墊片螺栓法蘭連接系統(tǒng)強(qiáng)度可靠性分析

利用有限元軟件abaqus建立了螺栓法蘭連接系統(tǒng)的實(shí)體模型,采用熱結(jié)構(gòu)耦合分析方法,研究了法蘭公稱直徑為100mm的螺栓法蘭系統(tǒng)的溫度場及其應(yīng)力場,以及在預(yù)緊力和溫度梯度操作條件下螺栓等效應(yīng)力、軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的變化關(guān)系.結(jié)果表明,溫度場對螺栓軸向兩端的應(yīng)力影響較大,當(dāng)內(nèi)壁溫度為100℃時(shí)螺栓頭靠近法蘭一側(cè)的等效應(yīng)力增加了250mpa,螺栓上靠近法蘭一側(cè)的螺紋的等效應(yīng)力增加100mpa,而溫度場對螺栓遠(yuǎn)離法蘭一側(cè)的螺紋的應(yīng)力影響很小,說明設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮熱應(yīng)力對靠近法蘭一側(cè)的螺紋與螺栓頭的影響.

168en1591-1法蘭及其接頭-墊片圓形法蘭連接的設(shè)計(jì)規(guī) 則—第一部分:計(jì)算方法,作為對在壓力、溫度、外力和外 彎矩等載荷作用下的螺栓法蘭連接進(jìn)行完整性和密封性計(jì) 算的規(guī)則。按en1591-1方法進(jìn)行計(jì)算時(shí),需要輸入一組墊片 (特性)系數(shù),所以又制訂了env1591–2法蘭及其接頭-墊 片圓形法蘭連接的設(shè)計(jì)規(guī)則—第二部分:墊片系數(shù)作為對其 的補(bǔ)充 一：計(jì)算中采用載荷狀況包括初始裝配,壓力試驗(yàn),重要的操 作工況。計(jì)算步驟大致如下: 1.1首先,計(jì)算裝配工況下需要的最小螺栓載荷。要求在其 后的其他載荷工況下,在墊片上的殘余作用力不低于墊片要 求的最小平均值(該值可取自env1591-2)。此計(jì)算是疊代 過程,為該載荷取決有效墊片寬度,而有效墊片寬度本身又 取決于螺栓裝配載荷。 1.2其次,由選定的螺栓裝配

分析非金屬墊片密封的時(shí)效特性,考慮高溫條件下材料退化和墊片載荷松弛過程對密封性能的影響,依據(jù)多孔介質(zhì)理論,建立非金屬墊片密封的時(shí)效泄漏模型。將螺栓法蘭連接系統(tǒng)壽命劃分為密封壽命和部件壽命。提出密封壽命試驗(yàn)方法,在考慮墊片泄漏特性變化的基礎(chǔ)上,基于指標(biāo)泄漏率分析螺栓法蘭連接系統(tǒng)密封壽命;基于蠕變和疲勞損傷準(zhǔn)則分析高溫螺栓的剩余壽命,探討螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封壽命和各部件壽命之間的關(guān)系。建立螺栓法蘭連接系統(tǒng)的壽命預(yù)測最弱環(huán)模型,將墊片的變形特性和泄漏特性統(tǒng)一于螺栓法蘭連接系統(tǒng)中進(jìn)行研究,提出基于指標(biāo)泄漏率和結(jié)構(gòu)完整性的螺栓法蘭連接系統(tǒng)壽命評價(jià)方法。

螺栓法蘭連接廣泛的應(yīng)用于石油化工等過程裝備中,其是最重要的靜密封連接形式之一,失效的主要原因是泄漏。利用有限元法對墊片的平均應(yīng)力和外緣最大應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行分析研究;采用解析方法預(yù)測螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的泄漏率,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,研究了墊片外緣最大應(yīng)力與泄漏率之間的關(guān)系。結(jié)果表明,隨著螺栓載荷的增加,法蘭偏轉(zhuǎn)程度增加,墊片平均應(yīng)力與墊片外緣最大應(yīng)力的差值逐漸增大;墊片外緣最大應(yīng)力較平均應(yīng)力對連接結(jié)構(gòu)泄漏率影響更大。

根據(jù)螺栓法蘭連接系統(tǒng)的模糊性、連接系統(tǒng)的主要故障及其失效原因,建立以連接系統(tǒng)泄漏失效為頂事件的故障樹.依據(jù)模糊集理論,基于基本事件發(fā)生概率的三角模糊分布,對所建立的故障樹進(jìn)行了模糊分析.采用fussel算法得到了頂事件的最小割集,求取了頂事件的模糊概率及不同置信水平下頂事件的隸屬函數(shù);將模糊重要度中值分析法引入螺栓法蘭連接系統(tǒng)的故障樹分析中,獲得了頂事件最小λ截集水平下的各基本事件的模糊重要度,得到影響連接系統(tǒng)泄漏失效行為的重要因素,并給出相應(yīng)的泄漏預(yù)防與控制策略.

本文以強(qiáng)度可靠度為約束,對法蘭螺栓聯(lián)接進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).文中提出采用辛卜生數(shù)值積分較好地處理了正態(tài)分布數(shù)值表,從而將優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的法蘭螺栓聯(lián)接設(shè)計(jì),可在滿足一定強(qiáng)度可靠度的同時(shí),迅速取得一組最佳結(jié)構(gòu)參數(shù),其設(shè)計(jì)方法具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

本文提出螺栓法蘭連接的緊密性概念,針對螺栓法蘭連接長時(shí)間在高溫條件下會(huì)失效的問題,對法蘭連接的三個(gè)主要部件作了失效分析,從理論上提出了相應(yīng)的措施以降低因連接失效造成的損失。

對壓力管道法蘭連接中螺栓的受力、預(yù)緊力的計(jì)算方法進(jìn)行了分析,研究了墊片的密封性能,包括基本密封特性、壓力-回彈特性、墊片的厚度和寬度效應(yīng)。得出了法蘭連接時(shí),連接點(diǎn)的泄漏與螺栓預(yù)緊力、密封面狀態(tài)、使用工況、墊片等有關(guān)的結(jié)論。

某巨型液壓機(jī)是我國國防和基礎(chǔ)建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備,其中的主工作缸是水壓機(jī)的重要部件之一。其法蘭處采用螺栓聯(lián)接。本文對螺栓聯(lián)接的可靠度進(jìn)行了計(jì)算,并分析了影響其可靠度的一些因素,為主工作缸的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

fpr（玻璃鋼）法蘭連接螺栓長度 磅級管徑管插入深度（ds）fpr法蘭厚度a105法蘭厚度螺栓個(gè)數(shù)fpr-a105螺栓fpr-fpr螺栓fpr-單向閥-fprfpr-蝶閥-fpr 150lb2＂4650.819.545/8＂×4.5＂5/8＂×5.75＂5/8＂×8.25＂5/8＂×7.5＂ 150lb3＂4650.823.545/8＂×4.75＂5/8＂×5.75＂5/8＂×8.75＂5/8＂×7.75＂ 150lb4＂4650.823.585/8＂×4.75＂5/8＂×5.75＂5/8＂×8.75＂5/8＂×8＂ 150lb6＂5760.45225.583/4＂×5.50＂3/4＂×6.75＂3/4＂×10.75＂3/4＂×9.25＂ 150lb8＂

螺栓法蘭結(jié)構(gòu)以其構(gòu)造簡單、可靠性性能優(yōu)良的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、核能等工業(yè)領(lǐng)域中。在連接面處,由于預(yù)緊力、摩擦力、拉壓受力分布不均使得螺栓連接的工作狀態(tài)相對復(fù)雜。本文首先介紹螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)研究中發(fā)現(xiàn)的接觸、摩擦等工程現(xiàn)象和對該類問題的研究思路,然后對螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)相關(guān)研究成果進(jìn)行介紹,最后對該結(jié)構(gòu)特性研究進(jìn)行總結(jié)與展望。

文章編號:1007-967x(2005)03-0046-03 法蘭連接中的螺栓預(yù)緊力 葉紅,顏廷武,劉元?jiǎng)?(沈陽石蠟化工有限公司,遼寧沈陽11014) 摘要:法蘭連接中螺栓的預(yù)緊力,要滿足法蘭接頭在操作時(shí)不發(fā)生泄露。敘述了螺栓從預(yù)緊狀 態(tài)到操作狀態(tài)過程中法蘭接頭的變化。預(yù)緊力應(yīng)是考慮了內(nèi)壓作用和墊片在升壓過程中 松弛的綜合結(jié)果。 關(guān)鍵詞:法蘭;螺栓;預(yù)緊力;計(jì)算 中圖分類號:th131.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:a 1概述 由于生產(chǎn)操作上的需要及制造、安裝、檢修、運(yùn) 輸?shù)姆奖?各工業(yè)部門的容器或管道經(jīng)常做成可拆 卸的。采用了可拆卸連接后,保證聯(lián)接口密封的可 靠性,成為決定工業(yè)生產(chǎn)能否正常運(yùn)行的必要條件。 螺栓連接的法蘭接頭是一種應(yīng)用極為廣泛的結(jié) 構(gòu),它屬于強(qiáng)制密封,依靠聯(lián)接件通過被聯(lián)接件強(qiáng)制 擠壓密封元

采用有限元法對彈性墊圈軸向載荷下的變形規(guī)律進(jìn)行了研究,并以此為依據(jù),提出了利用變形協(xié)調(diào)分析對高溫螺栓法蘭連接中彈性墊圈剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的方法。

現(xiàn)行金屬墊片的設(shè)計(jì)以墊片系數(shù)或線密封比壓為依據(jù),主要針對法蘭強(qiáng)度問題,而沒有定量泄漏和緊密性的概念,因此無法從理論上說明連接是否緊密。在金屬墊片變截面泄漏通道的泄漏率計(jì)算公式、接觸應(yīng)力分布的解析算法以及連接結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)分析的基礎(chǔ)上,建立連接系統(tǒng)的緊密性分析方法。實(shí)例分析表明:通過增加墊片應(yīng)力(即提高螺栓載荷),可降低連接的泄漏率,但當(dāng)墊片應(yīng)力水平較高時(shí),效果并不顯著。對于密封性要求高的連接,可以采用表面較光滑的墊片。以最大允許泄漏率為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)方法與以強(qiáng)度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的規(guī)范設(shè)計(jì)方法相結(jié)合,有可能發(fā)展成為一種新的密封連接設(shè)計(jì)方法。

采用解析方法對墊片應(yīng)力徑向分布及其不均勻性進(jìn)行研究,提出基于墊片徑向應(yīng)力分布的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)泄漏率預(yù)測方法。將墊片應(yīng)力徑向分布解析計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果,以及泄漏率預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)有方法預(yù)測結(jié)果和rott(roomtemperaturetightness)的試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行比較和分析。結(jié)果表明,墊片應(yīng)力分布的解析計(jì)算結(jié)果與有限元結(jié)果一致,且大小由內(nèi)徑向外徑逐漸增大,隨著螺栓載荷的增加,墊片徑向應(yīng)力的不均勻性也逐漸增大;提出的泄漏率預(yù)測方法得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果十分吻合,且較現(xiàn)有預(yù)測方法得到的結(jié)果更為精確。

為準(zhǔn)確評價(jià)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的緊密性,采用解析方法對螺栓法蘭連接中非線墊片沿徑向變形量和應(yīng)力分布進(jìn)行研究。解析方法計(jì)算得到的墊片變形量與應(yīng)力分布與有限元法計(jì)算結(jié)果基本一致,但較有限元法計(jì)算的稍偏小。分析結(jié)果表明,墊片變形量及沿徑向的應(yīng)力分布都是不均勻的,由墊片內(nèi)徑向外徑逐漸增大。

應(yīng)用abaqus軟件,在考慮預(yù)緊力和內(nèi)壓作用的工況下,對某廠所設(shè)計(jì)的壓力容器非標(biāo)活節(jié)螺栓法蘭墊片連接系統(tǒng)進(jìn)行三維有限元應(yīng)力分析。根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行線性化處理,按照jb4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對其進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定。結(jié)果表明,由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的耳板、上法蘭和筒體的應(yīng)力強(qiáng)度不滿足要求,需加厚上法蘭并在筒體上安裝加強(qiáng)板以減小其應(yīng)力強(qiáng)度值。對具有不同厚度上法蘭和不同長度加強(qiáng)板的該結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,得到既滿足強(qiáng)度要求和密封要求,又節(jié)省材料的設(shè)計(jì)參數(shù),同時(shí)總結(jié)了上法蘭厚度和加強(qiáng)板長度對連接系統(tǒng)上法蘭和筒體應(yīng)力的影響規(guī)律。這對類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

所建立的參數(shù)化三維有限元模型,充分考慮了法蘭螺栓聯(lián)接系統(tǒng)的應(yīng)力集中、墊片材料非線性特性以及各元件的接觸非線性,研究了螺栓法蘭連接系統(tǒng)各元件之間的相互作用,分析了預(yù)緊力、密封介質(zhì)內(nèi)壓力等因素對墊片應(yīng)力的影響。結(jié)果表明墊片應(yīng)力在徑向隨著節(jié)點(diǎn)半徑的增大而增大,隨著預(yù)緊力的增大而增大,隨著內(nèi)壓力的增大而減小,在周向螺栓附近的應(yīng)力明顯大于其它處應(yīng)力。當(dāng)墊片最外側(cè)應(yīng)力低于了密封所要求的最低應(yīng)力時(shí),螺栓法蘭連接系統(tǒng)發(fā)生泄露。

分析了高溫下螺栓法蘭墊片連接系統(tǒng)的緊密性,以及法蘭接頭系統(tǒng)中螺栓的各應(yīng)力狀況,為今后法蘭連接系統(tǒng)在研發(fā)設(shè)計(jì)上的合理性及應(yīng)用上提供參考。

在考慮連接結(jié)構(gòu)承受外彎矩作用和螺栓、法蘭及墊片蠕變的基礎(chǔ)上,建立高溫螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)分析方程,采用解析方法研究連接結(jié)構(gòu)承受外彎矩和蠕變對連接結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明,外彎矩作用下,受拉側(cè)的法蘭轉(zhuǎn)角增大,螺栓伸長量減小,墊片應(yīng)力增大;受壓側(cè)的情況則相反。在相同的工作條件下,考慮蠕變時(shí),溫度越高,法蘭轉(zhuǎn)角、法蘭變形量和墊片應(yīng)力減小幅度越大。外彎矩引起的墊片受拉側(cè)應(yīng)力下降和元件的蠕變是連接結(jié)構(gòu)密封失效的重要原因。

法蘭連接中螺栓擰緊力矩的計(jì)算

筆者于2012年5月對株洲某公園的游樂設(shè)施進(jìn)行定期檢驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)"飛龜"旋轉(zhuǎn)臂法蘭處有一連接螺栓斷裂。經(jīng)過向設(shè)備經(jīng)營管理者了解,這并不是這個(gè)位置螺栓的第一次斷裂,設(shè)備總共才運(yùn)營了一年多,已經(jīng)發(fā)生過好幾次。雖然這次的設(shè)備缺陷沒有造成重大的傷亡事故。因?yàn)槟硞€(gè)螺栓的斷裂影響到整個(gè)法蘭的