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碳钢法兰接头的研究现状

2017-12-05 IP属地 火星 7


国外对碳钢法兰连接的研究起步较早,并形成了相关的研究成果,如美国的压力容器研究委员会(PVRC)的ASMEVIII-1锅炉和压力容器规范以及欧盟压力容器规范EN13445等。其共同的思想是通过选取对表示垫片密封性能有重要影响的一系列参数(如垫片系数m,最小有效压紧力y等),研究各参数对垫片对泄漏率的影响来确定合理的垫片及法兰结构。不同点是EN13445所选的参数多于ASME,不仅从垫片材料,而且还考虑了装配,操作,卸载,蠕变等对密封的影响。我国GB150《钢制压力容器》与ASME基本相同,主要是基于m和y这两个系数的强度设计准则。
对于螺栓加载方式的研究相关文献较少,只是近些年通过有限元分析手段研究不同加载方式的优劣。
发表于2003年的文献中,ToshimichiFukuoka和TomohiroTakaki通过有限元手段对螺旋缠绕垫片管国标法兰进行了研究,并利用实验进行了验证,得出在实际的预紧操作通常需要几轮加载,因为随着后续的加载,先加载螺栓的应力会降低,并给出了每轮加载所需施加的载荷大小。并计算出为了得到均匀预紧力而需要施加的初始预紧力大小。
研究了两方面的问题,一种是在完成船用法兰组装后确定螺栓载荷的损失以及如何在最终达到螺栓载荷的均匀分布。通过数值模拟与实验的对比分析,得出模型的正确性。Bibel和Ezell指出弹性交互作用可能引起法兰中螺栓预紧力损失最大达到初始载荷的98%,他们发现对于8个螺栓螺旋缠绕垫系统星形拧紧顺序,先拧紧的四个螺栓发生显著的弹性交互,后拧紧的四个螺栓则发生较少的弹性交互作用。
研究了多轮螺栓预紧过程,总结指出通过增加螺栓拧紧轮数可以改善载荷分布的均匀性。随后,两人通过实验提出了一种补偿弹性交互作用的方法,通过实验确定弹性交互作用系数,然后将初始施加载荷乘以此系数来获得最终螺栓应力。许多情况下,必须通过施加更高的螺栓初始载荷来补偿螺栓载荷的下降,然而,更高的载荷可能导致垫片失效,接头扭曲甚至屈服。对于这些极端情况,通过增加螺栓拧紧的轮数来改善载荷的均匀性可能是更好的选择。
2006年,SayedA。Nsssar和AliA。Alkelani研究了弹性交互作用以及蠕变松弛对螺栓载荷的影响。得出弹性交互作用程度受到垫片材料、厚度、螺栓间距及预紧方式的影响。当使用较软的聚四氟乙烯垫片时,螺栓载荷减小受到弹性交互作用及蠕变的双重显著影响,而当使用柔性石墨垫片时,弹性交互作用是主要影响,蠕变影响不显著。研究还发现同时加载多个螺栓能够产生更均匀的螺栓载荷。
MAbid和SHussain在2008年发表了两篇关于螺栓载荷松弛行为的有限元文章,系统的研究了螺栓、垫片及国标船用法兰的应力变化情况,利用有限元软件建立螺栓法兰垫片的半模型,同样得出法兰接头的密封性能与垫片所用材料有重要关系,螺栓的弯曲松弛行为是影响接头性能的重要因素。他们发现随着每轮加载载荷的增加,螺栓的松弛行为也相应增加。确定合理的加载方式和加载轮数具有重要意义。
大连理工大学的喻健良,闰兴清等人在2011和2012年两年间分别从实验和有限元模拟出发相继研究了螺栓间的弹性交互作用行为,结果表明弹性交互作用分为弹性交互正作用和弹性交互负作用,两种作用都使螺栓载荷降低,负作用的影响程度大于正作用。
对于稳态热一固祸合的研究己经有较多文章,由于瞬态问题的计算所需的迭代增多,以及祸合的复杂性,相关的研究文献较少。2006年,Ten自iaoLin和RunfangLi等人对核反应堆所用的螺栓法兰连接接头进行了三维瞬态密封分析,并利用实验进行了验证,两种方法具有较高的吻合度。该模型中考虑了瞬态和多重祸合场,并对1/4模型和全模型进行了分析,分析过程包括预应力,加压,升温及降温。所得结果具有很大的参考意义。
文献MuhammadAbid和JavedA。Chattha等人对内压和瞬态热载荷作用的法兰结构进行了系统的分析,分析发现管壁、螺栓和法兰的温度变化快慢程度不同,因此导致位移和应力在不同的时间发生改变。分析得出前75秒内的位移,应力变化明显,而500秒之后达到稳态,基本不变。在7秒阶段也是密封性改变程度最大的时刻,可能发生泄漏问题。
2007年中国石油大学的周先军,仇性启等人对螺栓法兰连接接头进行了瞬态温度场分析,所建立模型为三维模型,并考虑垫片的非线性压缩回弹特性,对不同时间节点的温度场进行分析,并提取垫片、螺栓、法兰的温度场以及垫片的应力时间相关性,结构具有一定的参考意义。
2003年华东理工大学的孙世峰,蔡仁良对外弯矩作用下的法兰结构进行了数值分析,并以PVRC紧密度计算为基准,对外弯矩作用下的法兰接头泄漏进行分析,通过与实验结果对比发现,有限元结果具有高度的准确性。
2009年Abdel-HakimBouzid对外弯矩作用下的法兰接头进行了理论计算、实验及有限元模拟,他指出通过将外弯矩转化为当量内压的方法具有保守性,因为实际情况下垫片应力不是均匀的降低到最小值,而是在部分降低的同时其它部位在增大。三种方法得出弯矩作用下的法兰接头的应力及位移等具有相同的变化趋势。
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