压力容器密封结构紧固件预紧载荷和摩擦力矩确定方法的研究

论文摘要

在压力容器中,为了保证密封结构紧密不漏、安全可靠地长周期运行,垫片表面必须有足够的密封载荷。但是,过大或过小的预紧载荷都会对密封产生不利影响。尤其是随着生产规模的扩大和生产设备的大型化,设备中有许多密封结构,比如石油炼制加氢工艺的生产过程中使用的换热器,由于其大都是使用了复杂的高压螺纹环密封结构,造成了制造装配的困难,而且很容易发生物料的外漏或管板间两种介质的泄漏。本研究采用有限元数值模拟方法,计算分析M12标准粗牙螺纹螺栓连接在不同总轴向力作用下的内力、应力和变形规律,根据螺纹表面接触压力在弹性和塑性变形阶段的数学模型,得到螺纹间摩擦力矩的计算公式。对常温下不锈钢和填充柔性石墨制成的波齿复合垫片的压缩—回弹性能进行试验研究,结果作为有限元计算分析的材料数据。通过对带有螺纹锁紧环作为紧固件的密封结构进行有限元分析,得到接头各元件柔度,并建立其载荷—变形曲线,从而提出确定合适的紧固件预紧载荷的方法。对带有螺纹锁紧环作为紧固件的密封结构进行了稳态温度场有限元分析计算和在预紧、内压、不同温差、不同温度组合成的若干工况下的热弹性变形计算。着重分析了温差应力对垫片压紧力以及密封结构紧密性的影响,得到结构在450℃的设计温度下停车,需保证筒内在降温过程中,内外壁温差不超过5℃。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 本文的主要研究工作
• 1.2.1 研究对象与工程目的
• 1.2.2 研究内容
• 1.2.3 研究方法
• 第二章 研究综述
• 2.1 垫片的重要性能
• 2.1.1 垫片的力学性能
• 2.1.2 垫片的高温力学行为
• 2.1.3 垫片的密封行为
• 2.2 中低压螺栓法兰连接设计方法
• 2.2.1 美国ASME对螺栓法兰垫片连接设计方法的研究
• 2.2.2 德国DIN对螺栓法兰垫片连接设计方法的研究
• 2.2.3 欧盟CEN对螺栓法兰垫片连接设计方法的研究
• 2.3 螺纹间摩擦力矩
• t计算公式和误差公式'>2.3.1 r_t计算公式和误差公式
• 2.3.2 数学模型
• 2.4 小结
• 第三章 螺纹间摩擦力矩的研究
• 3.1 计算的结构与模型
• 3.2 计算结果与分析
• 3.2.1 螺栓啮合螺纹段上轴向应力的分布
• 3.2.2 螺纹间接触压力的分布
• 3.3 螺纹间摩擦力矩的确定
• 3.3.1 弹性变形阶段
• 3.3.2 塑性变形阶段
• 3.4 小结
• 第四章 垫片试验研究与有限元分析验算
• 4.1 试验目的
• 4.2 试验材料、装置和方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验装置和方法
• 4.3 试验结果及分析
• 4.4 有限元分析计算
• 4.4.1 有限元模型
• 4.4.2 载荷和工况
• 4.4.3 计算结果
• 4.5 小结
• 第五章 密封结构紧固件预紧载荷的确定
• 5.1 GB 150-1998规范设计
• 5.1.1 螺栓载荷
• 5.1.2 螺栓面积
• 5.1.3 螺栓设计载荷
• 5.2 有限元分析计算
• 5.2.1 有限元分析计算的优点
• 5.2.2 分析软件的选用
• 5.2.3 有限元分析计算
• 5.2.4 实例
• 5.3 小结
• 第六章 温差应力对密封结构的影响
• 6.1 温差应力的产生
• 6.2 有限元分析计算
• 6.2.1 热分析介绍
• 6.2.2 热分析的类型
• 6.2.3 热—应力耦合分析实例
• 6.2.4 温度因素对垫片载荷—变形回弹曲线的影响
• 6.2.5 温差应力对密封结构紧密性的影响
• 6.3 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 附录D
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参与导师项目