb)cPd (1)；
公式(1)中，Dc为密封环形面的直径；a为放大系数，其根据密封垫圈的选型进行选择；b为密封环形面的宽度；c为材料的长期蠕变放大系数；Pd为法兰设计压力；
S22、根据HDPE材料的长期蠕变特性和密封垫圈的许用压应力计算法兰轴向载荷最小值Fmin2和法兰轴向载荷最大值Fmax：
Fmin2＝πbDcσmin (2a)；
Fmax＝πbDcσmax (2b)；
公式(2a)和(2b)中，Dc为密封环形面的直径；b为密封环形面的宽度；σmin和σmax分别为考虑HDPE材料长期蠕变和应力松弛特性的密封垫圈的最小和最大许用压应力；
S23、确定保证密封性的法兰轴向载荷F范围：
Fmin＜F＜Fmax；
式中，法兰轴向载荷最小值Fmin＝max(Fmin1,Fmin2)。
进一步地，步骤S3具体包括：
S31、在有限元软件中采用直管单元模拟法兰接头，并在连接处定义集中质量模拟活套金属法兰；其中，法兰接头包括HDPE法兰接头和/或金属法兰；
S32、定义法兰接头的应力指数和柔度系数；
S33、利用有限元软件计算法兰接头在各载荷作用下的应力应变响应；
S34、利用线性叠加原理计算系统各工况下法兰接头的应力应变响应，评价法兰接头的压力边界完整性；本实施例中，压力边界完整性指管部件符合不破、不断、不裂、不漏的要求；
若评定结果不满足要求，则返回步骤S1，调整管道的布置方案或重新确定法兰连接形式和法兰接头的结构尺寸，使管道系统的评定满足边界完整性要求。
进一步地，步骤S4具体包括：
S41、输出管道系统各工况下法兰界面输出载荷中轴向力的最小值FUmin和最大值FUmax；其中，可以采用有限元软件根据软件的设置输出所述法兰界面输出载荷，也可以根据响应结果手动计算得出，均为本领域的基础专业知识，本实施例不再赘述；
S42、判断所述法兰轴向载荷范围和法兰界面输出载荷中轴向力的最小值FUmin和最大值FUmax是否满足载荷评价准则：
Fmax-FUmax＞Fmin-FUmin (3)；
公式(3)中，Fmin和Fmax分别为确保密封性的法兰轴向载荷的最小值和最大值；
S43、当所述载荷评价准则成立时，即公式(3)成立时，进入下一步骤；若所述载荷评价准则不成立，则返回步骤S1。
进一步地，步骤S5包括：
S51、确定初始安装时的法兰轴向载荷Fi：
Fi＝0.5(Fmax+Fmin-FUmax-FUmin) (4)；
S52、判断初始安装时的法兰轴向载荷Fi是否满足接触面密封性评价准则：
公式(5a)和(5b)中，Fx取Fi+FUmin或Fi+FUmax，Mbmax为法兰界面输出载荷中弯矩的最大值；
S53、当接触面密封性评价准则成立时，即公式(5a)和(5b)同时成立，则进入下一步骤；若所述接触面密封性评价准则不成立，则返回步骤S1。
进一步地，步骤S6包括：
S6、根据法兰界面输出载荷和初始安装时的法兰轴向载荷判断螺栓强度是否满足螺栓强度要求；若满足，则结束评价；若不满足，则返回步骤S1。
本实施例中，螺栓强度评价可以利用强度校核的基本公式计算得出，本实施例不再赘述。
进一步地，步骤S7具体包括：
S71、根据螺栓初始安装载荷Ftotal-install确定单个螺栓的初始拉载荷Fsingle-install：
Fsingle-install＝Ftotal-install/Nbolts；
式中，Nbolts为连接螺栓的数量；
S72、根据单个螺栓的初始拉载荷Fsingle-install计算拧紧力矩Mt：
Mt＝K×Fsingle-install×Dbolts；
式中，K为拧紧力系数，可查机械设计手册获取；Dbolts为螺栓的螺纹公称直径。
综上所述，本发明基于HDPE材料力学行为和性能的特点，运用力学的基本原理和方法，首次提出应用于HDPE管系的法兰连接设计和分析评价方法，填补了国内空白；同时，相对于试验方法而言，该设计和分析评价方法成本低，通用性强，耗时短，且可以方便开展参数的敏感性分析，可直接应用于工程中的HDPE法兰连接设计，并保证其满足管道系统的设计要求，具有非常好的经济性和通用性；另一方面，该设计和分析方法不需要根据设计对象进行实物试验，具有很好的通用性，适合于大规模推广应用。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种HDPE管系法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据管道系统各工况下压力的确定法兰设计压力，并确定法兰连接形式和法兰接头的结构尺寸；
S2、根据所述法兰设计压力和法兰连接形式确定法兰轴向载荷范围；
S3、在管道系统中评价法兰接头承压部件的强度是否满足压力边界完整性要求，若满足，则进入下一步骤；否则，返回步骤S1；
S4、输出管道系统各工况下法兰界面输出载荷，并判断其是否满足载荷评价准则；若满足，则进入下一步骤；否则，返回步骤S1；
S5、确定初始安装时的法兰轴向载荷，并判断其是否满足接触面密封性评价准则；若满足，则进入下一步骤；否则，返回步骤S1；
S6、根据法兰界面输出载荷和初始安装时的法兰轴向载荷判断螺栓强度是否满足螺栓强度要求；若满足，则结束评价；否则，返回步骤S1。
2.根据权利要求1所述的法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，还包括步骤：
S7、根据螺栓初始安装载荷确定螺栓安装扭矩。
3.根据权利要求1所述的法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11、根据连接管道的材料确定法兰连接形式，所述法兰连接形式包括用于连接HDPE管道和金属管道的HDPE法兰接头与金属法兰的连接，以及用于连接两根HDPE管道的两个HDPE法兰接头的连接；所述HDPE法兰接头与金属法兰以及两个HDPE法兰接头分别通过活套金属法兰连接；
S12、根据管道连接需求确定是否需要密封垫圈，所述密封垫圈与管道系统的工作要求相匹配。
4.根据权利要求3所述的法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21、根据法兰设计压力Pd计算法兰轴向载荷最小值Fmin1：
Fmin1＝π(0.25Dc 2+2aDcb)cPd (1)；
公式(1)中，Dc为密封环形面的直径；a为放大系数，其根据密封垫圈的选型进行选择；b为密封环形面的宽度；c为材料的长期蠕变放大系数；
S22、计算法兰轴向载荷最小值Fmin2和法兰轴向载荷最大值Fmax：
Fmin2＝πbDcσmin (2a)；
Fmax＝πbDcσmax (2b)；
公式(2a)和(2b)中，Dc为密封环形面的直径；b为密封环形面的宽度；σmin和σmax分别为考虑HDPE材料长期蠕变和应力松弛特性的密封垫圈的最小和最大许用压应力；
S23、确定所述法兰轴向载荷F范围：
Fmin＜F＜Fmax；
式中，Fmin＝max(Fmin1，Fmin2)。
5.根据权利要求3所述的法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31、在有限元软件中采用直管单元模拟法兰接头，并在连接处定义集中质量模拟活套金属法兰；
S32、定义法兰接头的应力指数和柔度系数；
S33、利用有限元软件计算法兰接头在各载荷作用下的响应；
S34、利用线性叠加原理计算系统各工况下法兰接头的响应，评价法兰接头的压力边界完整性；若评定结果不满足要求，则返回步骤S1。
6.根据权利要求4所述的法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，步骤S4包括：
S41、输出各工况下法兰界面输出载荷中轴向力的最小值FUmin和最大值FUmax；
S42、判断所述法兰界面输出载荷中轴向力的最小值FUmin和最大值FUmax是否满足载荷评价准则：
Fmax-FUmax＞Fmin-FUmin (3)；
S43、当所述载荷评价准则成立时，进入下一步骤；否则，返回步骤S1。
7.根据权利要求6所述的法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，步骤S5包括：
S51、确定初始安装时的法兰轴向载荷Fi：
Fi＝0.5(Fmax+Fmin-FUmax-FUmin) (4)；
S52、判断初始安装时的法兰轴向载荷Fi是否满足接触面密封性评价准则：
公式(5a)和(5b)中，Fx取Fi+FUmin或Fi+FUmax，Mbmax为法兰界面输出载荷中弯矩的最大值；
S53、当所述接触面密封性评价准则成立时，进入下一步骤；否则，返回步骤S1。
8.根据权利要求3所述的法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，步骤S1还包括：
S13、根据相连的HDPE管道的公称直径确定HDPE法兰接头的公称直径；
S14、根据法兰设计压力确定HDPE法兰接头的壁厚；
S15、确定活套金属法兰和凸面颈圈法兰的型号。
9.根据权利要求3所述的法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，在进入步骤S11之前还包括：
S10、确定管道系统正常工况下的最大压力Pd1、确定管道系统扰动工况下的最大压力Pd2、确定管道系统异常工况下的最大压力Pd3、确定管道系统的系统试验压力最大值Pd4，且最大压力Pd2在寿期内累积时间小于10％的系统设计寿期；法兰设计压力Pd满足：
Pd＝max(Pd1，Pd2/1.2，Pd3/2，Pd4)。
10.根据权利要求2所述的法兰连接的选型设计和分析评价方法，其特征在于，步骤S7包括：
S71、根据螺栓初始安装载荷确定单个螺栓的初始拉载荷；
S72、根据单个螺栓的初始拉载荷计算拧紧力矩。
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