压力管道与容器密封结构螺栓预紧载荷
大型法兰对接螺栓预紧力加载过程分析及处理措施
大型法兰对接螺栓预紧力加载过程分析及处理措施赵学;李欢;张文彬【摘要】Since the magnitude of preload of every bolt can not be got directly in butt joining of largecontainer flange, which leads to uneven load on the cushions, thus the uneven deformation of the cushionmay occurs,which may impact the sealing and cause leakage.Technically the general requirement for pre-tightening bolts is to load gradually around and embed the cushion evenly into the sealing groove withoutany partial deformation occurring.Thal is to say the loading process of bolts around the flange evenly mayrequire little change gradient and gradual,even loading until the pre-loading of the bolts achieves the setvalue. Meanwhile an on-line monitoring instrument is designed to display the accurate magnitude of force ofevery bolt instantly,which data outputted by the instrument can help to determine the sequence of thebolls's preload as well as the magnitude of preload,so that the preload could be achieved gradually andevenly to obtain better sealing effect.%针对目前大型容器法兰接管对接时,螺栓预紧中,无法直接知道每个螺栓预紧力的大小,从而导致预紧力不能均匀的作用于密封垫,使密封垫产生不均匀变形,影响密封效果及产生泄漏.在工艺上,对法兰预紧螺栓的普遍要求是圆周逐步加载,使密封垫逐步均匀嵌入法兰密封槽,保证密封垫不发生局部变形,也就是法兰圆周均匀分布的许多螺栓加载过程要求变化梯度小、逐步均匀加载,最终各螺栓的预紧力达到规定值.设计一种在线监测仪器,此仪器能够在现场将每个螺栓的受力大小精确地反应出来,通过显示的数据来判断螺栓预紧顺序及加力大小.从而达到均匀逐步预紧,得到良好的密封效果.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)009【总页数】3页(P112-114)【关键词】压力容器;法兰;密封;预紧力【作者】赵学;李欢;张文彬【作者单位】兰州理工大学机电工程学院,兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH16;TQ051.31 引言在化工、炼油领域，压力容器是其主要设备之一。
螺栓承压承载力设计值
螺栓承压承载力设计值
【实用版】
目录
1.螺栓承压承载力设计值的定义
2.螺栓承压承载力设计值的计算方法
3.螺栓承压承载力设计值的应用
4.螺栓承压承载力设计值的影响因素
5.螺栓承压承载力设计值的重要性
正文
一、螺栓承压承载力设计值的定义
螺栓承压承载力设计值是指在规定的使用条件下，螺栓所能承受的最大压力，也就是其承载能力的设计标准。
在工程设计中，为了确保螺栓在使用过程中的稳定性和安全性，需要对其承压承载力进行科学合理的计算和设计。
二、螺栓承压承载力设计值的计算方法
螺栓承压承载力设计值的计算方法通常根据螺栓的材料、直径、长度以及使用环境等因素来确定。
我国相关的设计规范中，提供了一套详细的计算公式和方法，包括考虑螺栓的屈服强度、安全系数以及腐蚀因素等。
三、螺栓承压承载力设计值的应用
在实际的工程应用中，螺栓承压承载力设计值是确定螺栓使用范围和使用条件的重要依据。
设计值过小，可能导致螺栓在使用过程中出现断裂等安全事故；设计值过大，可能会造成材料浪费和成本增加。
四、螺栓承压承载力设计值的影响因素
螺栓承压承载力设计值的大小受多种因素的影响，主要包括螺栓的材
料、几何尺寸、使用环境等。
其中，材料的屈服强度和安全性是决定设计值的主要因素。
五、螺栓承压承载力设计值的重要性
正确确定螺栓承压承载力设计值，对于保证螺栓的使用安全和工程的经济性具有重要的意义。
螺栓承压承载力设计值
螺栓承压承载力设计值
螺栓承压承载力设计值是指在特定使用条件下，螺栓在承受压力和承载力时所能够承
受的最大设计值。
这一数值对于设计和工程实践中的结构、设备等方面至关重要，因此需
要深入研究和准确计算。
本文将就螺栓承压承载力设计值的计算原理、影响因素、实际应
用等方面进行详细介绍，以期为相关领域的从业人员提供参考和指导。
一、计算原理
螺栓承压承载力设计值的计算是建立在一系列理论基础之上的，主要包括弹性力学理论、材料力学原理、接触面理论等。
在实际应用中，通常采用以下公式来计算螺栓的承载
能力设计值：
\[P_d = A_b \times F_d \]
\(P_d\)为螺栓的承载能力设计值，单位为牛顿（N）；\(A_b\)为螺栓的横截面积，单位为平方米（m²）；\(F_d\)为螺栓的承载能力设计应力，单位为帕斯卡（Pa）。
二、影响因素
螺栓的承压承载力设计值受到多种因素的影响，主要包括螺栓材料、螺栓直径、螺栓
螺纹类型、摩擦系数、螺栓预紧力等。
在进行螺栓承载能力设计值的计算时，需要综合考
虑这些因素对螺栓性能的影响，进行准确的分析和计算。
三、实际应用
螺栓承压承载力设计值在实际工程中有着广泛的应用，特别是在机械制造、建筑工程、航空航天等领域。
通过合理计算螺栓的承载能力设计值，能够有效地指导工程设计和材料
选择，保证结构的安全可靠性，减少事故风险。
螺栓承压承载力设计值的计算是一个复杂而又关键的工作，需要结合多种理论基础和
实际因素进行综合考量。
通过深入研究和合理计算，可以为工程设计和实践提供有力的支
持和保障。
GB150.1-2011《压力容器.通用要求》-新GB150宣贯教材
GB150.1《压力容器 通用要求》
第二大类：长期失效模式(Long term failure modes) ● 蠕变断裂(Creep Rupture)； ● 蠕变-在机械连接处的超量变形或导致不允许的载荷传 递(Creep-excessive deformations at mechanical joints or resulting in unacceptable transfer of load)： ● 蠕变失稳(Creep instability) ● 冲蚀、腐蚀(Erosion，corrosion)； ● 环境助长开裂如：应力腐蚀开裂、氢致开裂
GB150.1《压力容器 通用要求》
3.2.3 失效准则和强度理论
金属强度失效准则主要包含弹性失效准则、塑性失
效准则和爆破失效准则。
1、弹性失效准则；
2、塑性失效准则；
3、爆破失效准则。
爆破失效准则在超高压容器设计中得到了应用。按
爆破失效准则计算圆筒体爆破压力的计算方法中以福贝
尔公式最为典型，即为：
GB150.1《压力容器 通用要求》
3.2.2 标准所考虑的失效模式 失效模式与设计规范中所考虑的设计载荷和
使用工况有密切的联系，表1给出了世界各国标 准中所考虑的载荷条件对比分析：
GB150.1《压力容器 通用要求》
(1)以失效模式为依据的设计方法 ISO 16528[5]综合世界主要工业国家的技术
(Environmentally assisted cracking e.g. stress corrosion cracking，hydrogen induced cracking，etc)。
GB150.1《压力容器 通用要求》
第三大类：循环失效模式(Cyclic failure modes)： ● 扩展性塑性变形 Progressive plastic deformation； ● 交替塑性 Alternating plasticity； ● 弹性应变疲劳(中周和高周疲劳)或弹-塑性应变 疲劳(低周疲劳) Fatigue under elastic strains
高温下工作螺栓预紧状态变化研究及应对措施
高温下工作螺栓预紧状态变化研究及应对措施管建军;孙一伦;张大群;宋尔明【摘要】常温下预紧螺栓升温到高温时螺栓及法兰的应力应变的改变会对密封状态产生影响.文章首先在各应变均匀一致的假设前提下通过理论推导得到预紧后螺栓的应变大小和升温后密封状态的变化,其次采用有限元软件对常温预紧、升温及再次预紧过程中的螺栓、法兰的应力应变变化进行了分析,最后考虑了蠕变和应力松弛效应对螺栓轴力的影响.文中认为在常温下预紧的螺栓在高温工作时应再次拧紧,如此才能保证高温下的密封状态和常温下保持一致.再次拧紧的应变为法兰与螺栓的热应变之差；若高温下再次拧紧后降温则应拧松螺栓,防止损坏垫片；高温时螺栓轴力不能过高,否则易于在较短时间内降低密封性能,而且应定期拧紧螺栓.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2013(031)005【总页数】4页(P104-107)【关键词】螺栓;预紧;密封性能;应力松弛【作者】管建军;孙一伦;张大群;宋尔明【作者单位】辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;中国石化工程建设公司工厂系统室,北京100101;中石化催化剂长岭分公司加氢车间,湖南岳阳414012;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TH131.3化工容器法兰接口的密封面需要靠螺栓经预紧形成的较高拉应力来保证其密封性。
螺栓的预紧力是影响密封的一个重要因素，预紧力必须使垫圈压紧并形成初始密封条件，同时预紧力也不能大到将垫圈压坏或挤出［1］。
化工设备多在常温下制造安装，然后进行调试运行。
在常温下螺栓的预紧问题已有很多研究者作出了详尽的研究［2-5］。
GB150只对常温下预紧力的计算进行了规定，没有考虑高温下设备是否能在该预紧力作用下保证垫片的密封性能。
而设备使用方非常关心常温下已预紧的螺栓是否在高温下需要再次拧紧螺栓，以防止发生泄漏事故。
同时他们需要制定相应的操作指导，利于设备的安全稳定运行。
高温高压容器封头密封结构连接螺柱预紧应力研究
Ｋｅ ｒ ｓ： ｈ ｇ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｄ ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ ｓ ｕ ｙ ｗｏ ｄ ｉ ｈ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｒ ｓ ｕ ｅ ｖ ｓ ｅ ； ｔ ｄ； ｐ ｅｏ ｄ； ｅ ｅ ｔ ｉａ ａ ｕ ｉ ｇ ｓ ｒ ｉ ｒｌａ ｌ ｃ ｒｃ ｌ ｍｅ ｓ ｒ ｎ ｔ ａ ｎ
第 ３ ９卷 第 ５期 ２１ ０ ０年 ９月
石
油
化
工
设
备
ＰＥ ＴＲ（＿ ）ＣＨＥＭ Ｉ ＣＡＩ ＥＱＵＩ Ｍ ＥＮＴ Ｐ
Ｖｏ１ ３ ＮＯ． ．９ ５ Ｓｅ ． ０１ ｐｔ ２ ０
文 章 编 号 ： １ ０ ４ ６ ２ １ ） ５０ ０ — ５ ０ ０７ ６ （ ０ ０ ０ — ０ ９０
ｅ ａ ｔ ｅ ｓ ｉ ｌ ｓ ｏ ｔ ｏｒ ｅ ｏ ｄ，ｅ ａ ｔｃ ｉ ｅ ａ ｔｏ ｘ ｓ ｉ ｔ ｅ ｌ ｏ ｂ ｔ Ｉ ｄ ｉ ｒ ｇｅ ｓ ｒ ｓ ｓ ｃ ｏ ｅ ｔ ｈｅ ｙ ｐｒ ｌ ａ ｌ ｓ ｉ ｎｔ ｒ ｃ ｉ ｎ ｅ ｉ ｔｎｇ ｂｅ ｗｅ ｎ ｂｏ ｔ ｔ ｏｌ． ｎ ａ ｄ — ｔｏｎ，ｔ ｓ ｔ ｎ ｅ ｕ ｔ ａ ｅ ｏ ｄ ｓｇｎ ｒ ａ ｏ ｂｌ ｅ ｏ ｄ ｐｒ ｇｒ ｍｓａ ｈ ａ ｔｃ ｌｅ ｉ ｉ ｅ ｔｄａ ａ ａ ｄ ｒ ｓ ｌｓｃ ｎ ｂｅｕｓ ｄ ｔ ｅ ｉ ｅ ｓ ｎａ ｅｐｒ ｌ ａ ｏ ａ ｔｔ ｅ ｐｒ ｃ ｉａ ｎｇ —
ｎｅ ｒｎｇ，ｅ ａ ｉ ｕａｉｙ ｏ ｎｓቤተ መጻሕፍቲ ባይዱａ ｌ ｔｏｎ ｏ ｇ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｎｄ ｐ ｅ ｓ ｅ ｖ ｓ ｅ ａ ｌ ｎ ． ｅｉ ｎｈ ｎｃｎｇ ｑ ｌｔ ｆｉ ｔ ｌａ ｉ ｆｈｉ ｈ ｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｒ ｓ ｕｒ ｅ ｓ ｌｈｅ ｄ ｆａ ｇｅ
管口载荷对压力容器设计计算影响
管口载荷对压力容器设计计算影响摘要：压力容器是工业生产中应用广泛的一种容器，在压力容器设计计算时，常常采用 Relief、 Belief或 Theoretical等准则，这些准则中的计算方法主要是针对容器设计中的压力分析、强度计算、稳定性计算等，这些计算方法都有一定的适用范围和局限性，并且在某些情况下还可能会出现错误，但是对于管口载荷作用下的压力容器，其设计方法与上述的不同。
本文首先对压力容器的结构形式进行了介绍，然后对管口载荷对压力容器设计计算的影响进行分析，希望可以为相关工作的开展提供参考。
关键词：管口荷载；局部应力；法兰密封在压力容器设计中，很多情况下，由于压力容器内部管道与外部环境的交接处存在一定的间隙，需要进行管道密封处理，或者在连接法兰、螺栓等部件时，需要进行密封处理。
管口载荷是指压力容器壳体与管道连接时，由于存在结构、尺寸和安装等因素的影响，使得连接处管口部位载荷变化，从而导致管口与壳体之间的接触面积发生变化，管口载荷将直接影响到压力容器设计。
根据相关规范规定，对于管口载荷作用下的压力容器，设计人员需要根据具体情况，采用适当的方法处理连接处管口载荷对压力容器设计计算的影响。
1压力容器的结构形式压力容器是一种用于盛装气体或液体的压力容器，按照结构形式可分为：筒体、封头、接管和法兰，在设计中需要对所盛装介质进行压力分析，然后按照应力分类进行强度校核和稳定性校核。
由于压力容器的设计中一般都需要考虑介质的压力作用，因此对于需要进行强度校核的筒体、封头、接管等容器部件，其设计计算中通常都会考虑介质的压力。
然而对于接管和法兰等部件，在实际使用时还受到管口载荷的作用，因此为了保证压力容器设计计算结果的可靠性和准确性，在进行管口载荷作用下的压力容器设计计算时，需要采用一定的计算方法。
关于管口载荷对压力容器设计计算影响的研究，最早可以追溯到上世纪40年代初。
在国外，许多学者进行了相关研究，由于在容器设计中还存在许多其他因素，例如应力分析、强度校核、稳定性校核等，因此对于管口载荷作用下的压力容器设计计算方法也是多种多样[1]。
预紧螺栓的受力
预紧螺栓的受力分析预紧螺栓是一种常用的紧固件，广泛应用于各种机械和设备中。
它通过在螺栓和螺母之间施加预紧力，使得连接更加牢固，能够有效防止松动和振动。
预紧螺栓的受力分析是确保其正常工作和安全性的关键。
一、预紧螺栓的受力种类预紧螺栓主要受到拉伸力和摩擦力两种作用。
在预紧过程中，螺栓受到拉伸力的作用，使得螺栓伸长，将两个连接件紧密地压在一起。
同时，螺母和螺栓之间的摩擦力也起到了关键作用，防止螺栓在受到外部载荷时松动。
二、预紧螺栓的受力分析1. 拉伸力预紧螺栓所受的拉伸力主要来自于螺栓的预紧力。
预紧力是指螺栓在拧紧过程中，为了使连接件之间产生足够的摩擦力，需要施加在螺栓上的拉力。
这个拉力使得螺栓伸长，与螺母紧密贴合，从而实现了连接件的牢固固定。
预紧力的计算需要考虑螺栓的截面积、材料的弹性模量、屈服强度等因素。
在实际应用中，需要根据连接件的具体要求和螺栓的规格参数，选择合适的预紧力大小，以确保连接的稳定性和安全性。
2. 摩擦力预紧螺栓与螺母之间的摩擦力是防止螺栓松动的重要因素。
摩擦力的大小取决于螺栓和螺母之间的正压力和摩擦系数。
正压力主要来自于螺栓的预紧力，使得螺栓与螺母紧密贴合；摩擦系数则与螺栓和螺母的材料、表面处理等因素有关。
为了确保摩擦力足够大，需要选择适当的表面处理或润滑措施，以提高摩擦系数。
三、预紧螺栓的安全考虑预紧螺栓在实际应用中，可能会受到各种外部载荷的作用，如振动、冲击、温度变化等。
这些外部载荷可能会引起螺栓松动，导致连接失效。
因此，在设计和使用预紧螺栓时，需要考虑其安全性。
具体来说，需要考虑以下几个方面：1. 防松措施为了防止预紧螺栓在受到外部载荷时松动，需要采取有效的防松措施。
常见的防松措施包括自锁、弹簧垫圈、止动垫圈等。
这些措施能够增加螺栓与螺母之间的摩擦力或改变其受力状态，从而防止螺栓松动。
2. 疲劳强度预紧螺栓在反复受到外部载荷的作用下，可能会发生疲劳断裂。
因此，需要考虑其疲劳强度，并对其进行疲劳强度校核。
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设 计 计 算 压力管道与容器密封结构螺栓预紧载荷确定方法的探讨田 园,任 欣,高增梁,张康达(浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室化工机械设计研究所,浙江杭州 310032)摘 要:基于对AS ME规范与E N1591-1中螺栓法兰接头设计计算方法的比较,分析了确定螺栓载荷中存在的问题。
通过有限元分析,计算接头各元件柔度,并建立密封结构的载荷-变形曲线,从而提出了确定合适的螺栓预紧载荷的方法。
关键词:法兰;密封;螺栓预紧载荷中图分类号:T Q055.8;T Q050.2 文献标识码:A 文章编号:1001-4837(2008)03-0022-05A M ethod of D eterm i n i n g the Bolt Preload of Sea li n g Structurei n Pressure P i pe and VesselT IAN Y uan,REN X i n,GAO Zeng-li a ng,ZHANG Kang-da (Zhejiang University of Technol ogy,the MOE Key Laborat ory of Mechanical Manufacture and Aut oma2 ti on,I nstitute of Pr ocess Equi pment and Contr ol Engineering,Hangzhou310032,China)Abstract:By comparing the AS ME Boiler and Pressure Vessel Code with the E N1591issued by Eur ope2 an Comm issi on of Standardizati on,s ome p r oble m s of existing methods on deter m ining the bolt l oads were analyzed.Based on the finite ele ment calculati on and analysis,the flexibility of each part and l oad-de2f or mati on curves of the sealing structure were gotten.Finally,an i m p r oved method on deter m ining p r opervalue of bl ot p rel oad was p r oposed.Key words:flange;sealing;bl ot p rel oad 螺栓法兰连接是化工机械、航天航空等工业系统中应用非常广泛的一种可拆连接结构,对它的要求是结构完整性和连接紧密性。
文中通过有限元分析计算,确定接头各元件柔度,建立结构载荷-变形曲线,从而提出了一种确定装配工况下螺栓合适的预紧载荷的改进方法。
1 现有标准中螺栓载荷的确定方法 国际上现有两种主要的法兰计算标准,即美国压力容器规范AS ME Boiler and Pressure Vessel Code,Secti onⅧ[1]和欧盟标准E N1591-1[2]及ENV1591-2[3],这两个标准存在差异。
AS ME规范中的法兰计算方法规定了螺栓载荷必须满足以下预紧工况Wm2和操作工况Wm1。
W m2=πD G by(1)W m1=W′m1+W″m1=14πD2Gp c+2πD G b m p c(2)式中 y,m———与垫片密封性能有关的系数虽然美国压力容器研究委员会(P VRC)曾提出了新的垫片系数GS,G b,a代替m,y,但目前尚未纳・22・入规范,确定这些垫片系数的标准试验方法还处于草案阶段[10]。
E N 1591法兰计算标准是基于完整性和密封性准则。
其中密封计算基于接头所有部件之间载荷-变形关系的弹性分析。
因而螺栓最小预紧力考虑了预紧和密封两者的要求,即在装配工况下(I =0):垫片表面压力必须高于Q m in (预紧准则);在其后的所有工况下(I >0):垫片表面压力必须高于Q I (密封准则)。
Q I 可由E NV 1591-2中的Q I /P 值决定。
当有密封试验依据时,Q m in 和Q I 可根据给定的压力、温度和最大垫片表面压力下要求的泄漏率来确定。
由Q m in 和Q I 值决定需要的最小螺栓预紧力F BO req ,文献[2]中提供了具体的计算流程[5,6]。
国内法兰连接的设计方法与AS ME 容器设计规范类同,具体参见G B 150—1998[4]。
2 现有螺栓载荷确定方法所存在的问题作为沿袭了AS ME 规范的我国压力容器设计标准G B 150,仅考虑螺栓法兰连接在结构上能否保证安全(结构完整性),即限制螺栓和法兰的线弹性强度。
规范不保证泄漏率在确定的范围内(连接密封性)。
垫片系数m ,y 只是作为确定垫片安装和操作工况下螺栓载荷的建议值。
文献[1]中附录S 也指出类似的问题。
由此可见,作为密封设计要求,施加在螺栓上的载荷基于上限值和下限值之间,即:最小需要载荷<实际施加载荷<最大允许载荷。
实际需要载荷即为W m 1和W m 2中的最大值,最大允许载荷则由螺栓的许用应力所确定。
但实际载荷该取多大,标准中没有明确说明。
根据AS ME 和G B 150计算的螺栓预紧载荷往往低于实际施加的预紧载荷,故为避免造成螺栓本身产生屈服,螺栓只能偏保守设计。
3 预紧载荷工况螺栓-垫片-法兰接头的计算方法要保证结构的完整性和控制密封面间的泄漏,即满足强度和密封两个准则。
其中密封的计算应基于接头的所有部件之间载荷-变形关系的弹性分析。
在确定装配工况下需要的最小螺栓载荷时,接头各部件的柔度决定了密封结构的载荷-变形关系中各曲线的斜率。
图1所示为载荷-变形关系曲线的简图,连接件曲线的斜率的倒数即为其柔度。
被连接件曲线由垫片、法兰等被连接件的柔度组成,而其中垫片的柔度具有非线性特征。
垫片的载荷-变形关系曲线需由加载-卸载试验完成。
由此可以看出,各元件的柔度大小决定了密封结构载荷-变形曲线图的形状和位置,从而也决定了连接件与被连接件加载线的交点,也即装配工况下需要的合适螺栓载荷值点。
图1 螺栓-垫片-法兰接头各部件载荷-变形曲线 由于作为起关键密封作用的垫片的载荷-变形曲线具有非线性和时滞效应,故确定垫片的载荷-变形关系曲线显得十分重要。
通过对标准垫片试样进行常温或高温静载作用下的压缩试验,可以得到试样的载荷-变形曲线。
文献[7～9]中对垫片的载荷-变形行为和试验研究作了详细介绍。
在图1中,连接件和被连接件首先沿加载线加载至B 点,达到装配工况的要求。
在操作工况下,连接件继续加载至C 点,被连接件沿卸载线卸载至D 点。
此时D 点对应的载荷值应不小于操作工况下垫片最小密封载荷,CD 段长度对应的载荷大小即为螺栓载荷中用于平衡流体压力作用的部分。
4 有限元计算 在实测垫片数据的基础上,可采用有限元软件ANSYS 建立螺栓-垫片-法兰连接系统的二维或三维有限元模型并进行计算。
建模中因需进行预紧计算,故建立预紧单元,并包括垫片单元和接触单元。
可以从计算结果中获取到接头所有部件的柔度,在此基础上建立密封结构载荷-变形曲线,并对随后计算过程中确定的螺栓预紧载荷进行校验。
在有限元建模及计算过程中需要注意的问题有:(1)将从试验获得的垫片的载荷-变形关系曲・32・第25卷第3期 压 力 容 器 第184期线作为垫片材料数据输入到ANSYS 程序中。
垫片部分采用垫片单元,模型中有可能接触的部分采用接触单元。
(2)有限元计算过程中,可以分为若干个载荷步来完成。
主要载荷步包括初始装配、重要的操作工况等。
(3)在模拟螺栓初始装配的计算中,可以设定一定大小的预紧载荷,从而得到接头各元件的柔度值。
(4)将连接件与被连接件的载荷-变形曲线分别给出,得到如图1的载荷-变形图。
使图中C 点载荷达到W m 1,D 点达到W ″m 1,而B 点应超过W m 2的要求。
这时的B 点应是较合适的预紧载荷。
5 实例 结合工程中的一个实例,对容器密封结构预紧载荷的确定方法进行讨论。
图2所示为该容器密封结构的简图。
垫片安装在顶盖与筒体间的密封面之间,预紧载荷由筒体端部和顶盖之间的螺纹提供。
图2 结构简图5.1 计算条件垫片内径:1612mm垫片外径:1672mm垫片压紧力作用中心圆直径:D G =1642mm 垫片实际宽度:N =30mm垫片有效密封宽度:b =2.53b 0=2.53N /2=9.8mm 垫片种类:柔性石墨波齿复合垫片垫片系数:m =3.0比压力:y =69.6MPa (取文献[4]中表9-2缠绕垫片的数据)计算压力:p c =18.63MPa垫片压力-变形曲线(ρ-δ)如图3所示[10]。
图3 垫片压力-变形曲线5.2 密封结构有限元计算5.2.1 建模由于轴对称性,对密封结构建立了二维轴对称有限元模型,如图4所示。
顶盖和筒体部分采用规则的8节点Plane 82单元,垫片使用6节点I nter 193垫片单元,螺纹间接触部分采用Targe 169目标单元和Conta 172接触单元来建立接触对。
筒体上端面在Y方向上固定。
在靠近筒体螺纹的位置设定Prets 179预紧单元,如图5所示。
通过预紧单元实现的预紧载荷使筒体端部和顶盖之间的螺纹啮合,并压紧垫片。
图4 结构有限元模型5.2.2 计算工况根据G B 150—1998,计算W m 1和W m 2。
在本算例中,为确定接头各元件的柔度,W m 1作为预紧载荷用于初载荷步。
・42・CP VT 压力管道与容器密封结构螺栓预紧载荷确定方法的探讨 Vol251No32008图5 靠近筒体螺纹预紧位置 预紧工况下需要的最小压紧载荷为:W w 2=πD G by =3.52×106N操作工况下需要的最小压紧载荷为:W m 1=W ′m 1+W ″m 1=π4D 2G p c +2πD G b m p c =4.51×107N5.2.3 计算结果与分析在预紧载荷4.51×107N 的作用下,筒体的轴向变形量δb =0.173mm ,柔度λb =δb /W m 1=0.38×10-8mm /N;垫片的轴向变形量δg =3.45mm;顶盖的轴向变形量δf =0.017mm ,柔度λf =δf /W m 1=0.04×10-8mm /N,密封结构载荷-变形关系曲线如图6所示。
经过作图与计算,得到合适的预紧载荷点B (0.030,0.773),操作压力为18.63MPa 时的连接件工作点C (0.173,4.51),被连接件工作点D (0.173,0.521)。