活套法兰密封性影响因素分析.pdf

第43卷第5期
石油化工设备
2014年9月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
pt.2014
文章编号:1000-7466(2014)05-0097-04
活套法兰密封性影响因素分析
张丽,谢禹钩
(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺13001)
摘要:分析了活套法兰连接中螺栓和垫片从预紧状态到操作状态过程中的受力与伸长量的关系
探讨了影响其预紧カ的因素并和无因次量法得出的影响因素进行了比较。结果显示,螺栓的弹性
刚度越大,螺栓載荷的增大越多,其密封比压也越大,也越有助于密封。给出了较合理的活套法兰
连接中螺栓的星型预紧顺序,其结果可为快速校核活套法兰连接系统密封性提供参考
关键词:活套法兰;密封;螺栓载荷;无因次量;影响因素
中图分类号:TQ050.2;TB42文献标志码:Bdoi:10.3969/j.issn.10007462014.05.022
Sealing Influencing Factors Analysis of Lap Joint Lange
ZHANG Li, XIE Yu-iun
(School of Mechanical Engineering, Iiaoning Shihua
University, Fushun 113001, China)
Abstract: The relationship between force and elongation of bolts and gaskets about lap joint
flange from preload state to operate state is analyzed. Influencing factors of preload are identified
by the analysis and compared with the finding influence factors of dimensionless quantity method
The following result is verified, the larger elastic stiffness of bolt is, the more bolt load increa
ses, the greater the sealing pressure ratio also, which will contribute to seal. A more reasonable
bolt pre-tightening sequence of star pattern is given. These analyses can provide a quickly refer
ence for checking the sealing of lap joint flange connection system
Key words: lap joint flange; sealing; bolt load; dimensionless quantity; influencing factor
在石油天然气、化工等行业的生产储运、管道运着至关重要的作用。因此,笔者通过分析活套法兰
输装置中,法兰是管道、阀门、仪表和设备等进行连中螺栓和垫片从预紧状态到操作状态过程中的受力
接的最重要、最常见的连接结构之一切。其中活套与伸长量的关系,探讨影响预紧力的因素,并和无因
法兰由于安装时能自由旋转,方便对中,法兰环不与次量法得出的影响因素进行对比,找出影响螺栓载
介质直接接触,可避免介质腐蚀,且法兰环与管壁是荷的参数。此外,根据螺栓预紧颀序的分析结果,给
非刚性连接,可较好地抵抗热冲击及热循环载荷,安出了较合理的螺栓星型预紧顺序。
装、检修及拆卸方便,得到了广泛的使用。
1螺栓载荷分析
活套法兰连接系统见图12],主要包括对焊环、
法兰环和环形墊片。影响活套法兰密封的因素有螺
1基于力-変形量示意图的螺栓载荷分析
栓的蠕变、墊片的松弛、螺栓载荷、不同加载顺序、热
由GB150.1~150.4-2011《压力容器》知?,
压工况的剧烈波动、管道的走向及外加弯矩等。其活套法兰在预紧状态下,所需的最小整片压紧力F
中螺栓载荷提供了密封所需要的压紧力,对密封起(N)和所需要的最小螺栓载荷Fw分别按以下公式
收稿?期2014-03-29
作者简介:张丽(1987-),男,安徽界首人,硕士研究生,从事石油化工设备密封性研究。
98
石油化工设备
2014年第43卷
环形垫片对焊环环
变形量
图2螺栓和垫片的受力与变形关系
量之间的关系,D点是由操作状态下的垫片载荷F。
所决定的,此时垫片的压缩量为CB。将斜线CD延
长与OG交于E点,则在E点螺栓与垫片所受载荷
相等为F,此时螺栓伸长量为OA,垫片压缩量为
图1PN40、DN450活套法兰连接系统
CA,E点表示的即为预紧时的状态,F即为此时活
计算
套法兰所需的螺栓预紧力。图2说明,活套法兰连接
F.=3. 14dcby
(1)系统由预紧状态变为操作状态的过程中,随着由内
Fw.=F
(2)压所引起的总的轴向力F的增加,螺栓载荷也由F
式(1)和式(2)中,D。为整片压紧力作用中心圆直径增加到Fw,而垫片载荷由F减小至
参见文献[3]图7-1),b为垫片有效密封宽度,mm;
由胡克定律可知?,图2中tana的物理意义
y为垫片比压力,由文献[3]表7-2査得。
即螺栓的弹性刚度,tanβ的物理意义即垫片的弹性
在操作状态下,活套法兰连接所需要的最小垫刚度。
令
Kh=tan a
片压紧力F。(N)和此时所需的最小螺栓载荷Fw分
别按以下公式计算:
Kg=tan B
F.=6. 28D, bm
3)则
naK。F-△FF
tan
K
△F△F
Fw,=F+Fp
(4)
其中
F=0.785D。2。
AF- F
K
式(3)~式(5)中,p为计算压力,MPa;F为内压引
起的流体静压总轴向力,N;m为垫片系数,m由文
则螺栓预紧力为:
献[3]表7-2査得。
F,=F」FK
K, +KN
(7)
由式(1)一式(5)可知,预紧状态下活套法兰连
将式(3)和式(5)代入式(7),得:
接所需要的最小螺栓载荷F。=Fw并不是我们所说
Fr-6. 28dcbmp+
的螺栓预紧力?,因为它与操作状态无关。螺栓预
0.755D。2pK
紧力要和操作条件紧密相连,要满足在操作状态下
K。+K
(8
不发生泄漏,即在操作状态下,螺栓载荷要能保持
由式(6)可以看出,若螺栓的弹性刚度过小或垫
Fwp的预紧力。
片的弹性刚度过大,在内压引起的总轴向力F一定
理想情况下活套法兰连接系统从预紧状态到操时,垫片松弛所减少的压紧力△F将增加,达不到所
作状态的变化过程示意图见图2?。
需的密封比压,增加了泄漏的可能性。
设斜线OG表示螺栓受力时其力与螺栓变形量
由式(7)可知,预紧力F既不是Fwp+F,也不
之间的关系,G点是由操作状态下的螺栓载荷Fw。是螺栓材料的许用应力或屈服极限,而是受操作状
所决定的,此时