一種基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：分析墊片的壓縮回彈性能；計(jì)算螺栓、法蘭和墊片的彈性系數(shù)；對(duì)法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，獲得變形協(xié)調(diào)方程，并確定墊片壓緊力、法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作壓力、最大預(yù)緊力的關(guān)系式；對(duì)法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行安全評(píng)定；綜合墊片壓緊力和所述法蘭偏轉(zhuǎn)角，確定法蘭在一定工作壓力條件下的初始預(yù)緊力的安全區(qū)域。該法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法能簡單有效的對(duì)常溫法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行緊密性評(píng)價(jià)，為墊片初始預(yù)緊力安全范圍的確定提供依據(jù)，提高法蘭連接系統(tǒng)安全性。
【專利說明】
-種基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及法蘭接頭技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭 預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在承壓設(shè)備和管道中，由于生產(chǎn)工藝和安裝檢修的需要，通常采用可拆卸的密封 連接結(jié)構(gòu)。其中法蘭連接是最典型的可拆卸密封連接，在中低壓容器和管道中被廣泛采用， 盡管運(yùn)種連接類型在拆卸方面是很實(shí)用的，但是它還是有一個(gè)潛在的泄露危害。即使在常 溫下，如果工作壓力、墊片預(yù)緊力設(shè)定不當(dāng)，會(huì)降低墊片的回彈性能，使墊片應(yīng)力下降，法蘭 偏轉(zhuǎn)角增大，螺栓法蘭連接系統(tǒng)的緊密性會(huì)因泄露而破壞，導(dǎo)致石油化工裝置失效。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法無法確保在一定工作壓力條件下法蘭連 接系統(tǒng)的初始預(yù)緊力處于安全區(qū)域，導(dǎo)致法蘭連接系統(tǒng)的緊密性不可靠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，解決了或 部分解決了現(xiàn)有技術(shù)中法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法無法確保在一定工作壓力條件下法蘭連 接系統(tǒng)的初始預(yù)緊力處于安全區(qū)域的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了簡單有效的對(duì)常溫法蘭連接系統(tǒng)進(jìn) 行緊密性評(píng)價(jià)，提高法蘭連接系統(tǒng)安全性的技術(shù)效果。
[0005] 本發(fā)明提供的一種基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，包括W下 步驟：
[0006] 分析所述墊片的壓縮回彈性能；
[0007] 計(jì)算螺栓、法蘭和所述墊片的彈性系數(shù)；
[000引結(jié)合所述墊片的壓縮回彈性能及所述螺栓、法蘭和墊片的彈性系數(shù)，對(duì)法蘭連接 系統(tǒng)進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，獲得變形協(xié)調(diào)方程，并確定墊片壓緊力、法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作 壓力、最大預(yù)緊力的關(guān)系式；
[0009] 對(duì)所述法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行安全評(píng)定；
[0010] 綜合所述墊片壓緊力和所述法蘭偏轉(zhuǎn)角，確定所述法蘭在一定工作壓力條件下的 初始預(yù)緊力的安全區(qū)域。
[0011] 作為優(yōu)選，計(jì)算螺栓、法蘭和墊片的彈性系數(shù)，包括：
[0012] 通過普通彈性物體的彈性系數(shù)計(jì)算公式和胡克定律求得所述螺栓的彈性系數(shù)；
[0013] 求取所述法蘭對(duì)彎矩的彈性系數(shù)，及所述法蘭對(duì)內(nèi)壓的彈性系數(shù)；
[0014] 根據(jù)墊片彈性系數(shù)的計(jì)算方法求取所述墊片的彈性系數(shù)。
[0015] 作為優(yōu)選，所述螺栓的彈性系邀
[0016] 其中，Ib = 2tf+tg+0.5d; tf為法蘭的厚度，tg為墊片厚度，d為螺栓直徑。
[0017]作為優(yōu)選，所述法蘭對(duì)彎矩的彈性系勤
[001引其中，E為法蘭的彈性模量，go為錐頸小端的厚度，Vf為泊松比；
[0019] 所述法蘭對(duì)內(nèi)壓的彈性系I

[0021] E為所述法蘭材料的彈性模量，A為所述法蘭外徑，B為所述法蘭內(nèi)徑，Bg為重屯、參 數(shù)，拍為重屯、的橫向位置。
[0022] 作為優(yōu)選，所述墊片彈性系數(shù)的計(jì)算方巧甸巧，
[0023] 確定所述法蘭受彎矩作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角
串中，M/ 為法蘭在操作工況下所受彎矩，k為螺栓分布圓與墊片力之間的半徑距離，hp為螺栓分布圓 與法蘭內(nèi)徑之間的半徑距離，為操作工況下所需的最小墊片壓緊力，Pc為法蘭連接系統(tǒng) 的工作壓力，Ap為墊片環(huán)繞的受壓面積；
[0024] 確定所述法蘭受內(nèi)壓作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舞
[0025] 確定所述法蘭的偏轉(zhuǎn)角之和為：
[0026]
[0027] 江為;
[002引
[0029] 其中，Dg為所述墊片的壓縮量。
[0030] 作為優(yōu)選，對(duì)法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，列寫變形協(xié)調(diào)方程，包括：
[0031] 將所述螺栓、法蘭、墊片組成的整體看作是一個(gè)靜不定結(jié)構(gòu)，分析最終螺栓上殘余 載荷與最初的螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系，為研究變量的單一性，不考慮熱膨脹和蠕變產(chǎn)生軸 向位移的影響；
[0032] 在預(yù)緊的過程中，所述螺母移動(dòng)的軸向位移在整個(gè)工作時(shí)段內(nèi)是保持不變的，得 出所述變形協(xié)調(diào)方程為：
[0033]
[0034] 其中，、W、唉分別為初態(tài)螺栓、法蘭、墊片的位移，單位mm; w/ . W；；、W扣、別 為末態(tài)螺栓、法蘭、墊片的位移，單位mm; <、M;、分別為所述螺栓、法蘭及墊片的蠕變 位移，單位mm;
[0035] 設(shè)置軸向平衡條件，得到墊片壓緊應(yīng)力;所述軸向平衡條件為：
[0040] 作為優(yōu)選，由所述螺栓法蘭連接協(xié)調(diào)分析可得，所述墊片壓緊力與工作壓力、墊片 最大預(yù)緊力的單^累味)，
[0041]

[0042] 作為優(yōu)選，在操作工況下，所述法蘭承受彎矩和內(nèi)壓的作用，所述法蘭偏轉(zhuǎn)角由彎 矩和內(nèi)壓共同作用產(chǎn)生；
[0043] 所述法蘭在內(nèi)壓作用下的偏轉(zhuǎn)角
[0044] 所述法蘭在彎矩作用下的偏轉(zhuǎn) ；其中，M/為所述法 蘭在操作工況下所受彎矩，良I
[0045] 所述法蘭偏轉(zhuǎn)角與工作壓力、墊片最大預(yù)緊力的關(guān)系式為：
[0046
[0047]作為優(yōu)選，將在一定工況下工作的所述墊片壓緊力與滿足密封的最小壓緊力進(jìn)行 比較，據(jù)此來對(duì)墊片的密封性進(jìn)行評(píng)價(jià)；
[004引將在一定工況下工作的所述法蘭偏轉(zhuǎn)角與ASME標(biāo)準(zhǔn)中限定的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，對(duì) 所述法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行評(píng)價(jià)；
[0049] 通過計(jì)算可W得到等墊片應(yīng)力曲線和等法蘭轉(zhuǎn)角曲線的變化規(guī)律，根據(jù)所述變化 規(guī)律，當(dāng)給定一個(gè)工作壓力，可W確定所述法蘭連接系統(tǒng)滿足緊密性時(shí)所需的初始預(yù)緊力 的安全區(qū)域，且可W確定所述法蘭連接系統(tǒng)的最大工作壓力。
[0050] 作為優(yōu)選，綜合所述墊片壓緊力和所述法蘭偏轉(zhuǎn)角，確定所述法蘭在一定工作壓 力條件下的最大預(yù)緊力的安全區(qū)域，包括：
[0051] W所述墊片壓緊力為評(píng)判準(zhǔn)則的安全極限墊片初始預(yù)緊力為：
[0化2]
[OOM]其中，Ag為墊片的有效接觸面積，即:Ag =地GN;mPcAg值為操作工況下滿足密封要求 的最小墊片壓緊力；
[0054] W所述法蘭偏轉(zhuǎn)角為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的安全極限墊片初始預(yù)緊力為：
[0化5]
[0056] 所述墊片比緊力確定最小安全極限墊片頓緊應(yīng)力Oi，所述法蘭偏轉(zhuǎn)角用來確定最 大安全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力在運(yùn)兩個(gè)限制條件下，可W得到在一定工作壓力條件下的，法 蘭系統(tǒng)的初始預(yù)緊力的安全區(qū)域，使得螺栓法蘭系統(tǒng)的緊密性達(dá)到最優(yōu)。
[0057] 本申請(qǐng)中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：
[005引通過對(duì)墊片壓縮回彈性能的分析，確定墊片的卸載性能與最大壓縮量的關(guān)系，對(duì) 法蘭連接進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，求解墊片壓緊力、法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作壓力、最大預(yù)緊力 的關(guān)系式;通過從墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角兩方面對(duì)法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行安全評(píng) 定，并且綜合墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角兩方面給出法蘭在一定工作壓力條件下的最大預(yù)緊 力的安全區(qū)域，墊片壓緊力確定最小安全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力，法蘭偏轉(zhuǎn)角用來確定最大安 全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力，由此可W直接得到螺栓法蘭連接系統(tǒng)的初始預(yù)緊應(yīng)力的安全區(qū)域， 此安全區(qū)域可W作為預(yù)防法蘭系統(tǒng)泄漏，評(píng)價(jià)法蘭連接緊密性的重要依據(jù)。運(yùn)樣，有效解決 了現(xiàn)有技術(shù)中法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法無法確保在一定工作壓力條件下法蘭連接系統(tǒng)的 初始預(yù)緊力處于安全區(qū)域的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了簡單有效的對(duì)常溫法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行緊密性 評(píng)價(jià)，為墊片初始預(yù)緊力安全范圍的確定提供依據(jù)，提高法蘭連接系統(tǒng)安全性的技術(shù)效果。
【附圖說明】
[0059] 圖1為本發(fā)明提供的基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法的流程 圖；
[0060] 圖2為本發(fā)明提供的墊片壓縮回彈曲線圖；
[0061 ]圖3為本發(fā)明提供的法蘭連接系統(tǒng)的協(xié)調(diào)分析圖；
[0062] 圖4為本發(fā)明提供的法蘭連接分析模型圖；
[0063] 圖5為本發(fā)明提供的等墊片應(yīng)力、等法蘭轉(zhuǎn)角變化規(guī)律圖。
【具體實(shí)施方式】
[0064] 本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，解 決了或部分解決了現(xiàn)有技術(shù)中法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法無法確保在一定工作壓力條件下 法蘭連接系統(tǒng)的初始預(yù)緊力處于安全區(qū)域的技術(shù)問題，通過墊片壓緊力確定最小安全極限 墊片預(yù)緊應(yīng)力，法蘭偏轉(zhuǎn)角用來確定最大安全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力，在運(yùn)兩個(gè)限制條件下，可 W得到在一定工作壓力條件下的，法蘭連接系統(tǒng)的初始預(yù)緊力的安全區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了簡單有 效的對(duì)常溫法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行緊密性評(píng)價(jià)，提高安全性的技術(shù)效果。
[0065] 參見附圖1，本發(fā)明提供的一種基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方 法，包括W下步驟：
[0066] SI:分析墊片的壓縮回彈性能。
[0067] S2:計(jì)算螺栓、法蘭和墊片的彈性系數(shù)。
[0068] S3:結(jié)合墊片的壓縮回彈性能及螺栓、法蘭和墊片的彈性系數(shù)，對(duì)法蘭連接系統(tǒng)進(jìn) 行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，獲得變形協(xié)調(diào)方程，并確定墊片壓緊力、法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作壓力、 最大預(yù)緊力的關(guān)系式。
[0069] S4:對(duì)所述法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行安全評(píng)定。
[0070] S5:綜合所述墊片壓緊力和所述法蘭偏轉(zhuǎn)角，確定所述法蘭在一定工作壓力條件 下的初始預(yù)緊力的安全區(qū)域。
[0071] 進(jìn)一步的，步驟Sl中的壓縮回彈性能是墊片的基本力學(xué)性能。在螺栓法蘭連接的 預(yù)緊階段，墊片良好的壓縮性能是保證其表面與法蘭面形成初始密封的基本條件，而操作 時(shí)則要求墊片具有較好的回彈性能，W便有效補(bǔ)償操作工況下由介質(zhì)壓力、溫度和法蘭附 加載荷引起的密封面的分離。
[0072] 柔性石墨復(fù)合墊片在應(yīng)力等級(jí)70Mpa、溫度20°C下的壓縮回彈曲線，參見附圖2,由 墊片的壓縮回彈曲線便可大致了解，在操作條件下連接系統(tǒng)在不同最大壓縮量處發(fā)生回彈 其卸載性能的影響，進(jìn)而得到墊片壓縮回彈性能引起連接密封性能發(fā)生變化的規(guī)律。
[0073] 將墊片的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別作擬合，并考慮溫度的影響，得到如下壓縮回彈曲線公式：
[0074] 壓縮曲線：
[0075]
[0076] 回弾曲線：
[0077]
[007引其中，4。、8。、化、45、85、41、化為回歸系數(shù)，51(為墊片預(yù)緊應(yīng)力，01(為不考慮蠕變時(shí)的 最大變形量，T為試驗(yàn)溫度。
[0079] 由式(2)可得到，墊片的卸載性能與最大壓縮量的關(guān)系，墊片在不同的最大壓縮量 處發(fā)生回彈時(shí)，其回彈曲線會(huì)不同，則墊片在回彈階段的彈性系數(shù)將變化，導(dǎo)致墊片壓緊力 和法蘭偏轉(zhuǎn)角改變，影響法蘭連接系統(tǒng)的緊密性。
[0080] 進(jìn)一步的，步驟S2包括：
[0081] S201:通過普通彈性物體的彈性系數(shù)計(jì)算公式和胡克定律求得所述螺栓的彈性系 數(shù);所述螺栓的彈性系^
[0082] 其中，Ib = 2tf+tg+0.5d; tf為法蘭的厚度，tg為墊片厚度，d為螺栓直徑。
[0083] S202:求取所述法蘭對(duì)彎矩的彈性系數(shù)，及所述法蘭對(duì)內(nèi)壓的彈性系數(shù);所述法蘭 對(duì)彎矩的彈性系勤
[0084] 其中，E為法蘭的彈性模量，gn為錐頸小端的厚麼，Vf為泊松比；
[0085] 所述法蘭對(duì)內(nèi)壓的彈性系I
;
[0087] E為所述法蘭材料的彈性模量，A為所述法蘭外徑，B為所述法蘭內(nèi)徑，Bg為重屯、參 數(shù)，拍為重屯、的橫向位置。
[0088] S203:根據(jù)墊片彈性系數(shù)的計(jì)算方法求取所述墊片的彈性系數(shù)。
[0089] 墊片彈性系數(shù)的計(jì)算方法為Abdel-化kim Bouzid在Cre邱analysis of bolted flange joints文中引用的計(jì)算方法(選取墊片材料為柔性石墨復(fù)合墊片），包括：
[0090] 確定所述法蘭受彎矩作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角
；其中，M/ 為法蘭在操作工況下所受彎矩，k為螺栓分布圓與墊片力之間的半徑距離，hp為螺栓分布圓 與法蘭內(nèi)徑之間的半徑距離，F(xiàn)/為操作工況下所需的最小墊片壓緊力，Pc為法蘭連接系統(tǒng) 的工作壓力，Ap為墊片環(huán)繞的受壓面積；
[0091] 確定所述法蘭受內(nèi)壓作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)賣
[0093
[0092]確定所述法蘭的偏轉(zhuǎn)角之和為：
[0094
[0095
[0096] 其中，Dg為所述墊片的壓縮量。
[0097] 進(jìn)一步的，步驟S3包括：
[0098] S301:參見附圖4,將所述螺栓、法蘭、墊片組成的整體看作是一個(gè)靜不定結(jié)構(gòu)，分 析最終螺栓上殘余載荷與最初的螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系，為研究變量的單一性，不考慮熱 膨脹和蠕變產(chǎn)生軸向位移的影響；
[0099] S302:參見附圖3,在預(yù)緊的過程中，所述螺母移動(dòng)的軸向位移在整個(gè)工作時(shí)段內(nèi) 是保持不變的，得出所述變形協(xié)調(diào)方程為：
[0100]
[0101] 其中，咕、W;、H^^分別為初態(tài)螺栓、法蘭、墊片的位移，單位mm;M;f、1パ、《^分別 為末態(tài)螺栓、法蘭、墊片的位移，單位mm;麟、皆、分別為所述螺栓、法蘭及墊片的蠕變 位移，單位mm;
[0102 ] S303:設(shè)置軸向平衡條件，得到墊片壓緊應(yīng)力;所述軸向平衡條件為：
[0107] S304:由所述螺栓法蘭連接協(xié)調(diào)分析可得，所述墊片壓緊力與工作壓力、墊片最大 預(yù)緊力的關(guān)系式為：
[010 引
[0109] S305:在操作工況下，所述法蘭承受彎矩和內(nèi)壓的作用，所述法蘭偏轉(zhuǎn)角由彎矩和 內(nèi)壓共同作用產(chǎn)生；
[0110] 所述法蘭在內(nèi)壓作用下的偏轉(zhuǎn)^
[0111] 所述法蘭在彎矩作用下的偏轉(zhuǎn)角
！其中，為所述法 蘭在操作工況下所受彎矩，即
[0112] 所沐法偏轉(zhuǎn)巧與工作壓力、墊片最大預(yù)緊力的關(guān)系式為：
[0113]
[0114] 進(jìn)一步的，步驟S4包括:將在一定工況下工作的墊片壓緊力與滿足密封的最小壓 緊力進(jìn)行比較，據(jù)此來對(duì)墊片的密封性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0115] 將在一定工況下工作的法蘭偏轉(zhuǎn)角與ASME標(biāo)準(zhǔn)中限定的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，對(duì)法蘭 連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0116] 通過計(jì)算得到等墊片應(yīng)力曲線和等法蘭轉(zhuǎn)角曲線的變化規(guī)律，參見附圖5,當(dāng)給定 一個(gè)工作壓力，可W確定所述法蘭連接系統(tǒng)滿足緊密性時(shí)所需的初始預(yù)緊力的安全區(qū)域， 且可W確定所述法蘭連接系統(tǒng)的最大工作壓力。
[0117] 進(jìn)一步的，步驟S5綜合墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角兩方面，給出法蘭在一定工作壓 力條件下的最大預(yù)緊力的安全區(qū)域，使得螺栓法蘭系統(tǒng)的緊密性達(dá)到最優(yōu)，包括：
[0118] S501:墊片壓緊力是指墊片在受壓的工況下墊片軸向壓緊力，此墊片壓緊力是評(píng) 價(jià)連接緊密性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。依照GB150標(biāo)準(zhǔn)和ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，在操作工況下墊片的壓 緊力大于mPsAg就認(rèn)為達(dá)到了密封的要求。
[0119] m為墊片系數(shù)，P為法蘭內(nèi)部介質(zhì)在工況下產(chǎn)生的壓力，蔡仁良在《柔性石墨金屬復(fù) 合密封墊片材料的性能研究》中通過實(shí)驗(yàn)對(duì)柔性石墨波齒復(fù)合墊片的性能進(jìn)行了研究，根 據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:m = 3，y = 31MPaDmPGAg值為操作工況下滿足密封要求的最小墊片壓緊力， 先假設(shè)墊片壓緊力減小至mPsAg，可W得到W所述墊片壓緊力為評(píng)判準(zhǔn)則的安全極限墊片初 始預(yù)緊力為：
[0120]
[0121] 其中，Ag為墊斤的有效援觸曲積，即：Ag =地GN;mPcAg值為操作工如h滿化密封叟求 的最小墊片壓緊力；
[0122] S502:法蘭偏轉(zhuǎn)是由于螺栓轉(zhuǎn)配載荷、操作內(nèi)壓和墊片回彈力等作用下發(fā)生的法 蘭體的彎曲變形、墊片的均勻壓縮和螺栓拉彎變形相互協(xié)調(diào)共同造成的。由于法蘭偏轉(zhuǎn)角 與墊片壓緊應(yīng)力的分布均勻性緊密相關(guān)，法蘭偏轉(zhuǎn)角越大，墊片壓緊應(yīng)力沿墊片寬度的分 布越不均勻，當(dāng)分布極度不均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致墊片外側(cè)應(yīng)力過大而導(dǎo)致墊片局部壓潰，致使有 效密封寬度變窄，使泄漏率增加。因此必須限定法蘭的偏轉(zhuǎn)角，W保證法蘭系統(tǒng)的緊密性。
[0123] 研究的法蘭為帶頸對(duì)焊法蘭，屬于整體法蘭，ASMEVIII-1中規(guī)定整體法蘭的限定 角度不超過0.3°，要限定法蘭偏轉(zhuǎn)即要限定法蘭連接系統(tǒng)的初始預(yù)緊力。令
！P可 得到相應(yīng)工況下W所述法蘭偏轉(zhuǎn)角為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的安全極限墊片初始預(yù)緊力為：
[0124]
[0125] 墊片壓緊力確定最小安全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力01，所述法蘭偏轉(zhuǎn)角用來確定最大安 全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力在運(yùn)兩個(gè)限制條件下，可W得到在一定工作壓力條件下的，法蘭系 統(tǒng)的初始預(yù)緊力的安全區(qū)域，使得螺栓法蘭系統(tǒng)的緊密性達(dá)到最優(yōu)。由等墊片應(yīng)力曲線和 等法蘭轉(zhuǎn)角曲線的變化規(guī)律，當(dāng)給定一個(gè)工作壓力，可W得到法蘭連接系統(tǒng)滿足緊密性時(shí)， 所需的初始預(yù)緊力在一定的安全區(qū)域內(nèi)，且可W確定該法蘭系統(tǒng)的最大工作壓力。可在實(shí) 際工程中，為墊片初始預(yù)緊力安全范圍的確定提供依據(jù)，使得螺栓法蘭系統(tǒng)的緊密性達(dá)到 最優(yōu)，也可為螺栓法蘭連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和緊密性的評(píng)定提供依據(jù)。
[0126] 本申請(qǐng)中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：
[0127] 由于采用了通過對(duì)墊片壓縮回彈性能的分析，討論了墊片的卸載性能與最大壓縮 量的關(guān)系;通過對(duì)法蘭連接進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，求解墊片壓緊力、法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作 壓力、最大預(yù)緊力的變化規(guī)律;通過從墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角兩方面對(duì)法蘭連接系統(tǒng)的 緊密性進(jìn)行安全評(píng)定，并且綜合墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角兩方面給出法蘭在一定工作壓力 條件下的最大預(yù)緊力的安全區(qū)域，墊片壓緊力確定最小安全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力，法蘭偏轉(zhuǎn) 角用來確定最大安全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力，由此可W直接得到螺栓法蘭連接系統(tǒng)的初始預(yù)緊 應(yīng)力的安全區(qū)域，此安全區(qū)域可W作為預(yù)防法蘭系統(tǒng)泄漏，評(píng)價(jià)法蘭連接緊密性的重要依 據(jù)。運(yùn)樣，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法無法確保在一定工作壓力條件 下法蘭連接系統(tǒng)的初始預(yù)緊力處于安全區(qū)域的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了簡單有效的對(duì)常溫法蘭連 接系統(tǒng)進(jìn)行緊密性評(píng)價(jià)，為墊片初始預(yù)緊力安全范圍的確定提供依據(jù)，提高法蘭連接系統(tǒng) 安全性的技術(shù)效果。
[0128] W上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步 詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限制本發(fā) 明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于墊片壓縮回彈特性的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括W下步 驟： 分析所述墊片的壓縮回彈性能； 計(jì)算螺栓、法蘭和所述墊片的彈性系數(shù)； 結(jié)合所述墊片的壓縮回彈性能及所述螺栓、法蘭和墊片的彈性系數(shù)，對(duì)法蘭連接系統(tǒng) 進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，獲得變形協(xié)調(diào)方程，并確定墊片壓緊力、法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作壓 力、最大預(yù)緊力的關(guān)系式； 對(duì)所述法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行安全評(píng)定； 綜合所述墊片壓緊力和所述法蘭偏轉(zhuǎn)角，確定所述法蘭在一定工作壓力條件下的初始 預(yù)緊力的安全區(qū)域。2. 如權(quán)利要求1所述的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于，計(jì)算螺栓、法蘭和墊片 的彈性系數(shù)，包括： 通過普通彈性物體的彈性系數(shù)計(jì)算公式和胡克定律求得所述螺栓的彈性系數(shù)； 求取所述法蘭對(duì)彎矩的彈性系數(shù)，及所述法蘭對(duì)內(nèi)壓的彈性系數(shù)； 根據(jù)墊片彈性系數(shù)的計(jì)算方法求取所述墊片的彈性系數(shù)。3. 如權(quán)利要求2所述的'決苦巧A巧緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述螺栓的彈性系避其中，Ib = 2tf+tg+0.5d; tf為法蘭的厚度，tg為墊片厚度，d為螺栓直徑。4. 如權(quán)利要求2所述的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述法蘭對(duì)彎矩的彈性系I其中，E為法蘭的彈性模量，go為錐頸小端的厚度，Vf為泊松比； 所述法蘭對(duì)內(nèi)壓的彈性系數(shù)E為所述法蘭材料的彈性模量，A為所述法蘭外徑，B為所述法蘭內(nèi)徑，Bg為重屯、參數(shù)，Xg 為重屯、的橫向位置。5. 如權(quán)利要求4所述的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述墊片彈性系數(shù)的計(jì) 算方法包括： 確定所述法蘭受彎矩作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)^:;其中，^^^.為法 蘭在操作工況下所受彎矩，k為螺栓分布圓與墊片力之間的半徑距離，hp為螺栓分布圓與法 蘭內(nèi)徑之間的半徑距離，巧?"為操作工況下所需的最小墊片壓緊力，Pc為法蘭連接系統(tǒng)的工 作壓力，Ap為墊片環(huán)繞的受壓面積； 確定所述法蘭受內(nèi)壓作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)；確定所述法蘭的偏轉(zhuǎn)角之和為：根據(jù)所述法蘭的偏轉(zhuǎn)角之和確定所述墊片的彈性系數(shù)為：其中，Dg為所述墊片的壓縮量。6.如權(quán)利要求1所述的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于，對(duì)法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行軸 向位移的協(xié)調(diào)分析，列寫變形協(xié)調(diào)方程，包括： 將所述螺栓、法蘭、墊片組成的整體看作是一個(gè)靜不定結(jié)構(gòu)，分析最終螺栓上殘余載荷 與最初的螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系，為研究變量的單一性，不考慮熱膨脹和蠕變產(chǎn)生軸向位 移的影響； 在預(yù)緊的過程中，所述螺母移動(dòng)的軸向位移在整個(gè)工作時(shí)段內(nèi)是保持不變的，得出所 述變形協(xié)調(diào)方程為：其中，^，;.吟、}1';分別為初態(tài)螺栓、法蘭、墊片的位移，單位111111;11；/^'、1^；；分別為末 態(tài)螺栓、法蘭、墊片的位移，單位mm;始、4、M{分別為所述螺栓、法蘭及墊片的蠕變位移， 單位mm; 設(shè)置軸向平衡條件，得到墊片壓緊應(yīng)力;所述軸向平衡條件為：其中，Ke是整個(gè)連接的等效彈性系數(shù)，7. 如權(quán)利要求6所述的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 由所述螺栓法蘭連接協(xié)調(diào)分析可得，所述墊片壓緊力與工作壓力、墊片最大預(yù)緊力的 關(guān)系式為：8. 如權(quán)利要求6所述的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在操作工況下，所述法蘭承受彎矩和內(nèi)壓的作用，所述法蘭偏轉(zhuǎn)角由彎矩和內(nèi)壓共同 作用產(chǎn)生； 所述法蘭在內(nèi)壓作用下的偏轉(zhuǎn)^ 所述法蘭在彎矩作用下的偏轉(zhuǎn)^ 庚中，為所述法蘭在操 作工況下所受彎矩，即：j所述法蘭偏轉(zhuǎn)角與工作壓力、墊片最大預(yù)緊力的關(guān)系式為：9. 如權(quán)利要求1所述的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 將在一定工況下工作的所述墊片壓緊力與滿足密封的最小壓緊力進(jìn)行比較，據(jù)此來對(duì) 墊片的密封性進(jìn)行評(píng)價(jià)； 將在一定工況下工作的所述法蘭偏轉(zhuǎn)角與ASME標(biāo)準(zhǔn)中限定的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，對(duì)所述 法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行評(píng)價(jià)； 通過計(jì)算可W得到等墊片應(yīng)力曲線和等法蘭轉(zhuǎn)角曲線的變化規(guī)律，根據(jù)所述變化規(guī) 律，當(dāng)給定一個(gè)工作壓力，可W確定所述法蘭連接系統(tǒng)滿足緊密性時(shí)所需的初始預(yù)緊力的 安全區(qū)域，且可W確定所述法蘭連接系統(tǒng)的最大工作壓力。10. 如權(quán)利要求1所述的法蘭接頭預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法，其特征在于，綜合所述墊片壓緊力 和所述法蘭偏轉(zhuǎn)角，確定所述法蘭在一定工作壓力條件下的最大預(yù)緊力的安全區(qū)域，包括： W所述墊片壓緊力為評(píng)判準(zhǔn)則的安全極限墊片初始預(yù)緊力為：其中，Ag為墊片的有效接觸面積，即：Ag =地GN;mPeAg值為操作工況下滿足密封要求的最 小墊片壓緊力； W所述法蘭偏轉(zhuǎn)角為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的安全極限墊片初始預(yù)緊力為：所述墊片壓緊力確定最小安全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力01，所述法蘭偏轉(zhuǎn)角用來確定最大安 全極限墊片預(yù)緊應(yīng)力02,在運(yùn)兩個(gè)限制條件下，可W得到在一定工作壓力條件下的，法蘭系 統(tǒng)的初始預(yù)緊力的安全區(qū)域，使得螺栓法蘭系統(tǒng)的緊密性達(dá)到最優(yōu)。
【文檔編號(hào)】F16L23/16GK105909892SQ201610292003
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年5月5日
【發(fā)明人】鄭小濤, 潘佳琳子, 喻九陽, 徐建民, 王成剛, 林緯, 汪威
【申請(qǐng)人】武漢工程大學(xué)