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、y和b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。

表1 立式蓄能器設計參數(shù)與條件表

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。

圖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。

圖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。