一种高温法兰连接系统紧密性评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高温法兰连接安全领域，具体涉及一种高温法兰连接系统紧密性评价 方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，作为一个发展中国家，经济、环保、高效、安全的工业增长成为国家发展的 重要主题。日益增长的需求给了中国炼油、石化行业带来了发展的机遇，但中国石化行业面 临着油品数量和油品质量双重增长、选择环保和经济最佳平衡点的几大难题，这对高温炼 化设备、高温管道及其法兰连接系统的设计制造提出了更高的要求。十年来，高温管道及法 兰泄漏失效的事故屡见报道，不仅造成经济损失、环境污染，甚至造成重大的人员伤亡，故 高温法兰连接系统的紧密性和安全评价方法，将是未来石化行业发展的重点。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是：提供一种高温法兰连接系统紧密性评价方法，简单 有效的对高温法兰连接系统进行紧密性评价，提高安全性。
[0004]本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种高温法兰连接系统紧密性 评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：
[0005]Sl、分析产生法兰偏转角的位置：
[0006]法兰整体由圆筒段、锥颈段和法兰盘依次连接而成，通过实验分析和有限元模拟 计算得到高温法兰连接系统在工作中变形最大的位置是锥颈段与圆筒段连接处、锥颈段与 法兰盘连接处；
[0007] S2、计算法兰总偏转角：
[0008] 以圆筒段与锥颈段的连接处为分界线，利用变形协调理论分析计算圆筒段与锥颈 段连接处的法兰偏转角，并探讨其随时间的变化规律；
[0009] 以锥颈段与法兰盘的连接处为分界线，利用力学分析及微积分方法来计算锥颈段 与法兰盘连接处的法兰蠕变偏转角，并探讨其随时间的变化规律；
[0010] 利用外力矩作用下圆盘转角公式来计算法兰盘在弯矩作用下的转角；
[0011] 计算上述三个偏转角的总和，作为法兰总偏转角；
[0012] 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，求解垫片应力 随时间的变化规律；
[0013] S4、对法兰紧密性进行评价：
[0014] 将工况下工作一定时间后的垫片应力与满足密封的最小垫片压紧应力进行比较， 据此来对垫片的密封性进行评价；
[0015]将工况下工作一定时间后的法兰总偏转角与ASME (ASME锅炉及压力容器规范）中 所要求的转角极限进行比较，并据此来对法兰连接系统的紧密性进行评价；
[0016] S5、综合垫片应力和法兰总偏转角两方面给出法兰在工况下的安全运行时间。
[0017] 按上述方法，计算圆筒段与锥颈段连接处的法兰偏转角时，做以下假设：
[0018] (1)、法兰盘受均匀力矩的作用，法兰盘在受载过程中只绕其矩形截面形心转动而 不发生局部弯曲，截面形状依然保持矩形；
[0019](2)、法兰盘上的螺栓孔忽略不计；
[0020](3)、法兰盘端部的偏转角和径向位移即为法兰整体的偏转角和径向位移。
[0021] 按上述方法，计算锥颈段与法兰盘连接处的法兰偏转角时，将法兰盘看作仅受环 向应力的圆环来处理，忽略径向应力，法兰盘上的应力、应变由法兰盘内部的压力和作用在 法兰盘上的弯矩造成，并考虑法兰盘的高温蠕变效应。
[0022] 本发明的原理为：高温法兰连接系统紧密性分析中，首先操作工况下垫片应力必 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；其次法兰盘偏转角应 被限制在相应标准的允许范围内，确保法兰具有一定的刚度，使垫片应力分布均匀，有效密 封宽度足够大，从而保证密封。垫片应力在高温操作工况下会出现应力松弛，当垫片应力从 初态减小至满足密封的最小垫片应力的这段时间可作为高温法兰连接系统紧密性良好的 安全时间ti，而法兰盘偏转角工况下随着蠕变的发生，偏转角会增大，从初态到偏转角增大 到ASME标准所允许角度的这段时间为高温法兰连接系统紧密性良好的另一个安全时间t 2， 垫片应力是否大于满足密封的最小垫片应力，偏转角是否在相应标准的限制范围内，是对 高温法兰紧密性的评价，而安全时间h、t 2中较小的时间值即为高温法兰连接系统的安全 运行时间，此时间可作为高温法兰连接大修的重要参考。
[0023] 本发明的有益效果为：通过对产生法兰偏转角的位置进行分析，分段对不同位置 进行偏转角计算，再将各部分的偏转角进行叠加，最终得到法兰总偏转角，通过从法兰总偏 转角和垫片应力两个方面对法兰连接系统的紧密性进行评价，并且综合垫片应力和法兰总 偏转角两方面给出法兰在工况下的安全运行时间，从而对高温法兰连接系统的紧密性给出 简单有效的定量评价方法，为衡量高温法兰连接系统的安全性提供了参考依据。
【附图说明】
[0024] 图1为法兰连接系统的实施例示意图。
[0025] 图2为实施例中法兰的零件剖视图。
[0026] 图3为法兰变形对比图。
[0027]图4为圆筒段与锥颈段连接处的法兰偏转角计算分割图。
[0028] 图5为图4的协调分析图。
[0029] 图6为法兰盘的偏转示意图。
[0030] 图7为法兰盘的偏转角计算图。
[0031] 图8为法兰在弯矩作用下的受力简图。
[0032] 图9为法兰连接分析模型图。
[0033] 图10为法兰工况下的总偏转角变化规律图。
[0034] 图中：1、上法兰圆筒段；2、上法兰锥颈段；3、螺母；4、双头螺柱；5、垫片；6、下法 兰锥颈段；7、下法兰圆筒段，8、上法兰盘，9、下法兰盘。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
[0036] 本发明提供一种高温法兰连接系统紧密性评价方法，包括以下步骤：
[0037] Sl、分析产生法兰偏转角的位置：
[0038] 如图1和图2所示，法兰整体由圆筒段（本实施例中包括上法兰圆筒段1和下法 兰圆筒段7)、锥颈段（本实施例中包括上法兰锥颈段2和下法兰锥颈段6)和法兰盘（本实 施例中包括上法兰盘8和下法兰盘9)依次连接而成，上法兰和下法兰之间设有垫片5,上下 法兰盘之间通过双头螺柱4连接，双头螺柱的两端通过螺母3固定，通过实验分析和有限元 模拟计算得到高温法兰连接系统在工作中变形最大的位置是锥颈段与圆筒段连接处、锥颈 段与法兰盘连接处。
[0039] D.H.Dash,M. Abid等通过实验分析和有限元模拟计算得到高温法兰连接系统在工 作中变形最大的位置是锥颈与圆筒连接处（如图3右的圆圈内）和锥颈与法兰盘连接处 (如图3右的矩形框内）。现对图3中两处变形最大的的两处位置进行分析、计算其偏转角。
[0040] S2、计算法兰总偏转角：
[0041] 以圆筒段与锥颈段的连接处为分界线，利用变形协调理论分析计算圆筒段与锥颈 段连接处的法兰偏转角，并探讨其随时间的变化规律；
[0042] 以锥颈段与法兰盘的连接处为分界线，利用力学分析及微积分方法来计算锥颈段 与法兰盘连接处的法兰偏转角，并探讨其随时间的变化规律；
[0043] 利用外力矩作用下圆盘转角公式来计算法兰盘在弯矩作用下的转角；
[0044] 计算上述三个偏转角的总和，作为法兰总偏转角。
[0045] 锥颈与圆筒连接处偏转角
[0046] 现做如下假设：（1)、法兰盘受均匀力矩的作用，法兰盘在受载过程中只绕其矩形 截面形心转动而不发生局部弯曲，截面形状依然保持矩形。（2)、法兰盘上的螺栓孔忽略不 计。（3)、由于圆筒段、锥颈段和法兰盘在连接处均连续，因此法兰盘端部的偏转角和径向位 移即为法兰整体的偏转角和径向位移。为方便计算将法兰整体分割成两部分：圆筒段作为 一部分，称其为圆筒段；锥颈和法兰盘作为一个整体，称其为法兰体，如图4所示。
[0047] 依据变形协调原理，作为一个整体结构，圆筒段和法兰体在连接处的径向位移和 转角应该相等，如图5所示。圆筒段可视为薄壁圆筒，法兰体则利用圆环理论处理。圆筒段 和法兰体在内压P、力矩、螺栓力等载荷作用下（忽略温度影响），对上下两部分偏转角和径 向位移进行分析计算。
[0048] a、圆筒段
[0049] 圆筒段偏转角0 s及径向位移w 3可表述为：
[0052] b、法兰体
[0053] 法兰体部分的径向位移wf和偏转角0 f如下：
[0055] 式中：A为法兰盘外径，mm;B为法兰盘内径，mm;t-法兰盘厚度，mm;h-锥颈高 度，mm ;Af-法兰盘上锥颈覆盖区域，-法兰盘形心距离法兰端部的距离，mm ;Ef-法 兰盘弹性模量，MPa ;1为转动惯量。
[0056] 以上两组公式为螺栓法兰连接做如图分割时的圆筒段和法兰体的径向位移方程 和偏转角方程。此方程组同时考虑了外力和内压的影响。现依据变形协调原理，令圆筒段 的径向位移等于法兰体的径向位移，令圆筒段的偏转角等于法兰体的偏转角，列写如下变 形协调方程：
[0058] 为方便进行计算，现将以上方程组中的系数进行简化，对系数&1(1 < i < 6)和 j<3)作如下设定：
[0068] 巧即为圆筒段与锥颈段连接处的法兰偏转角。
[0069] 法兰盘的偏转角
[0070] 将法兰盘分离下来作为研究对象对其进行分析计算，并将法兰盘看作仅受环向应 力的圆环来处理。法兰盘上的应力以及相应的应变都由法兰盘内部的压力和作用在法兰盘 上的弯矩造成的。虽然存在径向应力，但由于法兰盘很厚而且内压较小，相比于周向应力而 言径向应力小很多，此处将其忽略。由于本研究中法兰的工况温度为500°C，而且承受一定 内压、垫片反作用力和螺栓压紧力的综合作用，必须考虑法兰盘的蠕变效应。
[0071] 如图6所示矩形为法兰盘截面，图中A为变形前法兰盘内侧上的一点，A'为水平 矩形截面绕中心C偏转0角以后，法兰盘内侧上对应A的点。现为了方便计算，假设A点 为矩形截面左上角的顶点，如图7所示。
[0087] 对上式进行化简
[0097] 法兰弯矩作用下受力如图8所示，在环向应力的基础上得知矩形截面微元面积上 的受力