CN110991118B - 一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法。本发明根据管道和螺栓法兰的材料属性、尺寸大小建立有限元模型。无外载荷情况下，管道连接的垫片受均匀螺栓预紧力时的受力分布作为目标值，在实际安装时，垫片的应力分布不均匀，通过反复仿真拟合，构建螺栓预紧力迭代调节模型，根据模型方法，达到预期的垫片受力分布，最终得到有效的螺栓预紧力。本发明在有限元的基础上，考虑安装管道时自重对法兰连接的影响，构建了一个螺栓预紧力迭代调节模型，最终设计出安装是不同螺栓所需的有效螺栓预紧力。相比传统的使用均匀螺栓预紧力安装，得到的不均匀螺栓预紧力安装管道更为有效。

Description

一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法

技术领域

本发明属于化工管道安全领域，涉及一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法。

背景技术

架空管道具有不受地下水的侵蚀，使用寿命长，维护管理方便等优点，被广泛用于化工企业的安全生产中。而在管道与管道的连接时，多采用具有密封性能好、拆卸方便、强度高的螺栓法兰结构。

而螺栓法兰连接是一种管道连接形式，其是管道最脆弱的环节，目前在连接管道时，常采用保守的均匀螺栓预紧力来连接法兰。然而，在安装后由于管道和运输物料自重的影响，导致法兰连接受力不均，降低了螺栓法兰连接的可靠性。

目前暂时还没有一套完整的管法兰螺栓预紧力计算及螺栓安装方法，目前的设计方法基于Waters法，这种计算规则是以m(垫片系数)、y(最小预紧比压)两个垫片性能参数为基础，而m、y又只和垫片的材料或者类型有关。使用该方法，也只能得到具体的一个螺栓预紧力数值,即安装时每个螺栓施加的预紧力相同。所以，寻找一种不均匀的有效的螺栓预紧力安装方法至关重要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法。

本发明在有限元的基础上，考虑安装管道时自重对法兰连接的影响，构建了一个螺栓预紧力迭代调节模型，最终设计出安装时每个螺栓所需的有效螺栓预紧力，实现对管道安装方法的改良。

本发明的技术方案是通过充分考虑考虑架空管道安装自重对法兰连接的影响，提出一种有效的螺栓安装设计方法。根据管道和螺栓法兰的材料属性、尺寸大小建立有限元模型。无外载荷情况下，管道连接的垫片受均匀螺栓预紧力时的受力分布作为目标值，在实际安装时，垫片的应力分布不均匀，通过反复仿真拟合，构建螺栓预紧力迭代调节模型，根据模型方法，达到预期的垫片受力分布，最终得到有效的螺栓预紧力。

本发明的有益效果：本发明结合管道有限元模型的基础上，考虑安装管道自重的影响，构建了螺栓预紧力迭代调节模型，最终设计了一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法；本发明设计出的不均匀螺栓预紧力安装管道相比传统的使用均匀螺栓预紧力安装更具有效性、合理性。

附图说明

图1为法兰几何结构图；

图2为架空管道三维图；

图3为简支管道部分模型图；

图4为螺栓法兰连接图；

图5a、图5b和图5c为简支管道部分模型图；

图6为螺栓预紧力迭代的分析图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的整体思路如下：

采用有限元的方法来设计螺栓预紧力。需要注意的是，为了方便计算，认为长管道在受自重影响下为纯弯曲，首先利用soliderworks对架空管道进行模型的构建，接着将构建好的模型有限元化。在没有任何外界影响下安装的管道，此时的垫片的受力分布是均匀分布的，将此时均匀的垫片应力分布值作为一个目标预期值。当考虑到管道自重对连接处的影响，垫片应力分布开始分布不均匀，此时的螺栓预紧力和垫片应力分布为迭代的第一个初始值。初次调节螺栓预紧力，注意螺栓预紧力必须在螺栓预紧力强度范围内，预紧力偏大按预紧力范围的最大值设置，如果偏小，按预紧力范围的最小值设置，得到此时的预紧力值和垫片分布值作为迭代的第二个初始值。利用第一、第二初始值，结合预紧力设计方法开始迭代设计螺栓预紧力，每次迭代所改变的螺栓预紧力也需要满足预紧力强度范围。通过不断迭代的反馈调节，使垫片应力分布往目标值靠近，最终达到给定的误差范围结束，得到合适的螺栓预紧力。整体流程图如图1。

本发明的详细步骤如下：

步骤1:建立有限元模型

标准管道系统主要是由管道、法兰、螺栓、螺母和垫片组成。本发明根据HG/T20592～20635―2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》，选用管道为钢管，法兰类型为带颈平焊钢制管法兰，选择的法兰规格是PN2.5/DN150，密封面形式为突面，垫片类型为内含石墨的金属缠绕垫片，螺柱类型为等长双头螺柱，螺柱的尺寸根据标准GB901―88确定，螺母尺寸根据GB/T6170―2016确定。法兰几何结构如图2所示，具体尺寸如表1所示。根据几何结构图和尺寸先建立三维模型，架空管道三维图见图3。

表1法兰基本尺寸

简支管道的受力分析中，存在支架的弹性作用，为了提高收敛和分析的高效性，因此简化了支架，而在管道的两端施加一个相当于支架对管道作用力的约束，来平衡简化的支架。在有限元建模时，由于管道长度的约束，仅展示如图4所示为有限元化的简支管道部分模型。

螺栓法兰连接如图5a、图5b和图5c所示。图5a为法兰连接的剖面图，图5b为法兰连接的有限元模型，图5c为垫片的有限元模型。

步骤2:螺栓预紧力范围的计算

螺栓预紧力是影响法兰密封的重要因素之一，应综合考虑螺栓法兰连接的强度和密封要求，以确定合适的螺栓预紧力。

(1)螺栓强度。

拧紧后螺栓连接件预紧应力不能大于其材料屈服点的80％。

(2)垫片压缩强度。

在任何工况下，垫片应力都不允许超过垫片压缩强度。

(3)垫片预紧比压。

预紧状态下，最小螺栓载荷W_a应不小于压紧垫片所需要的最小压紧载荷F_a。最小螺栓载荷计算公式为：

W_a＝3.14D_Gby

式中：D_G—垫片压紧力作用中心圆直径；b—垫片有效密封宽度；y—垫片预紧比压。

每根螺栓的最小预紧力F计算公式为：

F＝W_a/n

式中：n—法兰连接中螺栓连接个数。

(4)垫片系数。

在操作工况下，为达到密封要求，垫片接触应力应满足：

σ≥mp

式中：σ—垫片接触应力；m—垫片系数，取m＝3；p—介质压力，取管道设计压力1.26MPa。

综合考虑螺栓强度、垫片压缩强度和垫片预紧比压，可得到螺栓预紧力范围。

步骤3:螺栓预紧力计算

有了螺栓预紧力的范围值，就可以在范围内利用有限元方法试算具体的螺栓预紧力。

在管道没有受到自重和其他因素的影响下，是可以通过施加均匀的螺栓预紧力，获得均匀的垫片应力分布。而此时获得的外半径的垫片应力值作为后面垫片迭代的目标应力值。

首先对螺栓预紧力进行了修正，以补偿外部失调载荷，此时垫片受力分布没有恢复均匀。如果首次预紧力的调节在步骤2计算的强度范围外，预紧力计算偏大按预紧力范围的最大值设置，如果偏小，则按预紧力范围的最小值设置，如图6所示为螺栓预紧力迭代的分析图。确定每个螺栓中的螺栓预紧力初始变化的公式如下：

其中i为螺栓序号，n为螺栓的个数，M为弯矩，F_A为轴向载荷，R为半径，θ为螺栓的角度位置，F_m为修正刚度因子。

将受到自重影响的连接处的垫片应力作为初始第一组垫片数据，经过上述得到的螺栓预紧力变化和重新得到有限元分析后的垫片应力作为第2组数据，迭代过程就通过下面公式开始。注意，在每次的迭代过程中，都需要确定所调节的螺栓预紧力都在步骤2所计算的强度范围内。

通过不断的反馈垫片应力调节螺栓预紧力。经过一系列的迭代过程后，得到一组更接近目标垫片应力值所对应的螺栓预紧力。其中j为迭代的次数，Gs为垫片的应力，P为螺栓预紧力，Gs_target为垫片目标应力值。迭代按上述公式进行，直到达到预期误差范围允许。

Claims (2)

1.一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法,其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1:建立有限元模型

标准管道系统包括管道、法兰、螺栓、螺母和垫片；根据HG/T20592～20635―2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》，选用管道为钢管，法兰类型为带颈平焊钢制管法兰，法兰规格是PN2.5/DN150，密封面形式为突面，垫片类型为内含石墨的金属缠绕垫片，螺柱类型为等长双头螺柱，螺柱的尺寸根据标准GB901―88确定，螺母尺寸根据GB/T6170―2016确定；根据法兰几何结构图和尺寸先建立三维模型；

步骤2:螺栓预紧力范围的计算

(1)螺栓强度；

拧紧后螺栓连接件预紧应力不能大于其材料屈服点的80％；

(2)垫片压缩强度；

在任何工况下，垫片应力都不允许超过垫片压缩强度；

(3)垫片预紧比压；

预紧状态下，最小螺栓载荷W_a应不小于压紧垫片所需要的最小压紧载荷F_a；最小螺栓载荷计算公式为：

W_a＝3.14D_Gby

式中：D_G—垫片压紧力作用中心圆直径；b—垫片有效密封宽度；y—垫片预紧比压；

每根螺栓的最小预紧力F计算公式为：

F＝_a/n

式中：n—法兰连接中螺栓连接个数；

(4)垫片系数；

在操作工况下，为达到密封要求，垫片接触应力应满足：

σ≥mp

式中：σ—垫片接触应力；m—垫片系数；p—介质压力，

综合考虑螺栓强度、垫片压缩强度和垫片预紧比压，可得到螺栓预紧力范围；

步骤3:螺栓预紧力计算

在管道没有受到自重和其他因素的影响下，通过施加均匀的螺栓预紧力，获得均匀的垫片应力分布；此时获得的外半径的垫片应力值作为后面垫片迭代的目标应力值；

对螺栓预紧力进行修正，以补偿外部失调载荷，此时垫片受力分布没有恢复均匀；如果首次预紧力的调节在步骤2计算的范围外，预紧力计算偏大按预紧力范围的最大值设置；如果偏小，则按预紧力范围的最小值设置；

确定每个螺栓中的螺栓预紧力初始变化的公式如下：

其中i为螺栓序号，n为螺栓的个数，M为弯矩，F_A为轴向载荷，R为半径，θ为螺栓的角度位置，F_m为修正刚度因子；

将受到自重影响的连接处的垫片应力作为初始第一组垫片数据，经过上述得到的螺栓预紧力变化和重新得到有限元分析后的垫片应力作为第二组数据，迭代过程就通过下面公式开始；

通过不断的反馈垫片应力调节螺栓预紧力；经过一系列的迭代过程后，得到一组更接近目标垫片应力值所对应的螺栓预紧力；其中j为迭代的次数，Gs为垫片的应力，P为螺栓预紧力，Gs_target为垫片目标应力值；迭代按上述公式进行，直到达到预期误差范围允许。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法,其特征在于，在每次的迭代过程中，都需要确定所调节的螺栓预紧力都在步骤2所计算的范围内。