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高温大口径法兰瞬态密封设计方法研究

周先军  
【摘要】: 法兰密封研究是法兰、管道连接的关键内容,大口径法兰密封由于法兰口径的增加,温度、压力波动等因素影响更易产生泄漏,因此高温大口径法兰瞬态密封研究是当前国际上密封技术的研究热点,而国内研究尚属空白。为此,本文系统开展高温大口径法兰瞬态密封设计方法研究,建立起非金属多孔介质垫片渗流模型,采用三维有限元方法对大口径法兰进行了多种工况下的数值模拟,以控制泄漏率为主,深入探讨影响法兰泄漏的主要原因,基于正交试验采用有限元法研究法兰参数对密封性能的影响,提出了高温大口径法兰基于紧密度的瞬态密封设计方法。本文的主要研究进展如下: 1.考虑垫片尺寸以及压紧应力与材料孔隙度之间的关系等因素,推导建立了非金属均质多孔介质垫片渗流模型及其泄漏率表达式。以缠绕垫片泄漏率试验为基础,回归得到金属石墨缠绕垫片的泄漏率公式,可较为准确地预估垫片泄漏率并作为评判标准。 2.考虑螺母与法兰、垫片与法兰的非线性接触以及垫片性能的非线性,建立常温大口径法兰力学模型并进行预紧工况的有限元分析计算。研究建立高温大口径法兰三维传热模型,并进行法兰稳态和瞬态温度场及其热-结构耦合场的有限元计算,分析得到垫片应力与螺栓载荷、法兰温度之间的相对关系,螺栓载荷与温度和预紧载荷变化之间的规律,以及瞬态工况下的温度场和热-结构耦合场中应力与温度、时间的关系等,这些规律对于法兰的设计和螺栓应力在线检测都具有一定的指导意义。 3.采用正交试验设计法,构建L27(313)和L18(37)正交表对高温大口径法兰进行参数化有限元分析,考察法兰压力、温度、垫片回弹模量和螺栓预紧应力等因素对缠绕垫片工作应力的影响,回归得到缠绕垫片工作应力与法兰工作温度、法兰压力、缠绕垫片回弹模量和螺栓预紧载荷之间的关系式。同时利用缠绕垫片分级制造实验数据回归得到常温下垫片回弹模量与分级制造参数之间的关系式,从而可利用缠绕垫片分级制造技术调节生产参数满足实际工况对缠绕垫片的性能需求。 4.提出基于紧密度的法兰瞬态密封设计方法并编程实现。该设计方法不改变法兰结构,在法兰设计阶段预估设备温度和压力波动工况下的垫片应力变化,利用泄漏率公式判断是否满足选定的紧密度,如果不满足则改变螺栓预紧载荷或利用缠绕垫片分级制造技术调节垫片回弹模量,在一定范围内调节泄漏率满足紧密度要求,实现瞬态工况下的法兰密封设计。


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