高温法兰接头升温速度对垫片应力影响研究.pdf

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1、第53卷第4期化　工　设　备　与　管　道Vol.53No.42016年8月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGAug.2016·压力容器·高温法兰接头升温速度对垫片应力影响研究1212罗从仁，喻健良，董强，闫兴清（1.中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东青岛266071；2.大连理工大学化工机械学院，辽宁大连116024）摘要：法兰接头内壁升温速度对垫片应力的变化有重要影响。采用ANSYS有限元分析软件对采用柔性石墨垫片的高温法兰接头分别进行了瞬态和稳态的热-结构耦合分析。结果表明，基于两种

2、分析方法的升温后最终垫片应力均降低；升温速度过快会对垫片造成不可逆转的压缩性破坏；对于DN200，PN40无保温层的法兰，其升温速度低于6.8K/min时，用稳态温度场代替瞬态温度场的热-结构耦合场分析，两种方法垫片应力的最大值误差在5.0%范围内，垫片外侧（考察点处）应力误差约在10.7%以内。关键词：高温法兰接头；瞬态；稳态；热-结构耦合场；有限元中图分类号：TQ050.3；TH123文献标识码：A文章编号：1009-3281（2016）04-0001-006在高温法兰接头中，不仅温度对法兰密封性能有

3、另外，需要说明的是，本文也对高温法兰的密[1-2][3]较大影响，升温速度对其影响也较为显著。对某封性能进行了一定的实验研究，为了将有限元模拟石化厂的实际调研发现，采用柔性石墨缠绕垫片的法值与实验结果比较，故在几何模型中，选用的法兰、兰接头在高温工况下螺栓力降低，易发生泄漏。然而，螺栓材料以及垫片类型与实验装置相一致。关于升温速度对法兰接头密封性能的影响还鲜见文献。1.2温度场有限元模型对法兰密封开展高温数值模拟研究能在较大考虑法兰结构周期对称，沿圆周方向取整体结程度上反应真实情况，也能满足一定的工程精度

4、要构的1/12建立模型，如图1所示。法兰与螺栓、法[4-6]求。但目前在数值模拟中，多采用稳态温度场的热-兰盘间空气层建成实体，空气层与其他法兰组件均采[4]结构耦合分析方法，即将稳态温度场载荷施加到结用Solid70单元。螺母与法兰之间、法兰与垫片之间构分析模型中，导致无法评估升温这一动态过程对法接触对采用Targe170和Conta173单元，接触热导率2[5]兰连接系统各组件的影响，继而无法研究升温速度对为1000W/(m·K)。密封的影响。本文针对DN200，PN40法兰分别进行了稳态和瞬态温度场

5、的热-结构耦合分析，对比研究了法兰内壁不同的升温速度对垫片应力变化的影响，并确定了在一定误差范围内，采用稳态耦合分析代替瞬态耦合分析该规格法兰时的最高可用升温速度。1有限元分析模型的建立1.1几何模型图1温度场有限元计算模型选用DN200，PN40的带颈对焊钢制管法兰Fig.1Finiteelementsmodeloftheflangethermalanalysis（HG20595—2009），法兰材料为20锻钢，螺栓为12个M27×160的双头螺柱，螺柱与螺母材料均收稿日期：2015-08-31；修回日期

6、：2016-04-29基金项目：大连市科技计划项目（2012E14SF120）。为Q235A。垫片选用基本型柔性石墨金属缠绕垫片作者简介：罗从仁（1988—），男，山东诸城人，工程师，硕士。A200-400220（HG20610—2009）。主要从事压力容器设计工作。·2·化　工　设　备　与　管　道第53卷第4期在法兰内表面施加温度载荷，法兰及接管外表473K、573K时的法兰接头温度分布；瞬态温度场面不考虑保温层；考虑各处空气层导热对整体结构温分析了法兰内壁以不同升温速度升温至573K保持内度分布的影响

7、，在所有实体单元上施加导热系数或当壁温度恒定时的温度分布。视法兰接头温度分布随时量导热系数。各处空气层当量导热系数及法兰和螺栓间的变化情况，具体升温及温度径向传递的时间分配螺母外表面当量对流换热系数按照参考文献[6]计算，方案如表2所示。此外，计算表明所采用的升温及温其值如表1所示。度传递时间均能保证瞬态分析的最终温度分布与稳另外，温度场计算分别采用稳态和瞬态两种方态温度场分布相近。法。稳态温度场分析了内壁温度分别恒为373K、表1当量导热系数及当量对流换热系数Table1Equivalentheatco

8、nductivitycoefficientandEquivalentheatconvectioncoefficient位置288K373K473K573K673K773K-1-1螺栓孔空气层/(W·m·K)0.03140.04350.06070.08230.1090.142-1-1上、下法兰间空气层/(W·m·K)0.0260.3680.5730.8551.2291.707-2-1法兰以及螺栓螺母外表面/(W·m·K)25.535