壓力容器法蘭應(yīng)力分析方法對比
2016-12-21 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
法蘭、墊片、螺栓連接系統(tǒng)作為一種方便的可拆卸連接結(jié)構(gòu),是壓力容器及管道上必不可少的重要部件,被廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、能源等領(lǐng)域[1]。它的作用原理是通過螺栓和墊片的連接與密封,保持系統(tǒng)不致發(fā)生泄漏。我國的法蘭設(shè)計采用的是以彈性分析為基礎(chǔ)的Waters[2]方法,在聯(lián)接螺栓的強度設(shè)計與校核中,根據(jù)螺栓受到的外載,計算螺栓預(yù)緊力,再根據(jù)不同的工況下的計算公式進行強度計算,如靜載荷與動載荷的分析計算。然而法蘭中螺栓聯(lián)接的行為是相當(dāng)復(fù)雜的,受到多種因素影響,工況從初始預(yù)緊到操作工況,必須考慮的參數(shù)組合復(fù)雜,因此準(zhǔn)確的計算其各零件的應(yīng)力,對法蘭設(shè)計至關(guān)重要[3]。本文研究的原因在于目前應(yīng)用的Waters法計算所得的螺栓預(yù)緊力往往達不到控制法蘭接頭泄漏的要求,尤其是氣體介質(zhì)的密封要求。其實,ASME鍋爐壓力容器規(guī)范中早就指出:根據(jù)Waters法求得的“設(shè)計螺栓力”僅僅是用來確定需要的最小螺栓截面積之用,而實際螺栓預(yù)緊力基于下列幾方面考慮,必須要大于“設(shè)計螺栓力”[2]。(2)考慮到法蘭轉(zhuǎn)角、墊片松弛、螺栓伸長等因素,實際螺栓預(yù)緊力應(yīng)該提高至設(shè)計值的1.5倍以上。(3)規(guī)范中規(guī)定的螺栓許用應(yīng)力僅用于承受設(shè)計壓力的計算需要,而實際螺栓安裝應(yīng)力包括預(yù)緊、壓力、溫差、外載荷組合產(chǎn)生的應(yīng)力可達到許用應(yīng)力的二倍。值得注意的是,Waters法中所列出的墊片參數(shù)m、y和b源自70多年前,一無實驗基礎(chǔ),二無泄漏率概念,因此利用該方法進行非標(biāo)法蘭的設(shè)計時存在泄漏的風(fēng)險。基于目前法蘭設(shè)計中存在的問題,本文利用ANSYS Workbench對法蘭進行應(yīng)力分析,為非標(biāo)法蘭設(shè)計提供另一條途徑,提出三種法蘭的分析方法,并加以討論。(1)螺栓不建模,零件間的連接使用綁定接觸,無螺栓預(yù)緊力。(2)螺栓聯(lián)接使用實體單元,但不建模螺紋,包含螺栓預(yù)緊力及摩擦接觸。(3)螺栓聯(lián)接使用實體單元,包含螺紋接觸,包含螺栓預(yù)緊力及摩擦接觸。本文以立式蓄能器的轉(zhuǎn)接凸緣為例,采用上述三種分析方法分別進行分析,并對分析結(jié)果進行對比討論。表1 立式蓄能器設(shè)計參數(shù)與條件表立式蓄能器主要由上法蘭、轉(zhuǎn)接凸緣與封頭法蘭組成,本文主要針對主要針對立式蓄能器的凸緣進行局部應(yīng)力分析,由于模型及載荷的對稱性,取1/4模型進行分析,簡化后的模型如圖1所示。在模型兩側(cè)面施加對稱約束,底面施加位移約束,以限制剛性位移,邊界條件施加情況如圖2所示。無螺栓、綁定接觸對于法蘭的分析是最簡單的一種方法。該方式是在所有連接組件的接觸面定義為綁定接觸,由于綁定整個組件接觸面會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過于剛性,且無法得到每個螺栓載荷。將幾何模型中的螺栓、螺母去掉,改變后的幾何模型如圖3所示。容器內(nèi)部承受1000PSI的內(nèi)壓,接管法蘭端部承受由內(nèi)壓引起的接管載荷3727N,載荷的施加方式如圖4所示。對模型的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖5所示,最大等效應(yīng)力強度為325.8MPa,出現(xiàn)在轉(zhuǎn)接凸緣的螺栓孔附近。提取轉(zhuǎn)接凸緣與接管法蘭接觸面的接觸壓力,如圖6所示。接觸面內(nèi)側(cè)壓緊為正應(yīng)力8.43MPa,另一側(cè)為負壓力-68.85MPa,表示此處接觸面存在分離的現(xiàn)象。為考慮更多的螺栓連接的詳細特征,如法蘭、螺栓、墊片、螺母之間的接觸行為,各接觸面采用摩擦接觸,建模中不包含螺紋,結(jié)構(gòu)如圖7所示。對模型的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖8所示,最大等效應(yīng)力強度為258.99MPa,出現(xiàn)在封頭凸緣處。提取轉(zhuǎn)接凸緣與接管法蘭接觸面的接觸壓力,如圖9所示。接觸面壓緊為正應(yīng)力6.87MPa,接觸沒有分離。將螺柱與凸緣的接觸,修正為螺紋接觸,將螺栓集中力處理為通過螺紋連接面的分布力,更接近螺栓應(yīng)力分布的真實狀態(tài)。對模型的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖10所示,最大等效應(yīng)力強度為328.62MPa,出現(xiàn)在螺紋連接面上。提取轉(zhuǎn)接凸緣與接管法蘭接觸面的接觸壓力,如圖11所示。接觸面壓緊為正應(yīng)力7.18MPa,接觸面沒有分離。(1)在利用第一種方法進行分析時,得到的法蘭密封面的接觸壓力為負值,與實際情況存在巨大差異;計算的法蘭整體部位的最大應(yīng)力小于其他兩種方法,這是由于綁定整個密封面產(chǎn)生不真實的剛度行為,計算結(jié)果不保守,所以在校核法蘭密封性能和強度時,不推薦使用這種方法。(2)利用第二種和第三種方法對法蘭進行分析時法蘭整體部位的應(yīng)力相差不大,應(yīng)力的差異出現(xiàn)在螺栓上,密封接觸面上的壓力分布情況一致,在不需要對螺栓進行精確的應(yīng)力分析的時候,可以使用第二種分析方法進行分析,誤差不大。[1]王定標(biāo),楊國新,尹華杰.非標(biāo)法蘭連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)力分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報,2007.2(28):60-63.[2] 應(yīng)道宴,蔡暖姝,蔡仁良. 螺栓法蘭結(jié)構(gòu)安全密封技術(shù)(三)—法蘭的設(shè)計選用及其承載能力評估[J].化工設(shè)備與管道,2012.6(49):60-63.[3]王慶.非均勻溫度場作用下法蘭螺栓聯(lián)接性能分析與優(yōu)化[D].北京:中國石油大學(xué),2011:1-3.
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