本發(fā)明屬于法蘭連接系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非線性墊片的法蘭螺栓預(yù)緊載荷設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

在承壓設(shè)備和管道中，由于生產(chǎn)工藝和安裝檢修的需要，通常采用可拆卸的密封連接結(jié)構(gòu)，其中法蘭連接是最典型的可拆卸密封連接，在中低壓容器和管道中被廣泛采用。盡管法蘭連接在拆卸方面很實用，但是一直存在潛在的泄漏危害，即使在常溫下，如果工作壓力、螺栓預(yù)緊力設(shè)定不當(dāng)，會降低墊片的回彈性能，使墊片應(yīng)力下降，法蘭偏轉(zhuǎn)角增大，螺栓法蘭連接系統(tǒng)的緊密性會因泄漏而破壞，從而造成事故。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于非線性墊片的法蘭螺栓預(yù)緊載荷設(shè)計方法，本發(fā)明能夠?qū)Τ胤ㄌm連接系統(tǒng)的緊密性給出簡單有效的定量評價，為螺栓法蘭連接系統(tǒng)的設(shè)計和緊密性的評定提供依據(jù)，提高了安全性。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于非線性墊片的法蘭螺栓預(yù)緊力設(shè)計方法，包括以下步驟：

s1.分析墊片的壓縮回彈性能；

壓縮回彈性能是墊片的基本力學(xué)性能，根據(jù)墊片的壓縮回彈曲線可知在操作條件下墊片的卸載性能與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系——施加不同的螺栓預(yù)緊力，墊片在發(fā)生回彈時，墊片的塑性變形量隨螺栓預(yù)緊力的增大而增大，墊片的回彈曲線的不同造成墊片在回彈階段的彈性系數(shù)的變化，墊片材料的非線性性能使得螺栓預(yù)緊力非線性變化，導(dǎo)致墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角的改變，從而影響法蘭連接系統(tǒng)的緊密性；

s2.分別計算螺栓、法蘭和墊片的彈性系數(shù)；

螺栓的彈性系數(shù)由普通彈性物體的彈性系數(shù)計算公式和胡克定律求得；法蘭承受彎矩和內(nèi)壓時，法蘭的彈性系數(shù)分為法蘭對彎矩的彈性系數(shù)和法蘭對內(nèi)壓的彈性系數(shù)，法蘭對彎矩的彈性系數(shù)取決于彎矩的作用、法蘭對內(nèi)壓的彈性系數(shù)取決于內(nèi)壓的作用；墊片的彈性系數(shù)由abdel-hakimbouzid在creepanalysisofboltedflangejoints文中引用的墊片彈性系數(shù)的計算方法得到；

s3.對法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，列寫變形協(xié)調(diào)方程，求解墊片壓緊力、法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作壓力、螺栓預(yù)緊力的變化規(guī)律；

s4.對法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行安全評定；

將在一定工況下工作的墊片壓緊力與滿足密封的最小壓緊力進(jìn)行比較并對墊片的密封性進(jìn)行評價、將在一定工況下工作的法蘭偏轉(zhuǎn)角與限定的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較并對墊片的密封性進(jìn)行評價，通過計算得到等墊片應(yīng)力曲線和等法蘭轉(zhuǎn)角曲線的變化規(guī)律，給定一個公稱壓力，由等墊片力曲線、等法蘭轉(zhuǎn)角曲線和最小螺栓應(yīng)力曲線得到螺栓預(yù)緊力的一個安全區(qū)域并確定法蘭系統(tǒng)的最大工作壓力；

s5.綜合墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角兩方面，給出法蘭在一定公稱壓力條件下的螺栓預(yù)緊力的安全區(qū)域，使得螺栓法蘭系統(tǒng)的緊密性達(dá)到最優(yōu)。

進(jìn)一步地，在步驟s3中，對法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)分析時，將螺栓、法蘭、墊片組成的整體看作是一個靜不定結(jié)構(gòu)，分析最終螺栓上殘余載荷與最初的螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系并且不考慮熱膨脹和蠕變產(chǎn)生軸向位移的影響(為了研究變量的單一性)。

本發(fā)明的原理是：在法蘭連接系統(tǒng)緊密性分析中，首先墊片應(yīng)力必須大于滿足密封的最小墊片應(yīng)力且小于墊片壓潰的最大允許應(yīng)力，其次墊片應(yīng)力的分布特征是越均勻越好，則有效密封寬度就越大，故須通過限制法蘭轉(zhuǎn)角來控制墊片應(yīng)力的分布均勻性，在一定公稱壓力下，墊片壓緊力隨螺栓預(yù)緊應(yīng)力的增大而增大，當(dāng)墊片壓緊力減小至滿足密封的最小墊片壓緊力時，可以得到以墊片壓緊力為評判準(zhǔn)則的安全極限螺栓預(yù)緊力σ1，法蘭轉(zhuǎn)角隨螺栓預(yù)緊力的規(guī)律與墊片壓緊力變化規(guī)律相同，從初態(tài)到法蘭偏轉(zhuǎn)角增大到asmeviii-1中規(guī)定的法蘭的限定角度時，可得到相應(yīng)工況下以法蘭偏轉(zhuǎn)角為評判標(biāo)準(zhǔn)的安全極限螺栓預(yù)緊力σ2，墊片壓緊力是否大于滿足密封的最小墊片力，法蘭偏轉(zhuǎn)角是否在asmeviii-1中規(guī)定的限定角度內(nèi)，是對法蘭連接系統(tǒng)緊密性的安全評定。墊片壓緊力確定最小安全極限螺栓預(yù)緊應(yīng)力σ1，法蘭偏轉(zhuǎn)角用來確定最大安全極限螺栓預(yù)緊應(yīng)力σ2，且螺栓預(yù)緊力必須大于最小螺栓預(yù)緊力yb，由此可以直接得到螺栓法蘭連接系統(tǒng)的螺栓預(yù)緊應(yīng)力的安全區(qū)域。

本發(fā)明的有益效果為：分析墊片的壓縮回彈性能，討論了墊片的卸載性能與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系；對法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行彈性分析，分別計算法蘭、螺栓、墊片的彈性系數(shù)，可知墊片材料的非線性性能會使得螺栓預(yù)緊力非線性變化；對法蘭連接進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，求解墊片壓緊力隨工作壓力、螺栓預(yù)緊力的變化規(guī)律；求解法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作壓力、螺栓預(yù)緊力的變化規(guī)律；對螺栓法蘭連接系統(tǒng)緊密性進(jìn)行安全評定；綜合墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角兩方面給出法蘭在一定公稱壓力條件下的非線性螺栓預(yù)緊力的安全區(qū)域，使得螺栓法蘭系統(tǒng)的緊密性達(dá)到最優(yōu)。本發(fā)明對常溫法蘭連接系統(tǒng)的緊密性給出簡單有效的定量評價方法，為螺栓法蘭連接系統(tǒng)的設(shè)計和緊密性的評定提供依據(jù)，提高了安全性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中法蘭連接系統(tǒng)的示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例中墊片壓縮回彈曲線圖。

圖3是本發(fā)明實施例中法蘭連接系統(tǒng)的協(xié)調(diào)分析圖。

圖4是本發(fā)明實施例中法蘭連接分析模型圖。

圖5是本發(fā)明實施例中公稱直徑dn＝200mm時螺栓預(yù)緊力變化規(guī)律圖。

圖6是本發(fā)明實施例中公稱直徑dn＝300mm時螺栓預(yù)緊力變化規(guī)律圖。

圖7是本發(fā)明實施例中公稱直徑dn＝400mm時螺栓預(yù)緊力變化規(guī)律圖。

圖8是本發(fā)明實施例中公稱直徑dn＝500mm時螺栓預(yù)緊力變化規(guī)律圖。

具體實施方法

下面結(jié)合具體實例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

一種基于非線性墊片的法蘭螺栓預(yù)緊力設(shè)計方法，包括以下步驟：

s1.分析墊片的壓縮回彈性能。

壓縮回彈性能是墊片的基本力學(xué)性能。在螺栓法蘭連接的預(yù)緊階段，墊片良好的壓縮性能是保證其表面與法蘭面形成初始密封的基本條件，而操作時則要求墊片具有較好的回彈性能，以便有效補(bǔ)償操作工況下由介質(zhì)壓力、溫度和法蘭附加載荷引起的密封面的分離。

柔性石墨復(fù)合墊片在應(yīng)力等級70mpa、溫度20℃下的壓縮回彈曲線，如圖2所示，由墊片的壓縮回彈曲線便可大致了解，在操作條件下連接系統(tǒng)在加載不同螺栓預(yù)緊力時發(fā)生回彈其卸載性能的影響，進(jìn)而得到非線性螺栓預(yù)緊力引起連接密封性能發(fā)生變化的規(guī)律。

將墊片的試驗數(shù)據(jù)分別作擬合，并考慮溫度的影響，得到如下壓縮回彈曲線公式。

壓縮曲線：

其中，sg為墊片預(yù)緊應(yīng)力，ac、bc、nc為回歸系數(shù)，t為試驗溫度，dg為變形量。

回彈曲線：

其中，sk為墊片預(yù)緊應(yīng)力，as、bs、at、bt為回歸系數(shù)，dk為不考慮蠕變時的最大變形量。并且有，

其中，σg為墊片預(yù)緊應(yīng)力，σb為螺栓預(yù)緊應(yīng)力，ftb為螺栓總拉伸載荷，ag為墊片全接觸面積(ag＝πdgnb)，ab為螺栓根徑截面積，nb螺栓個數(shù)。

由式(1)(2)(3)可得到，墊片的卸載性能與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系，施加不同的螺栓預(yù)緊力，墊片在發(fā)生回彈時，墊片的塑性變形量隨壓緊應(yīng)力的增大而增大，其回彈曲線會不同，則墊片在回彈階段的彈性系數(shù)將變化，墊片材料的非線性性能會使得螺栓預(yù)緊力非線性變化，導(dǎo)致墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角改變，影響法蘭連接系統(tǒng)的緊密性。

s2.計算螺栓、法蘭和墊片的彈性系數(shù)。

1)螺栓的彈性系數(shù)。

螺栓的彈性系數(shù)由普通彈性物體的彈性系數(shù)計算公式和胡克定律求得：

其中，kb為螺栓的彈性系數(shù)，eb為螺栓彈性模量，ab為螺栓根徑截面積，l^b為螺栓長度，并且lb＝2tf+tg+0.5d，其中，tf為法蘭的厚度，tg為墊片厚度，d為螺栓直徑。

2)法蘭的彈性系數(shù)。

對螺栓法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行研究時中可知，法蘭承受彎矩和內(nèi)壓時，法蘭對彎矩的彈性系數(shù)和法蘭對內(nèi)壓的彈性系數(shù)表達(dá)是不同的。其中，法蘭對彎矩的彈性系數(shù)為kfm，取決于彎矩的作用；法蘭對內(nèi)壓的彈性系數(shù)為kfp，取決于內(nèi)壓的作用。

(a)法蘭對彎矩的彈性系數(shù)。

其中，kfm為法蘭對彎矩的彈性系數(shù)，mf為法蘭面彎矩，θfm法蘭因彎矩所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角，e為法蘭的彈性模量，g0為錐頸小端的厚度，v為法蘭泊松比，h0、l、v為法蘭參數(shù)。

(b)法蘭對內(nèi)壓的彈性系數(shù)。

其中：kfp為法蘭對內(nèi)壓的彈性系數(shù)，pc為內(nèi)壓，θfp為對應(yīng)內(nèi)壓下的法蘭轉(zhuǎn)角，a1、a2、a3、a4、a5、a6、b1、b2、b3分別為公式擬合系數(shù)，并且a5＝-(h+t-xg)，其中，a為法蘭外徑，b為法蘭內(nèi)徑，bg為重心參數(shù)，xg為重心的橫向位置。β、d為法蘭參數(shù)，af為法蘭帶頸區(qū)的面積，h為法蘭錐頸高度，t為法蘭厚度，i為法蘭的慣性矩。

3)墊片的彈性系數(shù)。

選取墊片材料為柔性石墨復(fù)合墊片，abdel-hakimbouzid在creepanalysisofboltedflangejoints文中引用的墊片彈性系數(shù)的計算方法。

其中，kg為墊片的彈性系數(shù)，為墊片預(yù)緊應(yīng)力sg對墊片變形量dg求導(dǎo)，r為墊片半徑，并且墊片變形量dg與半徑r的關(guān)系為其中，θf為法蘭的偏轉(zhuǎn)角。

(a)彎矩作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角。

其中，為法蘭在操作工況下所受彎矩，hg為螺栓分布圓與墊片力之間的半徑距離，b為墊片有效密封寬度，m為墊片系數(shù)，ap為墊片環(huán)繞的受壓面積，hp為螺栓分布圓與法蘭內(nèi)徑之間的半徑距離，pc為法蘭連接系統(tǒng)的工作壓力。

(b)內(nèi)壓作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角。

法蘭的偏轉(zhuǎn)角之和為：

s3.對法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，列寫變形協(xié)調(diào)方程，求解墊片壓緊力、法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作壓力、螺栓預(yù)緊力的變化規(guī)律。

在螺栓法蘭連接中，由螺栓、法蘭、墊片組成的整體是一個靜不定結(jié)構(gòu)，對各部件軸向的彈性分析是解決最終殘余載荷的關(guān)鍵。

由于在預(yù)緊的過程中，螺母移動的軸向位移在整個工作時段內(nèi)是保持不變的，所以可寫出如下的變形協(xié)調(diào)方程：

式中，分別為初態(tài)螺栓、法蘭、墊片的位移(單位為mm)，分別為末態(tài)螺栓、法蘭、墊片的位移(單位為mm)，分別為螺栓、法蘭、墊片三者的蠕變位移(單位為mm)。

為了達(dá)到軸向平衡的目的，需滿足：

其中，wb、wf、wg分別為螺栓、法蘭、墊片的位移(單位為mm)，fb為螺栓壓力，fg為墊片壓力，分別為初始狀態(tài)下的螺栓、墊片壓緊力，分別為操作狀態(tài)下的螺栓、墊片壓緊力，為初始狀態(tài)下的法蘭彎矩。

代入式(10)中可得：

此處不考慮高溫蠕變的影響，化簡得到墊片壓緊應(yīng)力為：

其中，ke是整個連接的等效彈性系數(shù)：

由螺栓法蘭連接協(xié)調(diào)分析可得，墊片壓緊力與工作壓力、螺栓預(yù)緊力的關(guān)系式如下：

在操作工況下，法蘭承受彎矩和內(nèi)壓的作用，故法蘭偏轉(zhuǎn)角由彎矩和內(nèi)壓共同作用產(chǎn)生。y為墊片比壓力。

(a)法蘭在內(nèi)壓作用下的偏轉(zhuǎn)角θfp。

(b)法蘭在彎矩作用下的偏轉(zhuǎn)角θfm。

其中，為法蘭在操作工況下所受彎矩，即：由式(16)、式(17)可得法蘭在操作工況下的偏轉(zhuǎn)角之和，則法蘭偏轉(zhuǎn)角與工作壓力、螺栓預(yù)緊力的關(guān)系式如下：

s4.對法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行安全評定。

將在一定工況下工作的墊片壓緊力與滿足密封的最小壓緊力進(jìn)行比較，據(jù)此來對墊片的密封性進(jìn)行評價。

將在一定工況下工作的法蘭偏轉(zhuǎn)角與asme中限定的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，據(jù)此來對法蘭連接系統(tǒng)的緊密性進(jìn)行評價。

通過計算可以得到在不同公稱直徑的條件下，等墊片應(yīng)力曲線和等法蘭轉(zhuǎn)角曲線的變化規(guī)律，如圖5，當(dāng)給定一個公稱壓力，由等墊片力曲線、等法蘭轉(zhuǎn)角曲線和最小螺栓應(yīng)力曲線得到螺栓預(yù)緊力的一個安全區(qū)域，且可以確定該法蘭系統(tǒng)的最大工作壓力。

s5.綜合墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角兩方面，給出法蘭在一定公稱壓力條件下的螺栓預(yù)緊力的安全區(qū)域，使得螺栓法蘭系統(tǒng)的緊密性達(dá)到最優(yōu)。

1)墊片應(yīng)力。

墊片壓緊力是指墊片在受壓的工況下墊片軸向壓緊力，此墊片壓緊力是評價連接緊密性的一項重要指標(biāo)。依照gb150和asme的要求，在操作工況下墊片的壓緊力大于mpcag就認(rèn)為達(dá)到了密封的要求。蔡仁良在《柔性石墨金屬復(fù)合密封墊片材料的性能研究》中通過實驗對柔性石墨波齒復(fù)合墊片的性能進(jìn)行了研究，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知：m＝3，y＝31mpa。mpcag值為操作工況下滿足密封要求的最小墊片壓緊力，先假設(shè)墊片壓緊力減小至mpcag，可以得到以墊片壓緊力為評判準(zhǔn)則的安全極限螺栓預(yù)緊力。即：

2)法蘭偏轉(zhuǎn)角。

法蘭偏轉(zhuǎn)是由于螺栓裝配載荷、操作內(nèi)壓和墊片回彈力等作用下發(fā)生的法蘭體的彎曲變形、墊片的均勻壓縮和螺栓拉彎變形相互協(xié)調(diào)共同造成的。由于法蘭偏轉(zhuǎn)角與墊片壓緊應(yīng)力的分布均勻性緊密相關(guān)，法蘭偏轉(zhuǎn)角越大，墊片壓緊應(yīng)力沿墊片寬度的分布越不均勻，當(dāng)分布極度不均勻時，會導(dǎo)致墊片外側(cè)應(yīng)力過大而導(dǎo)致墊片局部壓潰，致使有效密封寬度變窄，使泄漏率增加。因此必須限定法蘭的偏轉(zhuǎn)角，以保證法蘭系統(tǒng)的緊密性。

此處所研究的法蘭為帶頸對焊法蘭，屬于整體法蘭，asmeviii-1中規(guī)定整體法蘭的限定角度不超過0.3°，要限定法蘭偏轉(zhuǎn)即要限定法蘭連接系統(tǒng)的初始預(yù)緊力。令θf＝0.3°，即可得到相應(yīng)工況下以法蘭偏轉(zhuǎn)角為評判標(biāo)準(zhǔn)的安全極限螺栓預(yù)緊力。即：

本發(fā)明的原理是：在法蘭連接系統(tǒng)緊密性分析中，首先墊片應(yīng)力必須大于滿足密封的最小墊片應(yīng)力且小于墊片壓潰的最大允許應(yīng)力，其次墊片應(yīng)力的分布特征是越均勻越好，則有效密封寬度就越大，故須通過限制法蘭轉(zhuǎn)角來控制墊片應(yīng)力的分布均勻性，在一定公稱壓力下，墊片壓緊力隨螺栓預(yù)緊應(yīng)力的增大而增大，當(dāng)墊片壓緊力減小至滿足密封的最小墊片壓緊力時，可以得到以墊片壓緊力為評判準(zhǔn)則的安全極限螺栓預(yù)緊力σ1，法蘭轉(zhuǎn)角隨螺栓預(yù)緊力的規(guī)律與墊片壓緊力變化規(guī)律相同，從初態(tài)到法蘭偏轉(zhuǎn)角增大到asmeviii-1中規(guī)定的法蘭的限定角度時，可得到相應(yīng)工況下以法蘭偏轉(zhuǎn)角為評判標(biāo)準(zhǔn)的安全極限螺栓預(yù)緊力σ2，墊片壓緊力是否大于滿足密封的最小墊片力，法蘭偏轉(zhuǎn)角是否在asmeviii-1中規(guī)定的限定角度內(nèi)，是對法蘭連接系統(tǒng)緊密性的安全評定。墊片壓緊力確定最小安全極限螺栓預(yù)緊應(yīng)力σ1，法蘭偏轉(zhuǎn)角用來確定最大安全極限螺栓預(yù)緊應(yīng)力σ2，且螺栓預(yù)緊力必須大于最小螺栓預(yù)緊力yb，由此可以直接得到螺栓法蘭連接系統(tǒng)的螺栓預(yù)緊應(yīng)力的安全區(qū)域。

在本發(fā)明中，分析墊片的壓縮回彈性能，討論了墊片的卸載性能與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系；對法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行彈性分析，分別計算法蘭、螺栓、墊片的彈性系數(shù)，可知墊片材料的非線性性能會使得螺栓預(yù)緊力非線性變化；對法蘭連接進(jìn)行軸向位移的協(xié)調(diào)分析，求解墊片壓緊力隨工作壓力、螺栓預(yù)緊力的變化規(guī)律；求解法蘭偏轉(zhuǎn)角隨工作壓力、螺栓預(yù)緊力的變化規(guī)律；對螺栓法蘭連接系統(tǒng)緊密性進(jìn)行安全評定；綜合墊片壓緊力和法蘭偏轉(zhuǎn)角兩方面給出法蘭在一定公稱壓力條件下的非線性螺栓預(yù)緊力的安全區(qū)域，使得螺栓法蘭系統(tǒng)的緊密性達(dá)到最優(yōu)。本發(fā)明對常溫法蘭連接系統(tǒng)的緊密性給出簡單有效的定量評價方法，為螺栓法蘭連接系統(tǒng)的設(shè)計和緊密性的評定提供依據(jù)，提高了安全性。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。