基于非线性垫片的法兰螺栓预紧载荷设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非线性垫片的法兰螺栓预紧力设计方法，分析垫片的压缩回弹性能讨论垫片的卸载性能与螺栓预紧力的关系，对法兰连接系统进行弹性分析，得到垫片材料的非线性性能会使得螺栓预紧力非线性变化，对法兰连接进行轴向位移的协调分析，求解垫片压紧力随工作压力、螺栓预紧力的变化规律，求解法兰偏转角随工作压力、螺栓预紧力的变化规律对螺栓法兰连接系统紧密性进行安全评定，综合垫片压紧力和法兰偏转角两方面给出法兰在一定公称压力条件下的非线性螺栓预紧力的安全区域使螺栓法兰系统的紧密性达到最优。本发明专利技术对常温法兰连接系统的紧密性给出简单有效的定量评价方法，为螺栓法兰连接系统的设计和紧密性的评定提供依据，提高安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于非线性垫片的法兰螺栓预紧载荷设计方法
本专利技术属于法兰连接系统领域，具体涉及一种基于非线性垫片的法兰螺栓预紧载荷设计方法。
技术介绍
在承压设备和管道中，由于生产工艺和安装检修的需要，通常采用可拆卸的密封连接结构，其中法兰连接是最典型的可拆卸密封连接，在中低压容器和管道中被广泛采用。尽管法兰连接在拆卸方面很实用，但是一直存在潜在的泄漏危害，即使在常温下，如果工作压力、螺栓预紧力设定不当，会降低垫片的回弹性能，使垫片应力下降，法兰偏转角增大，螺栓法兰连接系统的紧密性会因泄漏而破坏，从而造成事故。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于非线性垫片的法兰螺栓预紧载荷设计方法，本专利技术能够对常温法兰连接系统的紧密性给出简单有效的定量评价，为螺栓法兰连接系统的设计和紧密性的评定提供依据，提高了安全性。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于非线性垫片的法兰螺栓预紧力设计方法，包括以下步骤：S1.分析垫片的压缩回弹性能；压缩回弹性能是垫片的基本力学性能，根据垫片的压缩回弹曲线可知在操作条件下垫片的卸载性能与螺栓预紧力的关系——施加不同的螺栓预紧力，垫片在发生回弹时，垫片的塑性变形量随螺栓预紧力的增大而增大，垫片的回弹曲线的不同造成垫片在回弹阶段的弹性系数的变化，垫片材料的非线性性能使得螺栓预紧力非线性变化，导致垫片压紧力和法兰偏转角的改变，从而影响法兰连接系统的紧密性；S2.分别计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数；螺栓的弹性系数由普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得；法兰承受弯矩和内压时，法兰的弹性系数分为法兰对弯矩的弹性系数和法兰对内压的弹性系数，法兰对弯矩的弹性系数取决于弯矩的作用、法兰对内压的弹性系数取决于内压的作用；垫片的弹性系数由Abdel-HakimBouzid在Creepanalysisofboltedflangejoints文中引用的垫片弹性系数的计算方法得到；S3.对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，列写变形协调方程，求解垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、螺栓预紧力的变化规律；S4.对法兰连接系统的紧密性进行安全评定；将在一定工况下工作的垫片压紧力与满足密封的最小压紧力进行比较并对垫片的密封性进行评价、将在一定工况下工作的法兰偏转角与限定的偏转角进行比较并对垫片的密封性进行评价，通过计算得到等垫片应力曲线和等法兰转角曲线的变化规律，给定一个公称压力，由等垫片力曲线、等法兰转角曲线和最小螺栓应力曲线得到螺栓预紧力的一个安全区域并确定法兰系统的最大工作压力；S5.综合垫片压紧力和法兰偏转角两方面，给出法兰在一定公称压力条件下的螺栓预紧力的安全区域，使得螺栓法兰系统的紧密性达到最优。进一步地，在步骤S3中，对法兰连接系统进行协调分析时，将螺栓、法兰、垫片组成的整体看作是一个静不定结构，分析最终螺栓上残余载荷与最初的螺栓预紧力之间的关系并且不考虑热膨胀和蠕变产生轴向位移的影响(为了研究变量的单一性)。本专利技术的原理是：在法兰连接系统紧密性分析中，首先垫片应力必须大于满足密封的最小垫片应力且小于垫片压溃的最大允许应力，其次垫片应力的分布特征是越均匀越好，则有效密封宽度就越大，故须通过限制法兰转角来控制垫片应力的分布均匀性，在一定公称压力下，垫片压紧力随螺栓预紧应力的增大而增大，当垫片压紧力减小至满足密封的最小垫片压紧力时，可以得到以垫片压紧力为评判准则的安全极限螺栓预紧力σ1，法兰转角随螺栓预紧力的规律与垫片压紧力变化规律相同，从初态到法兰偏转角增大到ASMEVIII-1中规定的法兰的限定角度时，可得到相应工况下以法兰偏转角为评判标准的安全极限螺栓预紧力σ2，垫片压紧力是否大于满足密封的最小垫片力，法兰偏转角是否在ASMEVIII-1中规定的限定角度内，是对法兰连接系统紧密性的安全评定。垫片压紧力确定最小安全极限螺栓预紧应力σ1，法兰偏转角用来确定最大安全极限螺栓预紧应力σ2，且螺栓预紧力必须大于最小螺栓预紧力yb，由此可以直接得到螺栓法兰连接系统的螺栓预紧应力的安全区域。本专利技术的有益效果为：分析垫片的压缩回弹性能，讨论了垫片的卸载性能与螺栓预紧力的关系；对法兰连接系统进行弹性分析，分别计算法兰、螺栓、垫片的弹性系数，可知垫片材料的非线性性能会使得螺栓预紧力非线性变化；对法兰连接进行轴向位移的协调分析，求解垫片压紧力随工作压力、螺栓预紧力的变化规律；求解法兰偏转角随工作压力、螺栓预紧力的变化规律；对螺栓法兰连接系统紧密性进行安全评定；综合垫片压紧力和法兰偏转角两方面给出法兰在一定公称压力条件下的非线性螺栓预紧力的安全区域，使得螺栓法兰系统的紧密性达到最优。本专利技术对常温法兰连接系统的紧密性给出简单有效的定量评价方法，为螺栓法兰连接系统的设计和紧密性的评定提供依据，提高了安全性。附图说明图1是本专利技术实施例中法兰连接系统的示意图。图2是本专利技术实施例中垫片压缩回弹曲线图。图3是本专利技术实施例中法兰连接系统的协调分析图。图4是本专利技术实施例中法兰连接分析模型图。图5是本专利技术实施例中公称直径DN＝200mm时螺栓预紧力变化规律图。图6是本专利技术实施例中公称直径DN＝300mm时螺栓预紧力变化规律图。图7是本专利技术实施例中公称直径DN＝400mm时螺栓预紧力变化规律图。图8是本专利技术实施例中公称直径DN＝500mm时螺栓预紧力变化规律图。具体实施方法下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。一种基于非线性垫片的法兰螺栓预紧力设计方法，包括以下步骤：S1.分析垫片的压缩回弹性能。压缩回弹性能是垫片的基本力学性能。在螺栓法兰连接的预紧阶段，垫片良好的压缩性能是保证其表面与法兰面形成初始密封的基本条件，而操作时则要求垫片具有较好的回弹性能，以便有效补偿操作工况下由介质压力、温度和法兰附加载荷引起的密封面的分离。柔性石墨复合垫片在应力等级70Mpa、温度20℃下的压缩回弹曲线，如图2所示，由垫片的压缩回弹曲线便可大致了解，在操作条件下连接系统在加载不同螺栓预紧力时发生回弹其卸载性能的影响，进而得到非线性螺栓预紧力引起连接密封性能发生变化的规律。将垫片的试验数据分别作拟合，并考虑温度的影响，得到如下压缩回弹曲线公式。压缩曲线：其中，SG为垫片预紧应力，AC、BC、NC为回归系数，T为试验温度，DG为变形量。回弹曲线：其中，SK为垫片预紧应力，AS、BS、AT、BT为回归系数，DK为不考虑蠕变时的最大变形量。并且有，其中，σg为垫片预紧应力，σb为螺栓预紧应力，FTb为螺栓总拉伸载荷，Ag为垫片全接触面积(Ag＝πDGNb)，Ab为螺栓根径截面积，Nb螺栓个数。由式(1)(2)(3)可得到，垫片的卸载性能与螺栓预紧力的关系，施加不同的螺栓预紧力，垫片在发生回弹时，垫片的塑性变形量随压紧应力的增大而增大，其回弹曲线会不同，则垫片在回弹阶段的弹性系数将变化，垫片材料的非线性性能会使得螺栓预紧力非线性变化，导致垫片压紧力和法兰偏转角改变，影响法兰连接系统的紧密性。S2.计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数。1)螺栓的弹性系数。螺栓的弹性系数由普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得：其中，Kb为螺栓的弹性系数，Eb为螺栓弹性模量，Ab为螺栓根径截面积，lb为螺栓长度，并且lb＝2tf+tg+0.5d，其中，tf为法兰的厚度，tg为垫片厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非线性垫片的法兰螺栓预紧力设计方法，其特征在于：包括以下步骤，S1.分析垫片的压缩回弹性能；压缩回弹性能是垫片的基本力学性能，根据垫片的压缩回弹曲线可知在操作条件下垫片的卸载性能与螺栓预紧力的关系——施加不同的螺栓预紧力，垫片在发生回弹时，垫片的塑性变形量随螺栓预紧力的增大而增大，垫片的回弹曲线的不同造成垫片在回弹阶段的弹性系数的变化，垫片材料的非线性性能使得螺栓预紧力非线性变化，导致垫片压紧力和法兰偏转角的改变，从而影响法兰连接系统的紧密性；S2.分别计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数；螺栓的弹性系数由普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得；法兰承受弯矩和内压时，法兰的弹性系数分为法兰对弯矩的弹性系数和法兰对内压的弹性系数，法兰对弯矩的弹性系数取决于弯矩的作用、法兰对内压的弹性系数取决于内压的作用；垫片的弹性系数由Abdel‑Hakim Bouzid在Creep analysis of bolted flange joints文中引用的垫片弹性系数的计算方法得到；S3.对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，列写变形协调方程，求解垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、螺栓预紧力的变化规律；S4.对法兰连接系统的紧密性进行安全评定；将在一定工况下工作的垫片压紧力与满足密封的最小压紧力进行比较并对垫片的密封性进行评价、将在一定工况下工作的法兰偏转角与限定的偏转角进行比较并对垫片的密封性进行评价，通过计算得到等垫片应力曲线和等法兰转角曲线的变化规律，给定一个公称压力，由等垫片力曲线、等法兰转角曲线和最小螺栓应力曲线得到螺栓预紧力的一个安全区域并确定法兰系统的最大工作压力；S5.综合垫片压紧力和法兰偏转角两方面，给出法兰在一定公称压力条件下的螺栓预紧力的安全区域，使得螺栓法兰系统的紧密性达到最优。...

【技术特征摘要】
1.一种基于非线性垫片的法兰螺栓预紧力设计方法，其特征在于：包括以下步骤，S1.分析垫片的压缩回弹性能；压缩回弹性能是垫片的基本力学性能，根据垫片的压缩回弹曲线可知在操作条件下垫片的卸载性能与螺栓预紧力的关系——施加不同的螺栓预紧力，垫片在发生回弹时，垫片的塑性变形量随螺栓预紧力的增大而增大，垫片的回弹曲线的不同造成垫片在回弹阶段的弹性系数的变化，垫片材料的非线性性能使得螺栓预紧力非线性变化，导致垫片压紧力和法兰偏转角的改变，从而影响法兰连接系统的紧密性；S2.分别计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数；螺栓的弹性系数由普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得；法兰承受弯矩和内压时，法兰的弹性系数分为法兰对弯矩的弹性系数和法兰对内压的弹性系数，法兰对弯矩的弹性系数取决于弯矩的作用、法兰对内压的弹性系数取决于内压的作用；垫片的弹性系数由Abdel-HakimBouzid在Creepanalysisofboltedflangejoints文中引用的垫片弹性系数的计算方法得到；S3....

【专利技术属性】
技术研发人员：郑小涛，潘佳琳子，喻九阳，徐建民，王成刚，林纬，汪威，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42