不同状态下非线性行为垫片密封性能的试验研究

1　引言螺栓法兰垫片连接是一种应用非常广泛的可拆连接形式 ,其失效形式主要表现为泄漏。而作为密封元件的垫片 ,其性能是直接影响连接密封的可靠性因素之一。随着人们对环境保护和安全意识的增强 ,螺栓法兰连接密封的可靠性越来越受到关注。国外的研究人员联合生产企业 ,进行了广泛而系统的研究工作 ,并已取得了众多成果[1～ 3] 。在这些研究中 ,不乏涉及垫片的密封性能 ,尤其是对非线性行为垫片的性能进行了较多的试验研究 ,目的之一就是为法兰连接设计提供有效的设计参数 ,包括对垫片参数ｍ、ｙ的修改等。但在 70年代以前 ,因受试验手段…     

组合垫法兰接头高温密封性能研究

本文通过常温和高温垫片性能试验,结合对法兰接头进行整体的瞬态温度和密封性能有限元分析,对一使用特殊组合垫片法兰接头的密封性能进行了定量分析,回答了两个问题:(1)该组合垫是否适用于介质温度和压力大幅度变化的工况;(2)需多大的预紧力,才能确保法兰连接安全可靠。     

PTFE缠绕垫片旋转法兰的强度及密封性能研究

带垫片的螺栓法兰为压力容器管道的重要连接件,现行的基于Waters算法的规则设计难以保证法兰连接承受复杂载荷的完整性及密封有效性,根据欧盟标准BS EN 13445-3-2009附录GA的设计原则,建立PTFE缠绕垫片的压缩回弹本构关系,采用3D非线性有限元方法分析垫片及螺栓连接的旋转法兰组件受到内压及外载作用的强度及密封性能,结果表明螺栓预紧及操作条件下垫片法兰的密封性能及强度性能满足要求,螺栓预紧力的确定与内压及外载的大小,动态变化的垫片压应力、螺栓分散性有关。     

外载荷下螺栓法兰接头的研究进展

外载荷是影响螺栓法兰接头性能的重要因素，本文综述了国内外对此的研究情况。     

非金属垫片螺栓法兰连接寿命评价

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.     

螺栓法兰连接系统的可靠性设计

总结了近年来螺栓法兰连接系统的理论分析和试验研究成果，避开了原有垫片系数“m、y”值，提出了可靠的设计方法，使其与工程实际更为接近。     

具有非线性垫片的螺栓法兰连接的理论计算与实验研究

按现行规范设计的螺栓法兰连接不能保证有效的密封,本文基于A.I.Soler等人对螺栓法兰连接的分析,对一具有非线性垫片的螺栓法兰连接进行理论计算与实验。该计算从螺栓——法兰——垫片系统出发,考虑垫片的物理非线性以及螺栓的拉伸和弯曲,分别模拟了系统在预紧和操作阶段的螺栓应力、法兰应力和垫片应力。此外,对一实际的法兰连接进行了实验研究,试验结果与计算结果吻合较好。     

基于螺栓法兰连接系统的垫片应力分析

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。     

高温下法兰系统温度分布及螺栓载荷变化

建立了高温下法兰-螺栓-垫片实验装置,采用热电偶测量温度,并采用中温应变片测量螺栓载荷,试验研究不同法兰内壁温度下,各组件的温度分布以及螺栓载荷的变化规律;同时,建立了与试验工况相同的高温法兰稳态热-结构耦合有限元模拟模型,利用试验数据对模拟结果进行了验证。结果表明,高温下沿法兰内壁至法兰外沿会形成明显的温度梯度。法兰内壁、法兰外壁、螺栓、法兰外沿4个位置的温度依次降低。在本试验的法兰、螺栓及垫片属性下,随着法兰内壁温度升高,螺栓载荷降低,且载荷的均匀程度也降低。试验结果与数值模拟结果表明,采用有限元模型研究高温下法兰密封性能是可行的。     

法兰密封中螺栓与螺栓孔的传热学模型建立

建立法兰密封中螺栓与螺栓孔的传热学模型,将辐射换热、对流换热、导热转化为螺栓与螺栓孔间空气层的当量导热,计算了不同规格螺栓在不同温度下的当量导热系数,结果表明:对所有规格的螺栓,空气层的对流换热可以完全忽略;当量导热系数随温度变化是近似线性变化的;导热是主要热传递方式,辐射换热总体比例不超过35%。     

螺栓法兰连接的失效案例分析及有关进展的讨论

根据2010年在英国机械工程师学会专题讨论会上介绍的法兰失效案例,简要讨论了螺栓法兰连接设计中应注意的问题,并介绍近期紧凑法兰和螺栓法兰连接标准的一些进展。为了防止法兰密封面泄漏,对重要法兰应进行实际螺栓载荷下的整体塑性变形分析。     

考虑垫片非线性时法兰接头性能的三维有限元模拟--法兰接头的应力强度和泄漏过程分析

本文对法兰接头系统建立了有限元模型。利用ANSYS有限元程序 ,详细分析了法兰接头连接系统的强度和紧密性 ,同时分析了接头的泄漏过程。     

金属石墨缠绕垫片蠕变对法兰接头密封性能的影响

法兰接头在高温环境中工作时,接头各个部件的蠕变松弛会加剧,然而在法兰接头的研究中,大多没有考虑垫片的蠕变松弛。以金属石墨缠绕垫片为例,在不同温度及不同初始密封比压情况下进行蠕变松弛性能试验;将试验结果进行拟合得到垫片蠕变松弛性能计算公式,将其代入法兰接头变形协调方程中,计算得到接头蠕变2年的螺栓力随时间的变化情况。使用ANSYS软件建立法兰接头有限元模型,并计算不同部件蠕变2年所造成的螺栓力的松弛情况。理论计算结果与有限元计算结果相近,表明建立的理论模型可用于接头螺栓力松弛的评估。研究结果表明：初始密封比压相同时,温度越大则垫片的蠕变量越大,温度相同时,初始密封比压越大则垫片的蠕变量越大;垫片蠕变对法兰接头有显著影响,在一些情况下仅垫片蠕变就能使螺栓力下降40%,因此垫片蠕变对法兰接头的影响不能忽略。     

螺栓法兰接头用碟形弹簧压缩回弹性能研究

为研究螺栓法兰接头用碟形弹簧压缩回弹性能,建立碟形弹簧力学性能分析的弹塑性有限元模型,并通过试验验证其可靠性。应用ABAQUS软件对碟形弹簧压缩回弹过程进行分析,讨论碟簧外内径比、倾角和厚度对碟簧压缩回弹性能的影响。结果表明:碟簧的压平载荷随厚度、倾角的增加呈上升趋势,随外内径比的增加呈下降趋势;回弹率随厚度、倾角、外内径比的增加均呈下降趋势。基于正交试验分析方法,结合量纲分析,建立螺栓法兰接头用碟形弹簧压平载荷和回弹曲线的预测模型,并验证其可靠性。     

螺栓法兰接头瞬态温度三维有限元分析

建立了螺栓法兰联接的三维力学及传热学模型,在考虑垫片非线性和接触问题的基础上,研究了法兰的瞬态温度场分布以及温度场的变化对垫片和螺栓载荷的影响。研究表明由于瞬态温度场的影响,螺栓载荷变化滞后于垫片载荷的变化并且滞后程度随着内壁温度的升高而增加;垫片外侧载荷呈先升后降的规律。     

螺栓联接法兰瞬态温度场分析

建立了螺栓法兰联接的三维力学及传热学模型,在考虑垫片非线性基础上,研究了法兰的瞬态温度场分布以及温度场的变化,对垫片和螺栓载荷的影响.研究表明,由于瞬态温度场的影响,螺栓载荷变化滞后于垫片载荷的变化,并且随着内壁温度的升高而增加;垫片外侧载荷变化呈先升后降的规律.     

结构参数对液压旋转接头密封性能的影响

为探究结构参数对液压旋转接头间隙密封性能的影响规律,分别以泄漏量和压力损失作为液压旋转接头的性能指标,研究密封有效长度、密封直径、密封间隙值3种主要结构参数对旋转接头性能的影响。采用正交试验与Fluent流体仿真相结合的方法,分析液压旋转接头间隙密封在不同结构参数下的泄漏量和压力损失情况。结果表明：3种结构参数对泄漏的影响程度由大到小依次为密封间隙值、密封有效长度、密封直径,对压力损失的影响程度由大到小依次为密封有效长度、密封直径、密封间隙值;密封间隙值大小对泄漏量影响非常显著,泄漏量随着间隙的增大呈指数增长关系,而间隙密封有效长度、环形密封直径对泄漏量无显著影响;密封有效长度对压力损失有极其显著影响,而密封直径和密封间隙值对压力损失没有显著影响;从整体上看密封间隙值、间隙密封直径、密封有效长度都大致与压力损失呈一次函数关系,且前两者与压力损失呈正相关关系,后者则与压力损失呈负相关关系。     

采用垫片安全系数的高压法兰螺栓密封设计

为了防治高压大直径法兰螺栓密封的设计失效,从影响法兰密封效果的因素中提出垫片特性及垫片受力非均匀性2个参数;以垫片系数和垫片预紧比压为基础,分析特性比和特性系数这2个反映垫片组合特性的新概念;提出以垫片安全系数表征垫片的结构形式和材料性能在不同计算压力下的安全储备。绘制了典型的安全系数曲线,安全系数随着计算压力的增大而降低,且曲线下降中存在单个拐点;垫片适用压力大于拐点压力,小于垫片安全系数等于1时的计算压力。应用各种垫片在不同安全系数下相应的计算压力适用值进行密封设计,能够确保密封结构设计的有效性。     

高温螺栓法兰连接研究进展

工作在高温下的螺栓法兰连接系统,由于温度对材料变形和老化的作用,其密封要比常温下困难得多,因而温度成了影响法兰连接系统设计、使用和维护过程中不可忽视的一项重要因素。本文介绍了高温法兰连接系统的国内外研究状况,包括试验装置与测试方法、垫片高温性能研究、法兰及法兰—螺栓连接系统的分析。