法兰螺栓连接系统的可靠性分析

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1、大连理工人学专业学位硕士学位论文引言法兰连接是石油化工设备、压力容器和管道中最常用的连接形式n1。该型式由法兰、螺栓、螺母和垫片组成，广泛应用于石油化工、电力、原子能、轻工等领域。挚片密封技术的发展是随着压力容器的发展而发展的，应用范围越来越广，法兰连接结构密封机理非常复杂，不但要求其连接具有足够的强度，还要具有可靠的密封性和暖儿引。垫片密封结构产生的泄漏是化工和动力装置中常见问题，垫片的性能是直接影响连接密封的可靠性因素之一。垫片密封在现代工业中占有很重要的地位，密封失效造成的跑、冒、滴、漏严重地影响生产的连续性和生产安全，垫片

2、密封失效不仅会造成巨大的经济损失，而且可能会污染环境，甚至酿成重大人员伤亡事故。因此挚片的发展越来越受到人们的重视H1。引起密封失效的条件有很多，如容器和管道压力，温度，介质腐蚀等条件都能导致密封失效，造成泄漏。随着工业化进程的加快，生产规模不断扩大，设备尺寸、介质压力和温度向高参数发展，代替石棉挚片新材料的出现，以及对法兰设计总体优化的迫切要求，对包括法兰在内的生产设备的安全提出了比以往更高的要求，同时能源、环境问题日益引起人们的关注，法兰接头密封问题也引起世界上主要国家、行业组织和企业的广泛重视。因此，对法兰接头的工作机理做出

3、更深入的理论研究和更深刻的理解，并据此设计出满足强度要求且密封性能良好的法兰接头是社会和生产发展的需要，同时也对垫片密封提出新的要求。有关标准和法规在密封要求方面作了相关要求Is][e]o法兰连接的可靠性分析对研究者来说也是一个很大的挑战，其研究难点在于：(1)法兰接头中存在材料和结构等多种非线性，例如，法兰接头中垫片材料的非线性和上下法兰环与垫片之间的接触非线性；(2)必须考虑接头各元件间的相互作用，把接头当成一个系统来分析，如果单个地考虑法兰连接系统中的法兰、垫片和螺栓，就不能反映法兰连接的真实行为；(3)接头的强度和紧密性也

4、不能割裂开来进行分析，如果只是在假定密封的条件下孤立地研究强度，就会有片面性。实践证明，法兰接头各元件强度足够并不一定能保证接头的紧密性；(4)由于新材料的不断出现，新的垫片系数代替ASME(m、y)尚未进入规范，给法兰连接系统的设计和安装增加了困难。传统的对法兰接头工作机理的研究有很多不够透彻的方面，这主要是由于法兰接头中材料和结构等存在多种非线性问题，使得用一般的公式和求解方法非常困难，没有形成一种非常可靠的理论设计与分析方法。如：美国机械工程师学会(ASME)锅炉及压力法兰螺栓连接系统的可靠性研究容器规范ASME-VⅢ一I。

5、¨、欧盟ENl591标准(法兰及接头一垫片圆形法兰连接设计规则阳¨们)。与传统的规范计算方法不同，ENl591在设计理念和方法上有较大的变革n们⋯1。1929年，Waters和HallTaylor一起发表了论文“管法兰的强度”，随后Waters等人又把这项研究扩大到整体法兰和活套法兰，并于1937年发表了“螺栓法兰连接中的应力公式”一文，这两篇文章形成了ASME锅炉及压力容器规范中的法兰设计规则¨刳。六十年代中期，美国压力容器研究委员会(PVRC)螺栓法兰连接分委会和ASME开孔课题小组联合制订金属和金属接触的平面法兰设计方法。两

6、法兰对相同的金属和金属接触的平面法兰设计规则首先在ASME一Ⅷ一I的1971年版附录II以B部分出现，1980年规范的冬季补遗又改为非规定性附录Y，收入了包括两法兰对相同或不相同的金属和金属接触的平面法兰设计规则¨副。至1983年，ASME一Ⅷ一1中关于法兰设计的规则包括了规定性附录II：垫片位于螺栓中心圆内法兰；非规定性附录Y：螺栓中心圆外金属和金属接触的平面法兰，非规定性附录S：规范中不包括的法兰设计要求，考虑螺栓的预紧、垫片在室温下的松弛和高温下螺栓或挚片的蠕变等特殊问题¨2。。ASME一Ⅷ一1方法的核心是预紧比压y和垫片系

7、数m。规范中的表2—5一l列出了许多垫片材料和形式的m、．Y值，这些数值自1943年D．B．Rossheim和A．R．C．Markl公布以来未作任何大的改动，虽然这些数值是经过实验和实践积累而成，但未见试验数据。所以ASME一Ⅷ一I附录II第2—5节中的附注明确指出“这些数值仅作为建议，而不作为规定"。因为按照ASME—Vl—l附录II推荐的“具有环形垫片的螺栓法兰连接计算规则”，一个紧密的螺栓法兰垫片接头必须在安装时将垫片预紧到一定的载荷，操作时，垫片上必须保持足够的最低载荷。这些操作和预紧要求的载荷都是基于规范推荐的m和y两个

8、参数。对每种类型和材料的挚片有一个或一组这样的系数，系数与密封介质性质、压力和温度无关。其中y代表最小预紧垫片应力，m代表最低操作垫片应力是介质压力的m倍，据此增加螺栓载荷，不至于出现由于流体静压在容器端部引起的载荷将密封面分离而导致泄漏。因此，按