壓力容器法蘭應力分析方法對比

2016-12-21  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

壓力容器法蘭應力分析方法對比
楊茜
 


引言
法蘭、墊片、螺栓連接系統(tǒng)作為一種方便的可拆卸連接結構,是壓力容器及管道上必不可少的重要部件,被廣泛應用于石油化工、電力、能源等領域[1]。它的作用原理是通過螺栓和墊片的連接與密封,保持系統(tǒng)不致發(fā)生泄漏。我國的法蘭設計采用的是以彈性分析為基礎的Waters[2]方法,在聯(lián)接螺栓的強度設計與校核中,根據(jù)螺栓受到的外載,計算螺栓預緊力,再根據(jù)不同的工況下的計算公式進行強度計算,如靜載荷與動載荷的分析計算。然而法蘭中螺栓聯(lián)接的行為是相當復雜的,受到多種因素影響,工況從初始預緊到操作工況,必須考慮的參數(shù)組合復雜,因此準確的計算其各零件的應力,對法蘭設計至關重要[3]。
本文研究的原因在于目前應用的Waters法計算所得的螺栓預緊力往往達不到控制法蘭接頭泄漏的要求,尤其是氣體介質(zhì)的密封要求。其實,ASME鍋爐壓力容器規(guī)范中早就指出:根據(jù)Waters法求得的“設計螺栓力”僅僅是用來確定需要的最小螺栓截面積之用,而實際螺栓預緊力基于下列幾方面考慮,必須要大于“設計螺栓力”[2]。
(1)水壓試驗壓力大于設計壓力。
(2)考慮到法蘭轉角、墊片松弛、螺栓伸長等因素,實際螺栓預緊力應該提高至設計值的1.5倍以上。
(3)規(guī)范中規(guī)定的螺栓許用應力僅用于承受設計壓力的計算需要,而實際螺栓安裝應力包括預緊、壓力、溫差、外載荷組合產(chǎn)生的應力可達到許用應力的二倍。
值得注意的是,Waters法中所列出的墊片參數(shù)m、yb源自70多年前,一無實驗基礎,二無泄漏率概念,因此利用該方法進行非標法蘭的設計時存在泄漏的風險。
基于目前法蘭設計中存在的問題,本文利用ANSYS Workbench對法蘭進行應力分析,為非標法蘭設計提供另一條途徑,提出三種法蘭的分析方法,并加以討論。
(1)螺栓不建模,零件間的連接使用綁定接觸,無螺栓預緊力。
(2)螺栓聯(lián)接使用實體單元,但不建模螺紋,包含螺栓預緊力及摩擦接觸。
(3)螺栓聯(lián)接使用實體單元,包含螺紋接觸,包含螺栓預緊力及摩擦接觸。
本文以立式蓄能器的轉接凸緣為例,采用上述三種分析方法分別進行分析,并對分析結果進行對比討論。
1 設計參數(shù)及載荷分析
1.1
設計條件
本臺立式蓄能器的主要參數(shù)如表1所示。
1 立式蓄能器設計參數(shù)與條件表
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx分析案例圖片2
1.2
幾何模型
立式蓄能器主要由上法蘭、轉接凸緣與封頭法蘭組成,本文主要針對主要針對立式蓄能器的凸緣進行局部應力分析,由于模型及載荷的對稱性,取1/4模型進行分析,簡化后的模型如圖1所示。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx分析案例圖片3
1立式蓄能器的幾何模型
1.3
邊界條件
在模型兩側面施加對稱約束,底面施加位移約束,以限制剛性位移,邊界條件施加情況如圖2所示。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx分析案例圖片4
2 邊界條件施加圖
2 無螺栓、綁定接觸分析
無螺栓、綁定接觸對于法蘭的分析是最簡單的一種方法。該方式是在所有連接組件的接觸面定義為綁定接觸,由于綁定整個組件接觸面會導致結構過于剛性,且無法得到每個螺栓載荷。將幾何模型中的螺栓、螺母去掉,改變后的幾何模型如圖3所示。容器內(nèi)部承受1000PSI的內(nèi)壓,接管法蘭端部承受由內(nèi)壓引起的接管載荷3727N,載荷的施加方式如圖4所示。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx圖片5
3 無螺栓、綁定接觸幾何模型圖
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx圖片6
4 無螺栓、綁定接觸載荷示意圖
對模型的靜力學分析結果如圖5所示,最大等效應力強度為325.8MPa,出現(xiàn)在轉接凸緣的螺栓孔附近。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx圖片7
5 無螺栓、綁定接觸應力云圖
提取轉接凸緣與接管法蘭接觸面的接觸壓力,如圖6所示。接觸面內(nèi)側壓緊為正應力8.43MPa,另一側為負壓力-68.85MPa,表示此處接觸面存在分離的現(xiàn)象。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx培訓的效果圖片8
6 無螺栓、綁定接觸接觸壓力
3 有螺栓(無螺紋)分析
為考慮更多的螺栓連接的詳細特征,如法蘭、螺栓、墊片、螺母之間的接觸行為,各接觸面采用摩擦接觸,建模中不包含螺紋,結構如圖7所示。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx培訓的效果圖片9
7 有螺栓(無螺紋)幾何模型
對模型的靜力學分析結果如圖8所示,最大等效應力強度為258.99MPa,出現(xiàn)在封頭凸緣處。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx培訓的效果圖片10
8 有螺栓(無螺紋)應力云圖
提取轉接凸緣與接管法蘭接觸面的接觸壓力,如圖9所示。接觸面壓緊為正應力6.87MPa,接觸沒有分離。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx培訓課程圖片11
9 有螺栓(無螺紋)接觸壓力
4 有螺栓(有螺紋)分析
將螺柱與凸緣的接觸,修正為螺紋接觸,將螺栓集中力處理為通過螺紋連接面的分布力,更接近螺栓應力分布的真實狀態(tài)。
對模型的靜力學分析結果如圖10所示,最大等效應力強度為328.62MPa,出現(xiàn)在螺紋連接面上。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx培訓課程圖片12
10有螺栓(有螺紋)應力云圖
提取轉接凸緣與接管法蘭接觸面的接觸壓力,如圖11所示。接觸面壓緊為正應力7.18MPa,接觸面沒有分離。
壓力容器法蘭應力分析方法對比cfx結果圖片13
11有螺栓(無螺紋)接觸壓力
5 結論
(1)在利用第一種方法進行分析時,得到的法蘭密封面的接觸壓力為負值,與實際情況存在巨大差異;計算的法蘭整體部位的最大應力小于其他兩種方法,這是由于綁定整個密封面產(chǎn)生不真實的剛度行為,計算結果不保守,所以在校核法蘭密封性能和強度時,不推薦使用這種方法。
(2)利用第二種和第三種方法對法蘭進行分析時法蘭整體部位的應力相差不大,應力的差異出現(xiàn)在螺栓上,密封接觸面上的壓力分布情況一致,在不需要對螺栓進行精確的應力分析的時候,可以使用第二種分析方法進行分析,誤差不大。
參考文獻
[1]王定標,楊國新,尹華杰.非標法蘭連接系統(tǒng)結構設計及應力分析[J].鄭州大學學報,2007.2(28):60-63.
[2] 應道宴,蔡暖姝,蔡仁良. 螺栓法蘭結構安全密封技術()—法蘭的設計選用及其承載能力評估[J].化工設備與管道,2012.6(49):60-63.
[3]王慶.非均勻溫度場作用下法蘭螺栓聯(lián)接性能分析與優(yōu)化[D].北京:中國石油大學,2011:1-3.

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