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    法兰-螺栓-垫片系统高温热紧流程优化.pdf

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    法兰-螺栓-垫片系统高温热紧流程优化.pdf

    第43卷第4期 2014年7月 石油化工设备 PETROCHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 NO.4 July 2014 文章编号10007466201404~003204 法 --一_ 螺栓一垫片系统 古 目 同lim. 热紧流程优化 白国荔 ,伊 军 ,闰兴清。,罗从仁 喻健良 1.大连市锅炉压力容器检验研究院,辽宁大连116024; 2.大连理工大学化工机械学院,辽宁大连 116024 摘要采用柔性石墨金属缠绕垫片的法兰结构在升温过程中密封性能会下降甚至出现泄漏,采用 恰当的热紧操作能显著弥补垫片应力的损失。采用有限元数值模拟方法,对DN200 mm法兰系统 高温热紧时不同热紧流程下垫片应力的变化进行了分析,建立了热分析模型及结构分析模型,并对 热一结构耦合场分析进行了计算。模拟结果表明,高温下采用柔性石墨缠绕垫片的法兰结构热紧力 数值选择为初始预紧载荷的1.25倍,且每次热紧操作选择两轮顺次紧固螺栓的方法,能够满足在 达到足量且均匀垫片应力的同时,使得密封性能也得以提高。 关键词法兰;螺栓;柔性石墨金属缠绕垫片;密封性能;热紧;有限元分析 中图分类号TOOSO.2;TB115 文献标志码A doi10.3969/j.issn.10007466.2014.04.008 Process Optimization of Hot Bolting in High Temperature of Flange-boltgasket System BAI Guo-li ,YI Jun ,YAN Xingqing。,LUO Cong-ren ,YU Jianliang2 1.Dalian Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute,Dalian 116013,China; 2.School of Chemical Machinery,Dalian University of Technology,Dalian 1 1 6024,China AbstractThe sealing perance of bolted flange connection with flexible graphite spiral wound gasket descends or even becomes failure at elevated temperature;the loss of gasket stress can be made up by using proper hot bolting operation.The strain changes of gasket at hot bolting operation in DN200 flange at elevated temperature were studied by finite element simulation.The thermal analysis model and structural analysis model were established;the hotstructure coupling field analysis was conducted.The results indicate that the best in hot bolting operation is setting the load as the 1.2 5 times the value of the initial preload with bolting all bolts twice in or der in flange connection with flexible graphite spiral wound gasket under high temperature. Key wordsflomge;bolt;flexible graphite spiral wound gasket;sealing perance;hot bol ting;finite element analysis 温度对法兰密封性能有着重要的影响。实践证 明,对采用柔性石墨金属缠绕垫片的法兰,即使常温 下严格按照操作规程预紧螺栓,在升温过程中螺栓 仍会松弛导致法兰泄漏,此时,一般采取的措施是通 过热紧操作来弥补垫片应力的损失。 热紧力的选取对高温工况下法兰的密封性能有 较大影响。热紧力过小易造成垫片应力不足,热紧 力过大不仅给实际加载造成困难,而且还会因弹性 交互作用使得相邻螺栓载荷降低过大而造成法兰发 生泄漏。国内外很多机构和学者研究了温度对法兰 收稿日期20140209 作者简介白N1968一,男,辽宁大连人,工程师,学士,主要从事特种设备检验。 第4期 白国荔,等法兰螺栓垫片系统高温热紧流程优化 密封性能的影响 ,对高温下法兰热紧时热紧力的 大小也有类似研究。文中通过有限元方法,对采用 柔性石墨缠绕垫片的法兰密封结构热紧力进行了分 析,并提出优化的热紧力数值。 l 有限元模型及模拟方案 1.1 几何模型及材料属性 几何模型选用HG 20592--97钢制管法兰、 垫片、紧固件中DN200、PN40的带颈对焊凸面法 兰,材料2O钢 ]。双头螺栓材料为35CrMoA,规格 12-M27。 法兰、螺栓材料弹性模量、泊松比、热膨胀系数、 导热系数随温度变化引自文献[6]。垫片选用柔性 石墨金属缠绕垫片基本型,不同温度下的压缩回 弹曲线引自文献[1,2],热膨胀系数引自文献[3]。 1.2 有限元模型 根据模型的对称性,以垫片厚度1/2处为对称 面,分别建立热分析模型和结构分析模型。热分析 模型的建立参考文献[-43将螺栓与螺栓孔壁问空气 层、法兰盘间空气层建成实体模型,将空气层的辐射 换热、热传导忽略对流换热转化成当量导热系数 进行热分析。 详细建模过程见文献[7],限于篇幅,在此不再 赘述。 1.3预紧载荷 为了重点分析温度对螺栓载荷的影响,不考虑 初始预紧载荷的不均匀性,直接在预紧载荷步中对 所有螺栓施加预紧载荷F。 预紧载荷值采用ASMEⅧ-1[8]和GB 150 201l压力容器[9 中的Waters公式计算。内压取 法兰设计压力P一4.0 MPa,垫片系数m一3.0,最 小密封比压Y一69.0 MPal1 ,计算可知预紧载荷 F一74.3 kN。 1.4 密封性能判定指标 垫片轴向压应力是评价密封性能的重要指标, 根据文献[-10],操作工况下垫片轴向压应力应不小 于mp。因此,用mp一12.0 MPa作为衡量垫片密 封性能是否达到密封要求的指标。 预紧螺栓时垫片轴向压应力沿径向由内到外逐 渐增大,因此可主要考察垫片内外侧的压应力。在 垫片内btJ沿环向分别取24个监测点,测点及螺栓 编号见图1,图中,环形区域表示垫片位置,圆圈表 示螺栓位置。 lO 4 图1 螺栓及监测点编号不图 1.5模拟方案 已有研究表明,顺次加载方案相比交叉加载更 具优势_】 。故本文在热紧模拟中均采用顺次加载。 即依据螺栓编号顺次加载一轮为热紧一次。 考虑实际情况,设定操作温度为300。C,分别在 250℃、275 C、300。C时各热紧一次。热紧力F 的 大小是重点模拟优化的内容,模拟中首先设定热紧 力F 分别取初始预紧载荷F及1.5F,模拟方案过 程示意见表1。 表1热紧数值模拟方案 2模拟结果及分析 当热紧力F 取初始预紧载荷F时,不同载荷 步下垫片外侧、内侧压应力均值示图见图2。 图2垫片内外侧应力随载荷步的变化 由图2知,螺栓被初始预紧后,升压、升温过程 均能降低垫片应力。当在250℃、275℃、300 C以 石油化工设备 2014年第43卷 初始预紧载荷F大小热紧时,垫片外侧应力在每次 热紧之后都能得到有效弥补。然而,热紧对垫片内 侧应力的影响较小,导致最终垫片内侧应力降低至 约10 MPa,已低于密封指标12 MPa,说明内侧密封 失效。 由于垫片沿圆周方向的压应力并不均匀,单纯 采用图2所示的均值不能准确代表垫片压应力沿轴 向的分布,可利用图1所示的测点位置解决这一问 题。当预紧力F 取1.5F时,模拟得到在载荷步 ②、载荷步③、载荷步④、载荷步⑥、载荷步⑧时的垫 片应力沿测点周向位置的变化结果,见图3。为了清 晰起见,其余载荷步的变化未列出,但这些载荷步相 比前一载荷步的变化规律与图2类似。 日 止 出 45 1 4 7 l0 l3 l6 19 22 测点周向位置 a垫片外侧, 测点刷同位越 b垫片内侧 图3 1.5F热紧力一轮紧固时垫片应力分布 由图3可知,每次采用1.5F热紧力紧固螺栓 时,垫片外侧应力均能显著提高,且垫片内侧应力也 有提高,这说明采用1.5F热紧力紧固螺栓能使垫 片内侧密封性能提高。最后一步的垫片外侧应力约 为56 MPa,内侧垫片应力约为36 MPa,均能满足密 封要求。 还有一个问题需注意的是,采用1.5F热紧力 时的顺次热紧使得垫片应力过大,远超出密封所需 的最小垫片应力12.0 MPa,造成了资源浪费,热 紧力介于1F~1.5F可能较为合适。从图3a可以 看出,在每次升温后仅顺次热紧一轮周向的垫片应 力非常不均匀。从安全角度考虑,为获得均匀的垫 片应力,每一次热紧操作的热紧轮次应当多于一轮。 为此,提出如下优化热紧方案。 3热紧优化方案及模拟验证 热紧优化方案每次热紧时以1.25F为热紧 力,且顺次热紧两轮,其余的加载方案与表1相同。 1.25F热紧且每次热紧操作为顺次紧固螺栓两轮 时,垫片应力沿轴向位置的变化示意图见图4。 55 50 委45 4o 鼎 35 3O r 、 ’、ir 升压 250C 。 热紧两轮1 一热紧两轮2 *一热紧两轮3 1 4 7 1O 1 3 16 19 22 测点周向位置 a垫片外侧 J 上 L▲ 上▲ ‘ . ‘一一’m 升压 250% 一热紧两轮l十热紧两轮2 ‘-*_热紧两轮3 L▲ -V1 l-.|I, .I-.r- _ , .r|卜. I、 测点J 向位萱 b垫片内侧 图4 1.25F热紧力下两轮紧固时垫片应力分布 对比图3、图4可以知道,热紧顺次紧固一轮螺 栓时内、外侧垫片应力离散程度较大,紧固两轮能明 显提高螺栓载荷的均匀性。在1.25F热紧力下,最 终的垫片应力为外侧平均值49.0 MPa,内侧平均值 31.0 MPa,不仅满足密封要求,而且也节省了资源。 因此,热紧力为1.25F、每次热紧操作采用两轮顺次 紧固螺栓为优化的热紧方案。 4 结语 通过有限元模拟技术,建立了DN200 mm法兰 的热分析和结构分析模型,进行了热一结构耦合场分 析。模拟结果表明,热紧是弥补高温下垫片应力损 失的重要方法之一。螺栓热紧力均选1.25倍的螺 栓初始预紧力,从250℃开始每增加25℃进行热紧 第4期 白国荔,等法兰一螺栓一垫片系统高温热紧流程优化 35 操作,每次热紧操作为顺次紧固两轮,可以获得较均 匀且足量的垫片应力。 参考文献 [1]顾伯勤,陈晔.高温螺栓法兰连接的紧密性评价方法 [J].润滑与密封,200663941。 [2] [-32 E43 Es2 GU Boqin。CHEN Ye.Tightness Assessment Meth- od of Bolted Flanged Connections at Elevated Temper ature I-J].Lubrication and Sealing,200663941. Yoshio TAKAGI。Hiroyasu TORII。Toshiyuki SA WA,et a1.Sealing Perance uation of Pipe Flange Connection with Spiral Wound Gasket Under Cycle Thermal Condition[C]//ASME Pressure Vessel and Piping Division Conference.Prague,Czech Republic,2009. Yuya 0MIYA。Toshiyuki SAWA.Thermal Stress A nalysis and the Sealing Perance uation of Bol ted Flange Connection at Elevated Temperature Ec]// ASME Pressure Vessel and Piping Division Confer ence.Prague,Czech Republic,2009. 周先军.高温大口径法兰瞬态密封设计方法研究ED]. 东营中国石油大学华东,2008. ZH0U Xian-jun.Research on Transient Design Meth一 0d of Large Diameter Flange Sealing at High Tempera ure[D].DongyingChina University of Petroleum East China,2008. HG 2059297,钢制管法兰、垫片、紧固件[s]. HG 2059297。Steel Pipe Flanges,Gaskets and Fas teners rS]. [6]潘家祯.压力容器材料实用手册一碳钢及合金钢 EM].北京化学工业出版社,2000. PAN Jia-zhen.Pressure Vessel Materials Hand book--Carbon Steel and Alloy Steel[M].Beijing Chemical Industry Press,2000. E73 罗从仁.螺栓法兰垫片系统高温密封性能研究[D].大 连大连理工大学,2013. LU0 Congten.The Investigation on Sealing Per ance of Bolted Flange Connection at High Tem perature[D].DalianDalian University of Technolo gY,2013. f8]ASME一2O10,Boiler and Pressure Vessel Code,Sec tionⅧ,Division I Es]. [9]GB 150.1~150.42011,压力容器Is]. 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