卡子法兰快开连接结构及其受力特点

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1、万方数据密封技术石油化工设备技术，2007，28(2)·47·Petro—ChemicalEquipmentTechnology卡子法兰快开连接结构及其受力特点朱淼鑫1，段成红1，钱才富1，徐鸿1，王恩青1，刘桂娥1，雷云琴2(1．北京化工大学机电工程学院，北京100029；2．颇尔过滤器(北京)有限公司，北京100176)摘要：介绍了卡子法兰快开连接结构，此结构具有装拆方便快捷、法兰结构简单的优点；应用有限元分析卡子的受力发现，卡子护套的存在，将螺栓承受的拉力和弯矩分开，有效地提高了螺栓的承载能力，并使卡子各部分受

2、力均匀，达到了等强度设计的目的。关键词：卡子法兰连接结构；有限元；应力分析中图分类号：TE969文献标识码：B文章编号：1006—8805(2007)02一0047一03螺栓法兰连接结构是压力容器和管道上常见的可拆连接结构，被广泛应用于石油化工、电力、原子能、轻工等领域。对螺栓法兰连接结构的研究主要包含以下几个方面[1]：(1)发展检测各种垫片在各种工况下的密封性能或泄漏速率的理论与技术。文献『=2]对泄漏模型、垫片性能、密封材料等研究现状进行了介绍。(2)改善垫片结构以提高其密封性能。例如开发在高温或变载荷等条件下

3、使用的密封垫片，发展无石棉密封垫片。文献[3]对齿形组合垫片的密封性能和设计参数的计算进行了研究，并讨论了垫片覆层的种类、尺寸以及操作条件对其密封性能的影响。(3)研究传统法兰结构中螺栓、法兰、垫片与所受载荷之间的相互关系。Nash运用有限元方法[4]，通过改变法兰厚度、螺栓预紧力以及法兰锥角，得到法兰、螺栓的主应力及位移，从而对不同外形轮廓的法兰进行参数化设计。(4)研制新型螺栓法兰连接密封结构。通过运用数值分析方法和试验方法对传统的螺栓法兰垫片连接和无垫片紧凑型螺栓法兰连接的比较，表明后者比前者密封更可靠[5]。

4、例如Abid[61等提出了静载条件下无垫片法兰连接实现“零泄漏”密封的法兰最优模型。而文献[7]研究了不同材料和公称尺寸的法兰对无垫片法兰连接密封性能的影响。文献[8]提出一种双O形圈自紧式密封结构，并对其结构设计和安装调试问题进行了全面讨论。本文介绍一种快开连接结构——卡子法兰连接结构，并进行有限元分析，重点讨论卡子的承载特点。1卡子法兰快开连接结构典型的卡子法兰快开连接结构如图1所示，它主要由卡子和上下法兰组成，上下法兰分别与封头和筒体焊接，两法兰之间可以夹有管板。图1卡子法兰连接结构不意卡子结构如图2所示，由螺

5、栓、护套和螺母组成。在卡子法兰快开连接结构中，法兰上没有螺栓孑L，卡子从法兰外侧通过卡脚夹住法兰，夹紧力通过拧紧螺母提供。拆卸时，只要松开螺母，放下卡子即可。和常见的螺栓法兰连接结构相比，卡收稿日期：2006—11一01。作者简介：朱淼鑫(1982一)，女，吉林松原市人。2000年毕业于北京化工大学过程装备与控制工程专业，获学士学位。现为北京化工大学硕士研究生，研究方向：压力容器分析设计。万方数据石油化工设备技术子法兰结构具有以下优点：装拆方便快捷；由于法兰不开孔，法兰盘直径可以减小；由于法兰不开孔，所以卡子的个数不

6、受限制，适当的增加卡子个数可以使法兰受力均匀，提高承载能力。但是，和普通螺栓相比，卡子本身结构复杂，制造难度大，成本高。图2卡子的实物图片2卡子法兰快开连接结构有限元分析2．1几何模型这里以卡子法兰快开连接结构在某过滤器上的应用为例，对该结构进行有限元分析。过滤器的装配图如图1所示，筒体内径为400mm，有8个卡子，上下法兰之间夹有管板。由于整体结构具有周期对称性，因此只取其1／8结构即一个完整卡子结构进行建立有限元模型。过滤器的有限元几何模型如图3所示(在操作状态，认为护套与螺栓紧密啮合，视为一体，故模型中未模拟螺

7、母)。有限元分析采用大型通用有限元软件ANSYS，选用SOIID45实体单元，划分网格后的模型如图4所示。图3几何模型2．2载荷与边界条件依据实际操作工况，在管板上侧和封头内侧施加管程内压，在管板下侧和简体内侧施加壳程内压；在整体结构的两个对称切面上施加对称位移条件；在筒体最下端施加y方向(筒体轴向)位移约束。图4网格划分2．3有限元分析结果及卡子受力特点的讨论过滤器管程设计压力为1MPa，壳程设计压力为O．48MPa，是一台承受内压作用的压力容器。但由于卡子、法兰及管板结构特殊，无法采用GB150一1998《钢制压

8、力容器》进行设计，但可以应用JB4732—1995《钢制压力容器一分析设计标准》进行设计。在JB4732—1995中，采用应力强度进行强度校核，为此，根据有限元计算结果，通过可能的危险应力点作沿厚度方向的应力校核线，对应力进行线性化处理，并求取各类应力强度，最后进行强度校核。对于本文所考察的过滤器，通过选取适当的构件强度尺寸，最终通过了强度校核