CN103016866A - 一种非匀质垫片的螺栓法兰连接结构设计方法 - Google Patents

Abstract

一种非匀质垫片的螺栓法兰连接结构设计方法属于密封技术领域。垫片作为螺栓法兰连接中重要的密封元件，其按照结构形式可以分为匀质垫片和非匀质垫片。针对现有设计方法中未考虑非匀质垫片发生压溃失效等因素，在连接结构使用非匀质垫片作为密封元件时，同时考虑所设计的连接结构的紧密性、附加弯矩及垫片压溃极限等因素，提出一种使用非匀质垫片作为密封元件的螺栓法兰连接结构设计方法，并给出计算实例并进行实验验证。其特点是计算方法简便，准确度高，不但能够减小设计工作量、提高设计效率，而且可以有效降低螺栓法兰连接在使用过程中资源浪费和避免恶性事故发生，避免人员伤亡和物力财力损失，具有重要的现实意义。

Description

一种非匀质垫片的螺栓法兰连接结构设计方法

所属技术领域

本发明涉及一种使用非匀质垫片作为密封元件的螺栓法兰连接结构设计方法。属于密封技术领域。 

背景技术

螺栓法兰连接广泛应用于工业、农业、国防和日常生活，是过程工业装备中最主要的连接形式，其失效形式表现为泄漏和强度失效，其中泄漏是其主要的失效形式。 

垫片作为螺栓法兰连接结构起到密封作用的关键元件，其对于螺栓法兰连接结构的紧密性起到至关重要的作用。按照垫片材质和结构形式，可将垫片分为匀质垫片和非匀质垫片：匀质垫片是指垫片整体结构的材质由内径到外径都是由均一材质构成，比如非石棉橡胶板垫片、聚四氟乙烯垫片等；非匀质垫片是指垫片整体结构材质组成由两种或两种以上材料构成，比如不锈钢柔性石墨缠绕垫、波齿复合垫等。 

各种非匀质垫片因其材质、结构和尺寸的不同，均有一定的抗压极限，超过其自身的极限压力之后，垫片将发生压溃。非均质垫片一旦发生压溃失效，由于其自身的结构和力学性能将发生重大改变，如加强环脱落、金属和非金属带分离，整体压缩回弹性能丧失，则垫片无法起到密封作用，此时，认为非匀质垫片发生失效。 

螺栓法兰连接结构在使用非匀质垫片的过程中，因螺栓载荷过大或工作条件苛刻等因素的作用，有可能使垫片应力超过自身的抗压极限而发生压溃，非匀质垫片有可能发生冲出等现象，此时螺栓法兰连接结构的紧密性将无法等到保证。 

现行的螺栓法兰连接结构设计方法大多以垫片系数m和预紧密封比压y为依据，以螺栓和法兰的强度为设计准则对螺栓法兰连接进行设计。所有这些设计方法并未充分考虑连接结构元件尤其是垫片的力学和结构特性，进而忽略非匀质垫片自身特性对连接结构整体密封性态的影响。 

发明内容

本发明所解决的技术问题为在螺栓法兰连接结构设计过程中，使用非匀质垫片作为密封元件时，同时考虑所设计的连接结构的紧密性、附加弯矩及垫片压溃极限等因素，提出一种使用非匀质垫片作为密封元件的螺栓法兰连接结构设计方法，给出计算实例并进行实验验证。 

本发明是采取以下技术方法来实现的。 

(1)均质垫片的强度失效判据 

非均质垫片在使用过程中，由于螺栓载荷过大或工况条件出现大点的波动时，垫片承受的应力有可能超过垫片自己所能承受的极限压力，非匀质垫片一旦发生压溃，其自身的结构 和力学性能将发生重大改变，整体回弹性能丧失，垫片无法起到继续的密封作用。若非匀质垫片在工作条件下不发生压溃时所允许的最大应力为

依据螺栓法兰连接变形协调条件计算得到的垫片最大应力为S_Gmax，则其失效判据为： 

$S_{G\max }>{\left[S_G\right]}_g^t---\left(1\right)$

对于采用非均质垫片的螺栓法兰连接结构的设计，垫片在工作条件下不发生压溃时所允许的最大应力为

若计算得到的垫片外缘最大应力大于压溃应力，即

则垫片发生压溃，此时认为垫片将发生失效，无法满足连接结构紧密性的要求。 

(2)螺栓法兰连接结构的紧密性失效判据 

螺栓法兰连接结构的紧密性可以通过泄漏率的大小来评定，其定义为：在一定的操作条件下，连接的泄漏率低于某一规定的指标泄漏率；或者在某一规定的泄漏率指标下，密封连接能够承受的最高操作条件如温度、压力等满足实际工况要求。满足上述条件的连接是紧密的，反之则认为是不紧密的。 

在进行螺栓法兰连接结构设计时，选定法兰、螺栓、垫片的种类、尺寸、材料后，已知垫片预紧应力S_K、介质压力p、温度T、外弯矩M等，可以求出连接结构的泄漏率L_R。连接结构紧密性的失效判据可表示为： 

L_R＞L_max                            (2) 

式中，L_max为连接结构的最大允许泄漏率。 

本发明专利的有益效果是： 

本发明所设计的使用非均质垫片的螺栓法兰连接结构设计原理和方法清晰简单，设计结构准确，可较为广泛的应用于包括承受外弯矩、高温高压且温度压力均有较大波动场合下使用均质垫片的螺栓法兰连接结构设计。螺栓法兰连接是过程工业中最主要的密封连接形式，本发明可以中简单、便捷且准确的对使用匀质垫片的螺栓法兰连接结构进行设计，不但能够减小设计工作量、提高设计效率，而且可以有效降低螺栓法兰连接在使用过程中资源浪费和避免恶性事故发生，避免人员伤亡和物力财力损失，具有重要的现实意义。 

附图说明

图1是螺栓法兰连接结构示意图 

图2是使用非均匀材质垫片的螺栓法兰连接结构设计流程图 

具体的实施方式 

使用非匀质垫片的螺栓法兰连接结构设计方法具体方法如下： 

已知垫片预紧应力S_K和螺栓的预紧载荷W₁、温度T、操作压力P等参数，可通过变形协调方程计算得到垫片应力分布并求出垫片所承受的最大应力，对垫片进行强度校核，进而螺栓、法兰的强度进行校核，最后计算连接结构泄漏率是否满足要求，倘若中间某一步不合要求，则应重新调整设计参数或选择组件，直至使螺栓法兰连接结构同时满足元件强度和连接结构紧密性要求，从而最终完成使用匀质垫片的螺栓法兰连接结构的设计。 

使用匀质垫片的螺栓法兰连接结构设计方法，包括以下步骤： 

(1)依据连接结构所处位置的工作条件，选择合适的标准法兰或按照相关准则设计非标准法兰、选择螺栓和垫片的类型、材料与尺寸，计算螺栓载荷； 

(2)若连接结构在连接处承受附加弯矩，则通过螺栓法兰连接的变形协调方程分别计算垫片沿周向和径向的应力分布S_G(α)，S_G(r)；若连接结构不承受附加弯矩，则只需计算沿径向分布的垫片应力S_G(r)； 

(3)由垫片有效密封宽度计算公式(3)、(4)计算垫片有效密封宽度b； 

垫片有效密封宽度b可由垫片基本密封宽度b₀计算得到。 

当b₀≤6.35mm时： 

b＝b₀                        (3) 

当b₀＞6.35mm时： 

$b=0.5\sqrt{b_0}---\left(4\right)$

(4)由垫片沿周向和径向的应力分布S_G(α)、S_G(r)和垫片有效密封宽度b，校核垫片强度，以防垫片发生压溃现象； 

(5)校核法兰、螺栓的强度，以防因螺栓过载而引起法兰或螺栓的强度破坏； 

(6)计算连接结构的泄漏率L_R； 

(7)在进行第(4)、(5)、(6)步的校核和计算时，若不满足元件强度或者连接结构紧密性要求，则需调整螺栓预紧载荷，或重新选择法兰、螺栓和垫片，或为连接结构设置防松弛垫圈，直至连接结构能同时满足元件强度和连接结构紧密性要求。 

使用非均质垫片的螺栓法兰连接结构设计流程如图2所示。 

实施例

一内径为200mm的管道连接，其工作压力为3.88MPa，工作温度为500℃，介质为氢气、硫化氢气体和碳氢混合物，附加于管道的外弯矩为M＝5000N·m，设计一螺栓法兰连接，要求经过7200小时运行后，连接结构泄漏率小于2×10^-3cm³/(s·mm)。 

设计过程如下。 

①根据现场工作条件和管道直径，选用突面带颈对焊法兰，材料为0Cr18Ni9，初定法兰主要尺寸为：内径221.5mm，外径415mm，法兰厚度42mm。 

②选用12个M33双头螺栓，材质为25Cr2MoVA。 

选用不锈钢柔性石墨缠绕垫片，尺寸为

按标准规定计算可得每个螺栓的预紧载荷为241kN。 

③连接结构承受外弯矩作用时，由连接结构的变形协调方程求得得压缩端垫片的最大应力S_Gmax为53.92MPa。； 

④连接结构的最大泄漏率发生在拉伸端，由式(3)、(4)求得垫片有效密封宽度为15.94mm，垫片有效密封宽度上分布的垫片应力为28.71MPa。 

⑤不锈钢柔性石墨缠绕垫片压溃应力

为137MPa，垫片最大应力小于垫片压溃应力。 

⑥法兰工作条件下的许用应力

为110MPa，螺栓工作条件下的许用应力

为602MPa，强度校核表明，其满足要求。 

⑦计算得到连接结构泄漏率L_R为3.42×10^-3cm³/(s·mm)，连接结构允许的最大泄漏率L_max为2.0×10^-3cm³/(s·mm)，可见连接不满足紧密性要求。 

⑧采用防松弛垫圈，以降低连接的泄漏率。建立目标函数和约束条件，采用复合型优化方法，得到防松弛垫圈的最优结构参数为：内径D₁＝34mm，外径D₂＝74mm，厚度为S＝7.1mm，垫圈倾角α＝6.6°； 

⑨设置防松弛垫圈后，重新对连接结构进行分析计算，可得S_Gmax为62.85MPa；对法兰、螺栓进行强度校核，其满足要求； 

⑩此时，连接结构拉伸端垫片的有效密封宽度为16.51mm，有效密封宽度上分布的垫片平均应力为53.43MPa，计算得到连接结构泄漏率L_R为1.93×10^-4cm³/(s·mm)，连接结构允许的最大泄漏率L_max为2.0×10^-3cm³/(s·mm)，满足紧密性要求；将设计出的螺栓法兰连接应用于实际现场，经现场检验可得强度和泄漏率满足要求。 

因此，本专利所发明的螺栓法兰连接泄漏率预测方法是准确有效的。 

Claims (3)

1.本方法是一种新型方便、快捷和准确的使用非均质垫片的螺栓法兰连接结构设计方法。本发明在螺栓法兰连接结构使用非匀质垫片时，通过对连接结构中螺栓-法兰-垫片连接结构进行变形协调分析，求出垫片应力分布和垫片有效密封宽度，对匀质垫片、螺栓和法兰的强度进行校核，进而计算连接结构泄漏率是否满足要求，最终完成使用匀质垫片的螺栓法兰连接结构的设计。

2.根据权利1要求所述的使用非匀质垫片的螺栓法兰连接结构设计方法，其特征在于通过计算垫片有效密封宽度上的应力分布并求出垫片的最大应力，进而对非匀质垫片的强度进行计算和校核。

3.根据权利1要求所述的使用匀质垫片的螺栓法兰连接结构设计方法，其特征在于将非匀质垫片的强度校核方法引入螺栓法兰连接结构设计之中。

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