一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，包括以下步骤：分析垫片的压缩回弹性能；计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数；对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，获得变形协调方程，并确定垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的关系式；对法兰连接系统的紧密性进行安全评定；综合垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定法兰在一定工作压力条件下的初始预紧力的安全区域。该法兰接头预紧力设计方法能简单有效的对常温法兰连接系统进行紧密性评价，为垫片初始预紧力安全范围的确定提供依据，提高法兰连接系统安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及法兰接头
，特别涉及一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法。
技术介绍
在承压设备和管道中，由于生产工艺和安装检修的需要，通常采用可拆卸的密封连接结构。其中法兰连接是最典型的可拆卸密封连接，在中低压容器和管道中被广泛采用，尽管这种连接类型在拆卸方面是很实用的，但是它还是有一个潜在的泄露危害。即使在常温下，如果工作压力、垫片预紧力设定不当，会降低垫片的回弹性能，使垫片应力下降，法兰偏转角增大，螺栓法兰连接系统的紧密性会因泄露而破坏，导致石油化工装置失效。现有技术中的法兰接头预紧力设计方法无法确保在一定工作压力条件下法兰连接系统的初始预紧力处于安全区域，导致法兰连接系统的紧密性不可靠。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，解决了或部分解决了现有技术中法兰接头预紧力设计方法无法确保在一定工作压力条件下法兰连接系统的初始预紧力处于安全区域的技术问题，实现了简单有效的对常温法兰连接系统进行紧密性评价，提高法兰连接系统安全性的技术效果。本专利技术提供的一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，包括以下步骤：分析所述垫片的压缩回弹性能；计算螺栓、法兰和所述垫片的弹性系数；结合所述垫片的压缩回弹性能及所述螺栓、法兰和垫片的弹性系数，对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，获得变形协调方程，并确定垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的关系式；对所述法兰连接系统的紧密性进行安全评定；综合所述垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定所述法兰在一定工作压力条件下的初始预紧力的安全区域。作为优选，计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数，包括：通过普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得所述螺栓的弹性系数；求取所述法兰对弯矩的弹性系数，及所述法兰对内压的弹性系数；根据垫片弹性系数的计算方法求取所述垫片的弹性系数。作为优选，所述螺栓的弹性系数其中，lb＝2tf+tg+0.5d；tf为法兰的厚度，tg为垫片厚度，d为螺栓直径。作为优选，所述法兰对弯矩的弹性系数其中，E为法兰的弹性模量，g0为锥颈小端的厚度，vf为泊松比；所述法兰对内压的弹性系数其中：Pc为内压，θfP为对应内压下的法兰转角，E为所述法兰材料的弹性模量，A为所述法兰外径，B为所述法兰内径，BG为重心参数，XG为重心的横向位置。作为优选，所述垫片弹性系数的计算方法包括：确定所述法兰受弯矩作用产生的转角其中，为法兰在操作工况下所受弯矩，hG为螺栓分布圆与垫片力之间的半径距离，hp为螺栓分布圆与法兰内径之间的半径距离，为操作工况下所需的最小垫片压紧力，Pc为法兰连接系统的工作压力，Ap为垫片环绕的受压面积；确定所述法兰受内压作用产生的转角确定所述法兰的偏转角之和为： θ f f = θ f M f + θ f P f = ( 2 πD G bmh G K f M + A P h P K f M + 1 K f P ) P c ; ]]>根据所述法兰的偏转角之和确定所述垫片的弹性系数为： K g = 0.32595 × θ f 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，包括以下步骤：分析所述垫片的压缩回弹性能；计算螺栓、法兰和所述垫片的弹性系数；结合所述垫片的压缩回弹性能及所述螺栓、法兰和垫片的弹性系数，对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，获得变形协调方程，并确定垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的关系式；对所述法兰连接系统的紧密性进行安全评定；综合所述垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定所述法兰在一定工作压力条件下的初始预紧力的安全区域。

【技术特征摘要】
1.一种基于垫片压缩回弹特性的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，包括以下步骤：分析所述垫片的压缩回弹性能；计算螺栓、法兰和所述垫片的弹性系数；结合所述垫片的压缩回弹性能及所述螺栓、法兰和垫片的弹性系数，对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，获得变形协调方程，并确定垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、最大预紧力的关系式；对所述法兰连接系统的紧密性进行安全评定；综合所述垫片压紧力和所述法兰偏转角，确定所述法兰在一定工作压力条件下的初始预紧力的安全区域。2.如权利要求1所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数，包括：通过普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得所述螺栓的弹性系数；求取所述法兰对弯矩的弹性系数，及所述法兰对内压的弹性系数；根据垫片弹性系数的计算方法求取所述垫片的弹性系数。3.如权利要求2所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，所述螺栓的弹性系数其中，lb＝2tf+tg+0.5d；tf为法兰的厚度，tg为垫片厚度，d为螺栓直径。4.如权利要求2所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，所述法兰对弯矩的弹性系数其中，E为法兰的弹性模量，g0为锥颈小端的厚度，vf为泊松比；所述法兰对内压的弹性系数 K f p = P c θ f p = a 2 2 - 2 a 2 a 5 a 6 - a 4 a 6 + a 1 a 6 + a 3 a 4 + a 3 a 5 2 a 6 - a 1 a 3 a 1 a 3 b 3 - a 2 2 b 3 - a 3 a 4 b 3 + a 3 a 5 a 6 b 2 - a 3 a 5 a 6 b 1 + a 2 a 6 b 1 - a 2 a 6 b 2 ; ]]>其中：Pc为内压，θfP为对应内压下的法兰转角，a5＝-(h+t-XG)，E为所述法兰材料的弹性模量，A为所述法兰外径，B为所述法兰内径，BG为重心参数，XG为重心的横向位置。5.如权利要求4所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，所述垫片弹性系数的计算方法包括：确定所述法兰受弯矩作用产生的转角其中，为法兰在操作工况下所受弯矩，hG为螺栓分布圆与垫片力之间的半径距离，hp为螺栓分布圆与法兰内径之间的半径距离，为操作工况下所需的最小垫片压紧力，Pc为法兰连接系统的工作压力，Ap为垫片环绕的受压面积；确定所述法兰受内压作用产生的转角确定所述法兰的偏转角之和为： θ f f = θ f M f + θ f P f = ( 2 πD G bmh G K f M + A P h P K f M + 1 K f P ) P c ; ]]>根据所述法兰的偏转角之和确定所述垫片的弹性系数为： K g = 0.32595 × θ f f - 2 × σ max 1.523 = 0.32595 × [ ( 2 πD G bmh G K f M + A P h P K f M + 1 K f P ) P c ] - 2 × σ max 1.523 ; ]]>其中，DG为所述垫片的压缩量。6.如权利要求1所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，列写变形协调方程，包括：将所述螺栓、法兰、垫片组成的整体看作是一个静不定结构，分析最终螺栓上残余载荷与最初的螺栓预紧力之间的关系，为研究变量的单一性，不考虑热膨胀和蠕变产生轴向位移的影响；在预紧的过程中，所述螺母移动的轴向位移在整个工作时段内是保持不变的，得出所述变形协调方程为： w b i + w g i + w f i = w b f + w g f + w f f + w b c + w g c + w f c ; ]]>其中，分别为初态螺栓、法兰、垫片的位移，单位mm；分别为末态螺栓、法兰、垫片的位移，单位mm；分别为所述螺栓、法兰及垫片的蠕变位移，单位mm；设置轴向平衡条件，得到垫片压紧应力；所述轴向平衡条件为：所述垫片压紧应力为： F g f = F g i - P c A p - K e [ A p P c K b + 2 h G h p A p P c K f M + 2 h G P c K f P ] ; ]]>其中，Ke是整个连接的等效弹性系数， 1 K e = 1 K b + 1 K g + 2 h G 2 K f M = 1 K b + 2 h G 2 K f M + 3.068 × [ ( 2 πD G bmh G K f M + A P h P K f M + 1 K f P ) P c ] 2 × σ max - 1.523 . ]]>7.如权利要求6所述的法兰接头预紧力设计方法，其特征在于，由所述螺栓法兰连接协调分析可得，所述垫片压紧力与工作压力、垫片最大预紧力的关系式为： F g f = F g i - P c A p - K e [ A p P c K b + 2 h G h p A p P c K f M + 2 h G P c K f P ] = πD G b y - P c A P - ( A p K b + 2 h G h p A p K f M + 2 h G K f P ) P c 1 K b + 2 h G 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑小涛，潘佳琳子，喻九阳，徐建民，王成刚，林纬，汪威，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42