垫片螺栓法兰连接系统强度可靠性分析

利用有限元软件abaqus建立了螺栓法兰连接系统的实体模型,采用热结构耦合分析方法,研究了法兰公称直径为100mm的螺栓法兰系统的温度场及其应力场,以及在预紧力和温度梯度操作条件下螺栓等效应力、轴向应力、径向应力和切向应力的变化关系.结果表明,温度场对螺栓轴向两端的应力影响较大,当内壁温度为100℃时螺栓头靠近法兰一侧的等效应力增加了250mpa,螺栓上靠近法兰一侧的螺纹的等效应力增加100mpa,而温度场对螺栓远离法兰一侧的螺纹的应力影响很小,说明设计时应重点考虑热应力对靠近法兰一侧的螺纹与螺栓头的影响.

168en1591-1法兰及其接头-垫片圆形法兰连接的设计规 则—第一部分:计算方法,作为对在压力、温度、外力和外 弯矩等载荷作用下的螺栓法兰连接进行完整性和密封性计 算的规则。按en1591-1方法进行计算时,需要输入一组垫片 (特性)系数,所以又制订了env1591–2法兰及其接头-垫 片圆形法兰连接的设计规则—第二部分:垫片系数作为对其 的补充 一：计算中采用载荷状况包括初始装配,压力试验,重要的操 作工况。计算步骤大致如下: 1.1首先,计算装配工况下需要的最小螺栓载荷。要求在其 后的其他载荷工况下,在垫片上的残余作用力不低于垫片要 求的最小平均值(该值可取自env1591-2)。此计算是叠代 过程,为该载荷取决有效垫片宽度,而有效垫片宽度本身又 取决于螺栓装配载荷。 1.2其次,由选定的螺栓装配

分析非金属垫片密封的时效特性,考虑高温条件下材料退化和垫片载荷松弛过程对密封性能的影响,依据多孔介质理论,建立非金属垫片密封的时效泄漏模型。将螺栓法兰连接系统寿命划分为密封寿命和部件寿命。提出密封寿命试验方法,在考虑垫片泄漏特性变化的基础上,基于指标泄漏率分析螺栓法兰连接系统密封寿命;基于蠕变和疲劳损伤准则分析高温螺栓的剩余寿命,探讨螺栓法兰连接系统的密封寿命和各部件寿命之间的关系。建立螺栓法兰连接系统的寿命预测最弱环模型,将垫片的变形特性和泄漏特性统一于螺栓法兰连接系统中进行研究,提出基于指标泄漏率和结构完整性的螺栓法兰连接系统寿命评价方法。

螺栓法兰连接广泛的应用于石油化工等过程装备中,其是最重要的静密封连接形式之一,失效的主要原因是泄漏。利用有限元法对垫片的平均应力和外缘最大应力关系进行分析研究;采用解析方法预测螺栓法兰连接结构的泄漏率,并与试验结果进行对比,研究了垫片外缘最大应力与泄漏率之间的关系。结果表明,随着螺栓载荷的增加,法兰偏转程度增加,垫片平均应力与垫片外缘最大应力的差值逐渐增大;垫片外缘最大应力较平均应力对连接结构泄漏率影响更大。

根据螺栓法兰连接系统的模糊性、连接系统的主要故障及其失效原因,建立以连接系统泄漏失效为顶事件的故障树.依据模糊集理论,基于基本事件发生概率的三角模糊分布,对所建立的故障树进行了模糊分析.采用fussel算法得到了顶事件的最小割集,求取了顶事件的模糊概率及不同置信水平下顶事件的隶属函数;将模糊重要度中值分析法引入螺栓法兰连接系统的故障树分析中,获得了顶事件最小λ截集水平下的各基本事件的模糊重要度,得到影响连接系统泄漏失效行为的重要因素,并给出相应的泄漏预防与控制策略.

本文以强度可靠度为约束,对法兰螺栓联接进行了优化设计.文中提出采用辛卜生数值积分较好地处理了正态分布数值表,从而将优化设计与可靠性设计有机地结合起来.在此基础上进行的法兰螺栓联接设计,可在满足一定强度可靠度的同时,迅速取得一组最佳结构参数,其设计方法具有广泛的实际应用价值.

本文提出螺栓法兰连接的紧密性概念,针对螺栓法兰连接长时间在高温条件下会失效的问题,对法兰连接的三个主要部件作了失效分析,从理论上提出了相应的措施以降低因连接失效造成的损失。

对压力管道法兰连接中螺栓的受力、预紧力的计算方法进行了分析,研究了垫片的密封性能,包括基本密封特性、压力-回弹特性、垫片的厚度和宽度效应。得出了法兰连接时,连接点的泄漏与螺栓预紧力、密封面状态、使用工况、垫片等有关的结论。

某巨型液压机是我国国防和基础建设的关键设备,其中的主工作缸是水压机的重要部件之一。其法兰处采用螺栓联接。本文对螺栓联接的可靠度进行了计算,并分析了影响其可靠度的一些因素,为主工作缸的设计提供了参考依据。

fpr（玻璃钢）法兰连接螺栓长度 磅级管径管插入深度（ds）fpr法兰厚度a105法兰厚度螺栓个数fpr-a105螺栓fpr-fpr螺栓fpr-单向阀-fprfpr-蝶阀-fpr 150lb2＂4650.819.545/8＂×4.5＂5/8＂×5.75＂5/8＂×8.25＂5/8＂×7.5＂ 150lb3＂4650.823.545/8＂×4.75＂5/8＂×5.75＂5/8＂×8.75＂5/8＂×7.75＂ 150lb4＂4650.823.585/8＂×4.75＂5/8＂×5.75＂5/8＂×8.75＂5/8＂×8＂ 150lb6＂5760.45225.583/4＂×5.50＂3/4＂×6.75＂3/4＂×10.75＂3/4＂×9.25＂ 150lb8＂

螺栓法兰结构以其构造简单、可靠性性能优良的特点被广泛应用于航空航天、核能等工业领域中。在连接面处,由于预紧力、摩擦力、拉压受力分布不均使得螺栓连接的工作状态相对复杂。本文首先介绍螺栓法兰连接结构研究中发现的接触、摩擦等工程现象和对该类问题的研究思路,然后对螺栓法兰连接结构相关研究成果进行介绍,最后对该结构特性研究进行总结与展望。

文章编号:1007-967x(2005)03-0046-03 法兰连接中的螺栓预紧力 叶红,颜廷武,刘元胜 (沈阳石蜡化工有限公司,辽宁沈阳11014) 摘要:法兰连接中螺栓的预紧力,要满足法兰接头在操作时不发生泄露。叙述了螺栓从预紧状 态到操作状态过程中法兰接头的变化。预紧力应是考虑了内压作用和垫片在升压过程中 松弛的综合结果。 关键词:法兰;螺栓;预紧力;计算 中图分类号:th131.3文献标识码:a 1概述 由于生产操作上的需要及制造、安装、检修、运 输的方便,各工业部门的容器或管道经常做成可拆 卸的。采用了可拆卸连接后,保证联接口密封的可 靠性,成为决定工业生产能否正常运行的必要条件。 螺栓连接的法兰接头是一种应用极为广泛的结 构,它属于强制密封,依靠联接件通过被联接件强制 挤压密封元

采用有限元法对弹性垫圈轴向载荷下的变形规律进行了研究,并以此为依据,提出了利用变形协调分析对高温螺栓法兰连接中弹性垫圈刚度进行设计计算的方法。

现行金属垫片的设计以垫片系数或线密封比压为依据,主要针对法兰强度问题,而没有定量泄漏和紧密性的概念,因此无法从理论上说明连接是否紧密。在金属垫片变截面泄漏通道的泄漏率计算公式、接触应力分布的解析算法以及连接结构变形协调分析的基础上,建立连接系统的紧密性分析方法。实例分析表明:通过增加垫片应力(即提高螺栓载荷),可降低连接的泄漏率,但当垫片应力水平较高时,效果并不显著。对于密封性要求高的连接,可以采用表面较光滑的垫片。以最大允许泄漏率为设计准则的设计方法与以强度为设计准则的规范设计方法相结合,有可能发展成为一种新的密封连接设计方法。

采用解析方法对垫片应力径向分布及其不均匀性进行研究,提出基于垫片径向应力分布的螺栓法兰连接结构泄漏率预测方法。将垫片应力径向分布解析计算结果与有限元计算结果,以及泄漏率预测结果与现有方法预测结果和rott(roomtemperaturetightness)的试验结果分别进行比较和分析。结果表明,垫片应力分布的解析计算结果与有限元结果一致,且大小由内径向外径逐渐增大,随着螺栓载荷的增加,垫片径向应力的不均匀性也逐渐增大;提出的泄漏率预测方法得到的计算结果与试验结果十分吻合,且较现有预测方法得到的结果更为精确。

为准确评价螺栓法兰连接结构的紧密性,采用解析方法对螺栓法兰连接中非线垫片沿径向变形量和应力分布进行研究。解析方法计算得到的垫片变形量与应力分布与有限元法计算结果基本一致,但较有限元法计算的稍偏小。分析结果表明,垫片变形量及沿径向的应力分布都是不均匀的,由垫片内径向外径逐渐增大。

应用abaqus软件,在考虑预紧力和内压作用的工况下,对某厂所设计的压力容器非标活节螺栓法兰垫片连接系统进行三维有限元应力分析。根据应力分析结果进行线性化处理,按照jb4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》对其进行应力强度评定。结果表明,由于结构的复杂性,原设计结构的耳板、上法兰和筒体的应力强度不满足要求,需加厚上法兰并在筒体上安装加强板以减小其应力强度值。对具有不同厚度上法兰和不同长度加强板的该结构进行应力分析,得到既满足强度要求和密封要求,又节省材料的设计参数,同时总结了上法兰厚度和加强板长度对连接系统上法兰和筒体应力的影响规律。这对类似结构的设计具有一定的指导意义。

所建立的参数化三维有限元模型,充分考虑了法兰螺栓联接系统的应力集中、垫片材料非线性特性以及各元件的接触非线性,研究了螺栓法兰连接系统各元件之间的相互作用,分析了预紧力、密封介质内压力等因素对垫片应力的影响。结果表明垫片应力在径向随着节点半径的增大而增大,随着预紧力的增大而增大,随着内压力的增大而减小,在周向螺栓附近的应力明显大于其它处应力。当垫片最外侧应力低于了密封所要求的最低应力时,螺栓法兰连接系统发生泄露。

分析了高温下螺栓法兰垫片连接系统的紧密性,以及法兰接头系统中螺栓的各应力状况,为今后法兰连接系统在研发设计上的合理性及应用上提供参考。

在考虑连接结构承受外弯矩作用和螺栓、法兰及垫片蠕变的基础上,建立高温螺栓法兰连接结构的变形协调分析方程,采用解析方法研究连接结构承受外弯矩和蠕变对连接结构力学行为的影响。结果表明,外弯矩作用下,受拉侧的法兰转角增大,螺栓伸长量减小,垫片应力增大;受压侧的情况则相反。在相同的工作条件下,考虑蠕变时,温度越高,法兰转角、法兰变形量和垫片应力减小幅度越大。外弯矩引起的垫片受拉侧应力下降和元件的蠕变是连接结构密封失效的重要原因。

法兰连接中螺栓拧紧力矩的计算

笔者于2012年5月对株洲某公园的游乐设施进行定期检验中,发现"飞龟"旋转臂法兰处有一连接螺栓断裂。经过向设备经营管理者了解,这并不是这个位置螺栓的第一次断裂,设备总共才运营了一年多,已经发生过好几次。虽然这次的设备缺陷没有造成重大的伤亡事故。因为某个螺栓的断裂影响到整个法兰的