法兰螺栓连接中螺栓预紧力的计算和控制方法分析

法兰联接的螺栓预紧是保证法兰联接点不发生泄漏的重要环节之一。本文通过分析计算给出了计算预紧力的通用公式,经过对2种控制预紧力的方法分析比较后,得出螺栓伸长法最适用于法兰螺栓连接系统的预紧力控制。     

多工况耦合法兰连接结构密封性研究

法兰连接结构广泛应用于工业生产领域,法兰处若发生泄漏,会影响设备正常运行,严重时还会对人员造成伤害,对环境造成污染。由此,对法兰连接结构的密封性进行研究,具有重要工程意义和价值。以法兰连接结构为研究对象,利用Waters设计方法和有限元分析方法,对不同预紧装配顺序,以及压力温度载荷工况、机械载荷工况、振动载荷工况的密封性进行分析。研究结果表明,螺栓预紧装配顺序、压力温度载荷工况下不均匀预紧、机械载荷工况、振动载荷工况均会对法兰连接结构的密封性造成影响,不同工况下预紧力丧失为20%～80%。在工程应用中,采用顺序紧固方式,在升温降温工况下,系统管道中管端载荷及振动载荷均会造成垫片接触应力分布不均匀,严重时可能导致垫片泄漏。对此,可以采用螺栓交叉拧紧、高温环境螺栓热紧工艺、双叠防松垫片等措施进行预防。     

大尺寸非标准容器法兰螺栓优化加载方案研究

针对工业中遇到的轴向力作用下大尺寸非标准容器法兰的泄漏问题,搭建了相应的试验装置,研究了不同预紧力、不同初始压力及不同加载方案下,螺栓载荷、法兰内部压力及泄漏率的变化规律。试验结果表明,基于ASME PCC-1,JIS B 2251的加载方案应用于本法兰时仍为较优化方案,但基于JIS B 2251的加载方案下螺栓载荷均匀性最好,加载轮次最少。当法兰接头初始压力为200,800 kPa时,预紧力的增加难以有效降低法兰内部最大泄漏速率,当初始压力为400,600 kPa,预紧力由6.0 kN增加至9.0 kN时,最大泄漏速率分别降低了30.4%和18.2%。     

石化企业如何防止法兰泄漏——确保法兰零泄漏的螺栓紧固技术浅析

正英国UKOOA统计表明:每100起法兰泄漏事故,有81起是因为不正确的螺栓载荷,即预紧力不当造成的。石化企业的承压设备和管道内充满了有毒易燃的各种化工产品。设备的法兰一旦发生泄漏,可能引发爆炸、火灾、人员伤亡、环境污染等严重后果,给国民经济和人民的生命财产带来极大的危害。英国UKOOA统计表明:每100起法兰泄漏     

大型法兰对接螺栓预紧力加载过程分析及处理措施

针对目前大型容器法兰接管对接时,螺栓预紧中,无法直接知道每个螺栓预紧力的大小,从而导致预紧力不能均匀的作用于密封垫,使密封垫产生不均匀变形,影响密封效果及产生泄漏。在工艺上,对法兰预紧螺栓的普遍要求是圆周逐步加载,使密封垫逐步均匀嵌入法兰密封槽,保证密封垫不发生局部变形,也就是法兰圆周均匀分布的许多螺栓加载过程要求变化梯度小、逐步均匀加载,最终各螺栓的预紧力达到规定值。设计一种在线监测仪器,此仪器能够在现场将每个螺栓的受力大小精确地反应出来,通过显示的数据来判断螺栓预紧顺序及加力大小。从而达到均匀逐步预紧,得到良好的密封效果。     

基于紧密度要求的非金属垫片应力场数值模拟

针对密封垫片的实际工作情况,将螺栓-法兰-垫片连接系统看成一个整体进行分析研究,并考虑系统中各元件之间的相互作用。以ASME B16.5标准中的NPS4 Class150法兰为例,建立螺栓-法兰-垫片连接系统的参数化三维有限元模型,模拟垫片材料的非线性行为。采用预紧单元模拟螺栓的预紧作用,研究了在不同预紧力和内压载荷的作用下,垫片应力的变化规律。研究结果表明:垫片应力的大小随着螺栓预紧力的增加而增大;随着内压载荷的升高,垫片的应力沿径向和周向分布更加不均匀。研究结果为螺栓-法兰-垫片连接系统的密封性能分析以及有限元法在该领域的应用提供了依据。     

缠绕式垫片设计系数的确定

基于缠绕式垫片螺栓法兰系统紧密性的简化分析,导出了满足许用泄漏率要求时螺栓预紧载荷与垫片残余压紧力的变化关系,根据不锈钢缠绕柔性石墨垫片实验结果,按现行国家规范相同的垫片系数m取值,提出了垫片预紧密封比压Y值的确实方法和可供设计使用的Y─P图。     

确定法兰螺栓预紧力的EN法与Waters法对比研究

为了验证不同方法计算所得的螺栓预紧力能否满足密封性要求,选取2种不同尺寸和工况的管法兰-螺栓-垫片模型,进行有限元分析。运用ANSYS Workbench有限元软件建立三维模型,施加温度载荷后得到法兰系统的温度场分布。根据EN13445附录G和Waters方法确定了螺栓预紧力,分别作为初始预紧力施加在对应的管法兰系统上并进行热-结构耦合。对预紧工况和操作工况下的法兰系统进行模拟分析,并对其密封及其强度性能进行评定。结果表明:通过EN法和Waters法计算所得的螺栓预紧力,均能使法兰系统满足密封条件且符合安全评定要求;但EN13445附录G方法确定的螺栓预紧力能保证应力在法兰上更均匀地分布,且应力水平更低;EN13445附录G方法在计算时考虑了整个法兰连接接头的密封要求及其强度要求,相较于Waters法考虑情况更加全面。     

螺栓法兰连接结构有限元建模及动力学分析

利用ANSYS有限元分析软件建立了螺栓法兰连接结构的实体非线性有限元模型,该模型模拟了法兰间接触、螺母与法兰间接触以及螺栓头与法兰间的接触,同时考虑了预紧单元模拟螺栓预紧力对结构的影响。通过对有限元模型在不同边界条件下、不同基础激励下进行瞬态动力学分析得出稳态响应信号,进而对信号进行差值处理得出不同边界条件下螺栓松紧对能量耗散的影响,并通过实验加以验证,确定了有限元模型的可靠性以及螺栓不同预紧情况下稳态响应信号的规律。结果表明:随螺栓预紧力矩的增大,能量耗散减小,系统非线性减弱;随激励频率及激励强度的增大,非线性特征变得显著,能量耗散增大。     

带预紧力的螺栓连接有限元分析

在机械通过螺栓连接装配时,绝大数情况螺栓都需要拧紧,使连接在承受工作载荷前,预先受到预紧力作用。施加预紧力的目的在于增加被连接件可靠性和紧密性,防止连接件在工作运转后出现缝隙或相对滑动。基于此,利用ANSYS Workbench软件对法兰用螺栓连接预紧进行有限元分析,证明预紧力可以增加被连接件紧密性;但是当法兰直径过小时,过大预紧力会导致螺栓变形增大,甚至造成螺栓发生塑性变形,而法兰变形也会加大。     

拧螺栓和拧螺母对螺纹轴向预紧力的影响研究

为了研究拧螺栓和拧螺母对轴向预紧力的影响,基于被连接件材料为钢-钢、钢-铝连接结构,将六角法兰面螺栓和六角法兰面螺母分别压钢状态进行拧紧试验,并利用超声波预紧力测量仪监测拧紧实现的轴向预紧力,结果表明拧螺栓较拧螺母实现的预紧力大。经分析导致该现象主要原因为螺栓法兰面实际锥度比螺母法兰面锥度小,即螺栓法兰面较螺母内外圈高度差小,导致前者支承面摩擦内径更小,同目标扭矩条件下扭矩系数小则转化的轴向预紧力更大。结合有限元分析,验证实测样件法兰面不同锥度受载条件下的应力分布情况,钢板最大应力集中位置为支承面摩擦内径,与试验结果相吻合。     

吊装孔螺栓-法兰-垫片结构的泄漏率预测及参数优化

吊装孔是船舶舱室等设备结构的重要贯穿件之一,也是主要的泄漏源之一,因此有必要开展吊装孔螺栓-法兰-垫片密封结构的泄漏率预测和控制开展研究。将接触界面视作复杂微孔结构,基于多孔介质渗流理论确定了接触界面微孔结构及其变形与气体输运之间的定量关系,构建接触密封泄漏率机制模型。该模型综合考虑微观接触界面流动分析与宏观结构力学分析,且不依赖于实验回归系数,对非标准法兰密封结构设计具有重要指导意义。结合三维有限元力学分析,采用所提出的模型对吊装孔螺栓-法兰-连接结构的泄漏率预测,并定量分析多种因素的影响,包括螺栓预紧力、法兰宽度、垫片厚度、螺栓个数、螺栓直径等。计算结果表明:在其他条件不变的情况下,单独增大预紧力、垫片厚度或螺栓个数,可以减小高介质压力下的泄漏率,而改变螺栓直径对泄漏率基本没有影响。以最小泄漏率为指标,采用正交试验法对吊装孔密封结构进行优化设计,计算得出最优方案下的泄漏率与最大泄漏率相比下降了37%。     

延迟焦化装置间歇系统法兰密封泄漏原因分析及对策

针对焦化装置焦炭塔系统静密封法兰失效泄漏情况,从设备工况、螺栓预紧力、垫片选用、法兰密封面形式等方面进行泄漏原因分析,研究结果表明焦炭塔系统由于操作特点,静密封点经历周期性温度变化,螺栓蠕变松弛造成密封比压下降,载荷不足发生泄漏。针对温度变化对密封性能的影响制定有效措施解决。     

基于有限元的LNG管道法兰连接紧密性分析

螺栓法兰连接是一种管道连接形式,其密封性能是工程中关注的重要问题,而垫片密封是螺栓法兰连接中被广泛应用的密封形式。综合考虑螺栓预紧力、管道压力、温度、管道结构及低温下材料力学性能,建立管道、法兰、垫片、螺栓系统的热-结构耦合有限元模型,分析螺栓法兰连接在安装工况、压力工况、低温压力工况下垫片接触应力分布规律、螺栓拉应力及管道位移变形。结果表明:低温压力工况下,垫片接触应力周向分布不均匀,管道结构对螺栓法兰连接密封性能有较大影响。     

液压拉伸螺栓有效拉伸系数研究

液压拉伸器被广泛应用于轴流压缩机转子螺栓的预紧安装。受螺纹变形、表面粗糙度的影响，螺栓的有效预紧力会小于初始预紧力。有效预紧力与初始预紧力的比值，即有效拉伸系数，是确定液压拉伸器安装油压的重要指标。本文以轴流压缩机转子液压拉伸螺栓为研究对象，分别采用理论与有限元方法，对其有效拉伸系数进行计算，并根据试验结果证明了有限元方法的准确度。此外，提出了几种提高预紧力系数的方法，并通过有限元法方法证明，在不变更螺栓公称直径及法兰厚度前提下，采用双头螺柱贯穿式螺栓、减小通孔直径、缩小拉伸器支脚与螺母间隙，可将有效拉伸系数提升约19.5%。     

基于螺栓与螺孔非线性接触模型的预紧应力分析研究

基于某核电站稳压器人孔法兰螺孔损伤返修的案例,采用有限元分析软件,使用非线性接触单元,计算了人孔法兰螺栓螺孔及增加钢丝螺套预紧后的应力变化,对比了螺栓预紧时的受力状态,分析了其应力分布,为螺栓与螺孔的设计提供科学依据。     

离心式氧气压缩机密封性分析

用传统水压试验检测压缩机机壳的泄漏时,为保证试验后压缩机仍能进行正常工作,内部充压过程中保留较大的裕度,不能起到精确检查密封性的作用。为了定量分析机壳密封性,文中建立氧气压缩机上机壳在承受螺栓预紧力和内压情况下的有限元数学模型及其有限元实体模型。利用建立的模型模拟水压试验,完成在给定预紧力工况下机壳的内压分析,通过分析法兰接触面上点在多种内压下的不同应力状况,得到机壳可以承受的极限水压力。仿真结果给出一个相对精确的内压极限值,可以作为机壳设计和水压试验的重要依据。     

AP1000蒸汽发生器人孔法兰螺栓预紧力校核

根据在施工现场采用螺栓拉伸机不能松动由扭矩扳手紧固的AP1000蒸汽发生器(SG)人孔法兰螺栓现象,简要分析了蒸汽发生器在生产和安装期间选用的扭矩控制法、伸长量控制法等预紧方法。对螺栓在紧固、松动后的扭矩-预紧力、伸长量-预紧力分别进行了校核计算,得出了用螺栓拉伸机松动比用扭矩扳手紧固产生的预紧力小是造成施工现场不能用螺栓拉伸机松动由扭矩扳手紧固的人孔法兰螺栓现象的根本原因。最后建议,无论采用扭矩控制法还是伸长量控制法,应在保证SG人孔法兰密封性的前提下,通过校核螺栓预紧力,使扭矩控制法和伸长量控制法产生的螺栓预紧力相互匹配,以确保无论采用哪一种螺栓紧固方法都能满足螺栓的拆装需要。     

一种工业汽轮机高温蒸汽法兰拧紧力矩的计算方法研究

法兰连接在工业设备中运用极为广泛,为了避免设备中介质泄漏,需要给法兰提供合适的预紧力,预紧力是通过拧紧力矩来实现的。在高温高压工况下,合适的拧紧力矩显得更加重要。鉴于此,通过对某汽轮压缩机组中汽轮机新蒸汽入口法兰进行分析,计算出所需的拧紧力矩,然后建立数学模型,通过有限元仿真分析,验证方法的可行性。     

基于有限元方法的塔筒法兰螺栓维护判定研究

塔筒法兰螺栓联接可靠是保证风力机组安全运行的关键。通过对风力机组运行工况分析,推导出塔筒法兰面单个螺栓最大拉力的计算方法,为后续的螺栓强度计算提供参考。本文阐述了风力机组塔筒法兰螺栓2种断裂方式的断口宏观形貌,分析确定所有机型塔筒法兰螺栓的共性结构参数,基于APDL语言定制结构参数交互式输入界面,实现法兰螺栓的参数化建模、载荷施加以及求解,完成了塔筒法兰螺栓强度应力分析,提出的最大预紧力计算机制,可计算螺栓满足不同屈服强度下最大预紧力值,为螺栓的设计、选型以及现场操作人员预紧力的设定提供参考,具有重要的指导意义。