 无缝碳钢法兰对其密封性能进行评估及应力分析
无缝碳钢法兰密封的研究是容器、管道连接的关键内容，工作在高温高压下的法兰连接系统，垫片处于高应力状态，长期服役会使得法兰连接件材质劣化，力学性能下降，在连接接头处易发生泄漏，导致密封失效。因此，高温高压下法兰连接的紧密性分析的研究是当前的热点之一。本文通过数值模拟方法对高温稳态温度场及内压联合作用下国标法兰连接结构应力场、温度场、藕合场及系统刚度等问题进行了分析，探讨了不同温度及压力波动工况下密封性能的变化，并对其密封性能进行评估。主要包括：
(1)在法兰结构简化及变形假设基础上，将法兰系统作为一个整体，对其进行详细的载荷一变形分析，得出力矩平衡方程和系统变形协调方程。
(2)考虑八角垫片非线性接触问题，利用有限元ANSYS软件建立了碳钢无缝法兰连接系统的三维力学模型，并进行预紧工况和承压工况的有限元分析计算，得到其应力场分布和变形规律，承压下垫片上的应力减小，周向应力分布较均匀，径向应力分布不均。
(3)根据传热学理论建立法兰三维传热学模型，并进行其稳态温度场及热一结构祸合场的有限元计算，得到高温下温度场分布及稳态热应力分布，分析了国标船用法兰、垫片及螺栓在高温下的行为，祸合场中法兰各连接件应力普遍增大。
(4)对法兰连接系统进行刚度分析，得出不同温度下法兰位移及转角的变化规律，并对高温高压下稳态温度场中法兰接头进行紧密性评估，得出在稳态温度场中法兰接头密封性可靠，八角垫片处于高屈服状态，长时间工作会使得垫片材质发生劣化，从而导致密封失效，为长期工作在高温高压下的法兰连接系统失效原因提供可靠依据。
法兰研究内容及方法
(1)密封系统变形协调性分析
船用法兰连接密封系统主要由一对法兰、一个垫片、数个螺栓螺母组成。其密封过程也是预紧、升压、升温、正常运行、停工和重新开工等工况下各个元件间发生变形协调的过程。本文研究将法兰连接系统作为一个整体，考虑到高温高压下法兰上的应力、垫片应力、螺栓应力以及法兰变形、垫片变形、螺栓变形情况，并对其进行详细的载荷一变形分析，建立法兰力矩平衡方程和变形协调方程，并建立高温蠕变法兰变形协调方程。
(2)垫片表面残余应力分析
在研究国标法兰时一般强度时足够的，但法兰的刚度并非无限大，在螺栓预紧力和介质压力的作用下法兰产生一定的翘曲变形，使得法兰盘有所偏转，偏转角达到某一值时密封就会失效，而发生泄漏。本文研究的是环连接面的法兰，垫片采用的是八角垫片，由于法兰接头存在结构和接触、材料等多种非线性，考虑接头各元件间的相互作用，可把国标船用法兰连接接头当作一个系统来分析。采用有限元ANSYS软件分别对预紧和操作工况下法兰的应力应变，垫片表面残余应力分布进行研究，对法兰刚度和密封的关系进行定性分析。
(3)法兰刚度计算
设备碳钢法兰的高温高压给密封带来了很多的技术难题。随着设备温度和介质压力的增加，垫片上的压紧力就会减小，那么所需螺栓力就会增大，则螺栓力对中心的弯矩增大，从而使得法兰的刚性降低。螺栓弯矩的增大及法兰刚度的降低都会导致法兰发生翘曲变形和偏转，作用在垫片表面的残余应力在径向会出现严重分布不均匀。通过对国标法兰的结构简化和变形分析，得出设备法兰的刚度计算方法，总结法兰刚度的分布规律，从理论上揭示高温下法兰密封失效的机理。
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