高温大口径法兰密封设计方法研究

论文摘要

本文对大口径法兰密封问题进行了理论分析、有限元计算和试验研究,探讨了法兰刚度的计算方法,研究了法兰刚度对密封特性的影响,对以紧密度为设计准则的密封设计方法进行了修正。在法兰结构简化及变形假设的基础上,将螺栓法兰系统作为一个整体,对其进行详细的载荷—变形分析,得出力矩平衡方程和系统变形协调方程;运用有限元方法对密封系统的受力和变形进行了计算,得出不同工况下密封元件的受力特性,对法兰口径与垫片残余应力分布的关系进行了讨论;应用弹性分析方法,提出甲型法兰、乙型法兰和长颈对焊法兰的刚度计算方法,探讨了公称压力、公称直径、温度等参数对法兰刚度的影响,并利用最小二乘估计方法对上述影响因素进行多元拟合;运用ROTT实验的方法对法兰的密封特性进行了研究,并与密封理论进行了对比验证;对紧密性密封设计方法进行了阐述,考虑法兰刚度对密封影响对该设计方法进行了修正。研究结果表明:螺栓载荷和内压联合作用下的法兰产生偏转和翘曲变形,使得垫片表面的应力分布不均。径向应力呈现明显内松外紧的状况,并且随着法兰口径的增大,不均匀性愈加明显,环向应力分布相对均匀。表明现行标准中法兰存在刚度不足的问题,而螺栓的数目足够保证垫片环向应力分布的均匀性。在三种类型的设备法兰中,甲型法兰刚性较差,仅能应用于压力等级较低的公共场所;乙型法兰筒体免受法兰变形产生的附加弯矩且刚度较高,适应较大尺寸场合;长径对焊法兰刚度最大,可承受更高压力。法兰刚度与公称压力、公称直径和温度等参量的关系,拟合为C= f1 （PN, DN） f2（T）的形式的函数。应用ROTT实验方法对实验垫片进行密封性能研究,得出垫片新系数Gb=2.92MPa,a=0.362、Gs=0.143MPa。对基于紧密性的设计方法引入法兰刚度的概念,考虑法兰偏转的前提下对该方法提出修正,修正系数Φ=（C/[C]）1.92,设计常数Tc`=ΦTc。利用修正的密封设计方法某反应器的密封进行了设计,并对不同紧密度等级要求下垫片应力和螺栓载荷进行了计算。对设备法兰的选用依据引入紧密性概念,增加紧密度等级作为法兰选用的标准之一。对垫片特性从设计系数和制造两方面提出要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 法兰密封结构分析
• 1.2.2 垫片密封性能
• 1.2.3 密封设计方法
• 1.3 研究内容及方法
• 第二章 法兰密封结构变形分析
• 2.1 法兰密封结构
• 2.2 法兰连接受力分析
• 2.2.1 形状简化与基本假设
• 2.2.2 螺栓和垫片受力计算
• 2.3 法兰连接的变形分析
• 2.3.1 变形量的确定
• 2.3.2 变形协调方程的确立
• 2.4 垫片力作用中心圆直径计算
• 2.4.1 预紧工况计算
• 2.4.2 操作工况计算
• 2.5 小结
• 第三章 法兰连接的数值模拟
• 3.1 有限元方法
• 3.2 垫片性能研究
• 3.2.1 垫片机械性能
• 3.2.2 模型建立
• 3.2.3 边界条件和载荷
• 3.2.4 结果分析
• 3.3 密封结构数值计算
• 3.3.1 计算单元选取
• 3.3.2 有限元模型建立
• 3.3.3 预紧工况计算
• 3.3.4 操作工况计算
• 3.4 结果分析
• 3.4.1 垫片表面应力环向分布
• 3.4.2 垫片表面应力径向分布
• 3.4.3 垫片表面应力与直径关系
• 3.4.4 垫片接触应力测试研究
• 3.5 小结
• 第四章 大口径设备法兰刚度计算
• 4.1 大口径法兰密封理论分析
• 4.1.1 密封直径对密封的影响
• 4.1.2 温度对密封的影响
• 4.2 法兰刚度计算方法
• 4.2.1 法兰转角计算
• 4.2.3 法兰刚度计算
• 4.3 法兰的刚度分析
• 4.3.1 法兰刚度与公称直径关系
• 4.3.2 法兰刚度与压力等级关系
• 4.3.3 法兰刚度与温度变化关系
• 4.3.4 多元线形拟合
• 4.4 容器法兰压力等级制定
• 4.5 本章小结
• 第五章 法兰密封紧密性研究
• 5.1 泄漏动态过程
• 5.2 泄漏率计算方法
• 5.2.1 泄漏模型研究
• 5.2.2 泄漏率计算公式
• 5.3 法兰连接紧密性研究
• 5.3.1 “紧密度”概念
• 5.3.2 紧密性曲线和垫片常数
• 5.4 密封性能试验研究
• 5.4.1 实验设计
• 5.4.2 垫片系数的确定
• 5.4.3 密封性能分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于紧密性的密封设计方法
• 6.1 概述
• 6.1.1 最大允许泄漏率准则
• 6.1.2 新垫片系数的引入
• 6.2 设计计算流程
• 6.3 对设计方法的修正
• 6.3.1 法兰刚度校核
• 6.3.2 刚度不足的修正
• 6.4 设计方法程序实现
• 6.4.1 程序设计流程图
• 6.4.2 程序界面
• 6.4.3 计算示例
• 6.5 密封元件设计探讨
• 6.6 本章小结
• 结论
• 1 总结
• 2 展望
• 参考文献
• 附录1 设备法兰刚度计算表
• 附录2 密封性能试验数据
• 附录3 密封设计程序部分代码
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢