静密封过程中垫片的密封机理及失效分析

论文摘要

垫片密封是由螺栓、法兰和垫片组成的一种密封结构,它是石油化工设备和管道中最常用的连接形式,其中垫片是最主要的密封元件,它的性能直接影响连接系统密封的可靠性,所以,本文研究各种载荷下垫片的应力大小及分布趋势,这对垫片的使用以及对泄漏的防治具有重要的意义。首先,介绍了垫片的一般结构和种类；分析了垫片应满足的基本性能和评定垫片密封性能几个指标；对螺栓法兰连接系统进行了形状简化和受力分析,得出螺栓力和垫片反力的计算公式；应用Timosenko理论,对系统载荷与变形之间的关系进行深入分析,得出各元件间的变形协调方程,与Waters理论相比,更能真实地反映其受载情况。其次,分析了垫片的密封机理及其在加载和卸载时的密封过程,给出了垫片预紧应力的计算公式和影响因素；并用紧密性参数来衡量密封的紧密度,对紧密性等级进行了划分；研究了垫片密封失效的原因,得出了影响垫片密封失效的因素,并建立了反映垫片密封失效的模型。最后,本文选取ASMEB16.5的NPS4 Class150标准法兰为模型,用有限元参数化设计语言(APDL)建立了参数化三维有限元模型,去模拟垫片材料的非线性特性。首先研究了系统在预紧和逐渐施加内压载荷的作用下对垫片应力的影响,研究表明,此时垫片的应力分布规律基本一致,且随着内压载荷的升高,同一部位的应力强度数值相应增大,此时在法兰锥颈处出现了最大的应力强度,这与实际的情况是一致的。其次研究表明,螺栓预紧力的大小对垫片应力的大小及分布有重要影响,垫片应力随螺栓预紧力的增加而相应增大。最后研究表明,无论预紧工况还是操作工况,随着内压载荷的升高,垫片应力沿周向及径向都是不均匀分布的,垫片径向应力随预紧力的增大而增大,随内压的升高而升高,垫片外侧应力较内侧应力大,其应力的具体分布情况受各个元件的性质和具体的工况条件所影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 垫片静密封的发展概况
• 1.2.1 国外垫片静密封的发展概况
• 1.2.2 国内垫片静密封的发展概况
• 1.3 法兰连接系统的失效状态研究现状
• 1.4 本论文的研究意义和主要内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究的主要内容
• 第二章 垫片密封结构的变形协调分析
• 2.1 密封概述
• 2.2 垫片及其基本性能
• 2.2.1 垫片的一般结构
• 2.2.2 垫片的种类
• 2.2.3 垫片的基本性能及参数
• 2.3 规范垫片系数
• 2.3.1 垫片的有效密封宽度
• 2.3.2 垫片的性能系数
• 2.4 法兰连接系统受力分析
• 2.4.1 基本假设和结构简图
• 2.4.2 螺栓和垫片受力分析
• 2.5 法兰连接系统的变形协调方程
• 2.5.1 法兰轴向变形量的确定
• 2.5.2 螺栓变形量的计算
• 2.5.3 垫片变形量的计算
• 2.5.4 变形协调方程的确立
• 2.6 本章小结
• 第三章 垫片密封机理及失效的原因分析
• 3.1 密封与泄漏
• 3.1.1 基本概念
• 3.1.2 垫片密封的基本结构
• 3.2 垫片的密封机理
• 3.3 垫片密封有效性的评价指标
• 3.3.1 紧密性概念和紧密性参数
• 3.3.2 紧密性的等级划分
• 3.4 垫片密封的失效分析
• 3.4.1 强度失效
• 3.4.2 密封失效
• 3.5 垫片密封的失效模型
• 3.5.1 垫片的失效现象
• 3.5.2 反应论模型
• 3.5.3 反应论模型在垫片密封失效中的应用
• 3.6 影响垫片密封失效的因素
• 3.6.1 垫片的影响
• 3.6.2 法兰的影响
• 3.6.3 螺栓预紧力的影响
• 3.6.4 外界因素的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 垫片三维有限元模型的建立
• 4.1 有限元分析软件的选用
• 4.2 法兰接头三维有限元模型的建立
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 模型范围的选取
• 4.2.3 材料特性及单元类型的选取
• 4.2.4 边界条件及加载
• 4.3 参数化有限元模型的生成
• 4.3.1 参数分类
• 4.3.2 参数化有限元模型的生成
• 4.4 本章小节
• 第五章 垫片三维有限元分析的结果与讨论
• 5.1 法兰接头三维有限元分析
• 5.1.1 内压载荷的确定
• 5.1.2 当量应力的确定
• 5.1.3 螺栓载荷的计算
• 5.2 垫片密封结构有限元分析的结果与讨论
• 5.2.1 垫片密封结构的应力分析
• 5.2.2 垫片的应力分析
• 5.3 垫片密封结构的紧密性分析
• 5.3.1 垫片密封的紧密性研究
• 5.3.2 垫片参数对紧密性的影响
• 5.3.3 螺栓预紧载荷对紧密性的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （攻读硕士学位期间发表的论文目录）
• 附录B ANSYS参数化设计语言（APDL）代码