管接头的泄漏率测试及有限元模拟【字数：14394】
摘 要管接头也称管法兰，是在各种管道连接中的主要部件，其广泛用于机械、石化、水利、船舶等管路系统。管接头连接结构由管接头、管接嘴和密封垫片组成，其密封的失效行为主要表现为泄漏。在管接头连接结构中起到主要密封作用的元件是垫片，通过螺纹连接产生的预紧力压紧垫片，从而实现密封的目的。所以，选择合适的垫片对研究管接头的密封性极其重要。本文选用了Ni-Ti合金材料制成的垫片，围绕管接头连接结构设计了相关的试验装置，并对管接头连接结构进行了试验测试和有限元数值模拟。主要研究内容如下（1）查阅了关于管接头与形状记忆合金的文献，并做了相关综述。介绍了管法兰的一些制造标准，并对国标做了概述；介绍了形状记忆合金材料的特点，总结了Ni-Ti合金的发展现状；介绍了垫片的两种泄漏形式，根据泄漏形式对传统材料与Ni-Ti合金材料做了密封性能的比较。（2）根据管接头的结构特点设计了试验装置。绘制密封结构相关图纸并进行加工，对试验装置所需元器件进行选购，最后搭建了适用于管接头的泄漏率试验平台。（3）研究了管接头与NiTi合金垫片密封连接结构的泄漏率。测试了管接头结构在不同拧紧力矩（210、235、260MPa）与不同介质压力（0.6，0.8，1.0，1.2，1.4MPa）下的泄漏率；测试了管接头结构在长时间加载情况下，泄漏率随时间的变化规律；建立了泄漏率模型，分别对两部分试验数据分析与拟合，得出了泄漏率的计算公式。（4）基于有限元软件研究了管接头连接结构的应力情况。构造了管接头的有限元模型，对其进行分析计算；根据有限元结果，分析了密封面上应力分布情况和有效密封宽度；将有效密封宽度引入到泄漏率模型中，结合试验数据拟合得出关于三个变量的计算公式。
目 录
1绪论 1
1.1选题依据和课题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1管接头 1
1.2.2NiTi形状记忆合金 2
1.3密封泄漏形式与垫片材料比较 3
1.4本课题解决思路或试验方法 4
2试验测试装置 5
2.1试验概述 5
2.1.1试验原理 5
2.1.2试验流程 5
2.2密封结构 6
2.3其他主要部件 7
2.3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
微差压传感器 7
2.3.2其他电子仪器 8
2.3.3高压气源与减压阀 9
3管接头连接结构泄漏率试验 10
3.1引言 10
3.2管接头密封连接结构失效形式 10
3.3试验准备 10
3.3.1试验试样 10
3.3.2试验方案 12
3.4泄漏率与预紧力和介质压力关系试验 13
3.4.1泄漏模型 13
3.4.2试验结果分析 15
3.5泄漏率与时间关系试验 18
4管接头连接结构有限元分析 20
4.1引言 20
4.2有限元建模 20
4.2.1几何图形 20
4.2.2材料性能参数 21
4.2.4网格划分 21
4.3管接头连接结构的整体应力分布 22
4.4密封面应力结果分析 23
4.4.1密封面应力分布情况 23
4.4.2以特征应力计算有效密封宽度 24
4.4.3以泄漏率为标准计算有效密封宽度 27
5结论 30
参考文献 31
本科期间成果及参与的项目 34
致谢 35
1绪论
1.1选题依据和课题背景
管接头也称管法兰，是一种可拆卸更换式零部件，它是在各种密封装置连接中的主要部件，其广泛用于机械、石化、水利、船舶等管路系统，它是连接管路与管路或者管路与其他元件的防漏件，其主要由管接头、管接嘴和密封垫片组成（管接头与管接嘴即为一对法兰）。据统计，仅一个大型炼油厂，使用的法兰密封接头的总量就达到数十万。[12]
管接头密封的失效行为主要表现为泄漏，当泄漏行为出现就可能会造成资源的浪费、企业财产的损失，严重的泄漏还可能对生命安全的构成威胁、对生态环境造成不可逆转的损害等。因此，管接头密封显得尤为重要，但是泄漏行为无法避免，所以必须将泄漏量控制在一定的范围内[2]。管接头结构虽然在国内外已经有了诸多系列标准，但是管接头结构的密封性与其材质、形状结构、外部环境、内部流体介质等诸多因素有关，其仍需要继续深入研究。
管接头中起到主要密封作用的元件是垫片，其通过施加预紧力压紧垫片，使得垫片表面与管接头法兰面紧密贴合、垫片内部孔隙减少，从而实现密封的目的。所以，研究管接头的密封性也要选择合适的垫片。形状记忆合金材料是一种具有超弹性和形状记忆效应的特殊性能材料，利用上述两种性能可有效地提升密封性，因此，本课题选用镍钛形状记忆合金材料垫片。
1.2国内外研究现状
1.2.1管接头
管法兰作为重要的连接部件，经历了多年的发展与研究，时至今日，也形成了一系列的标准。在国内有国标标准系列，国标法兰最新标准为《GB/T 9112～91242010钢制管法兰》，共13项标准，其发布于2011年，代替了旧的国标GB/T 91122000；GB/T 107451989标准，国标中GB/T 91122010规定了钢制管法兰类型与参数，GB/T 91142010规定了带颈螺纹钢制管法兰（即通过螺纹连接的法兰），GB/T规定了91242010钢制管法兰技术条件。国标对压力等级做了规定，分别为PN标记CLASS标记，PN标记的压力等级有12个，CLASS标记的压力等级有6个 [3]。在国内还有机械部JB/T 74～90《钢制管法兰》系列标准，化工部HG/T 20592～20635《钢制管法兰》和石化行业SH/T 34062013《石油化工钢制管法兰》等标准，其均对管法兰有不同规定[4]。
在国际上也有很多关于管法兰的标准。国际标准ISO 70051:2011《管道法兰 第1部分：工业管道系统以及通用管道系统用钢制法兰》 。欧盟管法兰标准EN 10921:2007《法兰及其连接件：按PN标注的管、阀门、配件和附件用圆形法兰 第一部分：钢法兰》。美洲管法兰标准主要有AMSE B16.5:2013和ASME B 16.47:2011，美国也将此两项标准引用作为美国国家标准。另外，欧盟还以ASME B 16系列标准为参照，制定了欧盟标准EN 1795《法兰及其连接件CLASS标识》。[56]
1.2.2NiTi形状记忆合金
形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）是一种新型材料，具有形状记忆和超弹性两种特殊性能。1932年美国Olander，1938年美国Greniger等人，1949年苏联Kurdjumov，1951年Chang等人，他们均各发现了SMA的部分性能，但这些迹象并没有引起人们的注意。直到1962年，美国Buehler等人偶然发现了NiTi合金的形状记忆效应，这才使得形状记忆合金广泛使用[79]。发展至今，记忆合金被广泛地应用于生物、航天、机械工程等领域[1013]。
目 录
1绪论 1
1.1选题依据和课题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1管接头 1
1.2.2NiTi形状记忆合金 2
1.3密封泄漏形式与垫片材料比较 3
1.4本课题解决思路或试验方法 4
2试验测试装置 5
2.1试验概述 5
2.1.1试验原理 5
2.1.2试验流程 5
2.2密封结构 6
2.3其他主要部件 7
2.3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
微差压传感器 7
2.3.2其他电子仪器 8
2.3.3高压气源与减压阀 9
3管接头连接结构泄漏率试验 10
3.1引言 10
3.2管接头密封连接结构失效形式 10
3.3试验准备 10
3.3.1试验试样 10
3.3.2试验方案 12
3.4泄漏率与预紧力和介质压力关系试验 13
3.4.1泄漏模型 13
3.4.2试验结果分析 15
3.5泄漏率与时间关系试验 18
4管接头连接结构有限元分析 20
4.1引言 20
4.2有限元建模 20
4.2.1几何图形 20
4.2.2材料性能参数 21
4.2.4网格划分 21
4.3管接头连接结构的整体应力分布 22
4.4密封面应力结果分析 23
4.4.1密封面应力分布情况 23
4.4.2以特征应力计算有效密封宽度 24
4.4.3以泄漏率为标准计算有效密封宽度 27
5结论 30
参考文献 31
本科期间成果及参与的项目 34
致谢 35
1绪论
1.1选题依据和课题背景
管接头也称管法兰，是一种可拆卸更换式零部件，它是在各种密封装置连接中的主要部件，其广泛用于机械、石化、水利、船舶等管路系统，它是连接管路与管路或者管路与其他元件的防漏件，其主要由管接头、管接嘴和密封垫片组成（管接头与管接嘴即为一对法兰）。据统计，仅一个大型炼油厂，使用的法兰密封接头的总量就达到数十万。[12]
管接头密封的失效行为主要表现为泄漏，当泄漏行为出现就可能会造成资源的浪费、企业财产的损失，严重的泄漏还可能对生命安全的构成威胁、对生态环境造成不可逆转的损害等。因此，管接头密封显得尤为重要，但是泄漏行为无法避免，所以必须将泄漏量控制在一定的范围内[2]。管接头结构虽然在国内外已经有了诸多系列标准，但是管接头结构的密封性与其材质、形状结构、外部环境、内部流体介质等诸多因素有关，其仍需要继续深入研究。
管接头中起到主要密封作用的元件是垫片，其通过施加预紧力压紧垫片，使得垫片表面与管接头法兰面紧密贴合、垫片内部孔隙减少，从而实现密封的目的。所以，研究管接头的密封性也要选择合适的垫片。形状记忆合金材料是一种具有超弹性和形状记忆效应的特殊性能材料，利用上述两种性能可有效地提升密封性，因此，本课题选用镍钛形状记忆合金材料垫片。
1.2国内外研究现状
1.2.1管接头
管法兰作为重要的连接部件，经历了多年的发展与研究，时至今日，也形成了一系列的标准。在国内有国标标准系列，国标法兰最新标准为《GB/T 9112～91242010钢制管法兰》，共13项标准，其发布于2011年，代替了旧的国标GB/T 91122000；GB/T 107451989标准，国标中GB/T 91122010规定了钢制管法兰类型与参数，GB/T 91142010规定了带颈螺纹钢制管法兰（即通过螺纹连接的法兰），GB/T规定了91242010钢制管法兰技术条件。国标对压力等级做了规定，分别为PN标记CLASS标记，PN标记的压力等级有12个，CLASS标记的压力等级有6个 [3]。在国内还有机械部JB/T 74～90《钢制管法兰》系列标准，化工部HG/T 20592～20635《钢制管法兰》和石化行业SH/T 34062013《石油化工钢制管法兰》等标准，其均对管法兰有不同规定[4]。
在国际上也有很多关于管法兰的标准。国际标准ISO 70051:2011《管道法兰 第1部分：工业管道系统以及通用管道系统用钢制法兰》 。欧盟管法兰标准EN 10921:2007《法兰及其连接件：按PN标注的管、阀门、配件和附件用圆形法兰 第一部分：钢法兰》。美洲管法兰标准主要有AMSE B16.5:2013和ASME B 16.47:2011，美国也将此两项标准引用作为美国国家标准。另外，欧盟还以ASME B 16系列标准为参照，制定了欧盟标准EN 1795《法兰及其连接件CLASS标识》。[56]
1.2.2NiTi形状记忆合金
形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）是一种新型材料，具有形状记忆和超弹性两种特殊性能。1932年美国Olander，1938年美国Greniger等人，1949年苏联Kurdjumov，1951年Chang等人，他们均各发现了SMA的部分性能，但这些迹象并没有引起人们的注意。直到1962年，美国Buehler等人偶然发现了NiTi合金的形状记忆效应，这才使得形状记忆合金广泛使用[79]。发展至今，记忆合金被广泛地应用于生物、航天、机械工程等领域[1013]。
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