φ60高温高压管道连接组件结构设计【字数：9210】
摘 要本文在简述管道连接件，管道连接件的形式及国内外发展等内容后，重点介绍了法兰连接的分类，法兰设计及垫片螺栓的选用，对法兰、垫片和螺栓进行了强度校核，利用ANSYS通用有限元分析软件，建立了高温高压下法兰的有限元模型 ，模拟了高温高压工况下，法兰连接组件的受力性能，通过分析得到高温情况下法兰连接件的应力图，并通过强度计算及校核确保本文设计出的高温高压法兰连接件符合实际工况并正常使用。根据本文方法可设计不同工况的非标准法兰，可供设计非标法兰作为参考。
目录
1. 绪论 1
1.1 研究背景、目的和意义 1
1.2 法兰发展趋势及应用 1
1.3 螺栓法兰连接组件的概况 1
1.4 本文主要工作及章节安排 3
2. 高温高压管道连接组件的设计 4
2.1 连接型式的选择 4
2.2 法兰连接结构的选择 4
2.3 法兰连接材料的选择 5
3. 高温高压管道法兰连接组件有限元分析 7
3.1 法兰尺寸的设计 7
3.2 几何模型的创建 7
3.3 有限元分析参数 9
3.4 本章小结 11
4. 法兰组件设计过程及强度尺寸校核 12
4.1 垫片的选择与设计 12
4.2 螺栓的选择与设计 14
4.3 螺栓的强度计算及校核 14
5. 结论 19
参考文献 20
1. 绪论
1.1 研究背景、目的和意义
随着社会需求发展的日益增长，高温高压管道发展快速，传送的介质多种多样，不乏传输的介质具有高温度，高压力。介质的温度可高达800℃，压力可达109Pa甚至更高。管道输送流体物料在石油、化工和机械等领域应用广泛。但是，法兰连接处往往是最薄弱的环节[1]，尤其是在传输高压、高温介质的管道更容易发生泄漏。在这种环境下，对法兰连接件的优化就变得格外重要。管道法兰如图11所示。
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图11 常见的管道法兰
1.2 法兰发展趋势及应用
法兰连接或法兰接头，是指由法兰、垫片及螺栓三部分[2]相互连接 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
作为一组组合密封结构的可拆连接。在与管道连接时，这些设备部件，通常在两个平面外围同时使用螺栓连接来连接两个部分也制成相对应的法兰型式，称为法兰连接。法兰密封连接是压力容器、工艺设备、动力机器等过程工业装置中最常见的可拆连接形式，在核电站和深海能源开发装置中有广泛应用[35]。所以在设计和选用时保证法兰组件可正常安全使用是前提条件，由于其法兰型式，密封面型式[6]类型多样，涉及到的参数和外部因素又较多，还要考虑经济、安全和标准化要求[7]。所以具体实施过程还比较复杂。上世纪90年代中期，欧洲和美国的研究学者在管道上的研究重点放在了改进管道的设计原则理论和分析研究方法。
1.3 螺栓法兰连接组件的概况
螺栓法兰连接结构的密封结构是由紧固螺栓、压紧垫片和法兰本体组成的，这是最为常见且应用广泛的密封形式之一，技术成熟，并且因为成本较低且便于拆卸，可重复使用，所以被石油化工和机械等行业被广泛使用。在长久的工业发展路程中，由于应用较多，螺栓法兰连接组件的泄漏问题也日益增多，成为最常见的事故之一。在一些规模较大的石油和化工企业中，由于组件较多，密封点也众多，一旦发生泄漏，会造成资源的浪费，环境的污染，甚至还会发生爆炸，造成巨大的损失与人员的伤亡，给企业带来巨大的损失。随着工况的日益严苛，高温高压工况随处可见，这对螺栓法兰连接组件的密封性能是巨大的考验。
由于螺栓法兰连接组件的密封结构是由螺栓、垫片和法兰组成的，在考虑到三个组件之间的相互配合的复杂性以及力学平衡和变形协调的相互影响，常规的公式以及方法比较难解决。基于上述的各种原因，国内外学者对螺栓法兰连接组件的密封结构进行了更加深入的研究。
Waters.E.O.和Tayler.J.H.在1927年共同发表了管法兰的强度相关文章[8]，随后在1937年Waters等人又发表了螺栓法兰连接中的应力公式[9]，最终这两篇文章形成了锅炉与压力容器规范中的法兰设计准则。
1965年成立了法兰连接委员会。在几十年的研究工作中，取得了很多研究成果，主要有[10]：
（1）提出了全平面弹性垫片的平面法兰规范设计；
（2）提出了全平面垫片的矩形法兰近似设计方法；
（3）研究了螺栓法兰系统的弹性作用，提出紧固螺栓的优化方法；
（4）提出评定垫片耐火性能的实验方法及建立室温密封性能实验数据库；
（5）给出了垫片材料性能的实验方法及评定标准；
（6）建立了全新的垫片相关系数表；
（7）给出了螺栓法兰连接组件的密封结构垫片高温性能实验方法；
蔡仁良和于新奇通过实验和理论分析方法研究了透镜热片的介质压力和泄漏率的关系，不考虑各组件塑性变形和蠕变，研究发现预紧力一定时，介质压力越高泄漏率越大[11]。蔡仁良和安源胜提出了一种垫片接触应力测试方法，研究发现热片预紧力越大，内外边缘的接触应力差别越大[1213]。
顾伯勤对螺栓法兰练级系统进行了紧密性分析，建立连接的紧密性参数[14]。顾伯勤实验研究了泄漏率与热片的残余正紧应力、介质压力、介质粘度和热片的宽度之问的关系，并采用图算法很方便的对泄漏率进行预测和控制分析[15]。
1.4 本文主要工作及章节安排
本设计以高温高压管道为研究对象，法兰连接的主要特点是拆卸方便、承受强度高、密封性能好。法兰通过螺栓的紧固来压紧密封垫片来实现密封。
（1）对螺栓的使用强度、尺寸，法兰的选材以及法兰垫片的材料尺寸进行研究；
（2）使用CATIA三维软件画出模型；
目录
1. 绪论 1
1.1 研究背景、目的和意义 1
1.2 法兰发展趋势及应用 1
1.3 螺栓法兰连接组件的概况 1
1.4 本文主要工作及章节安排 3
2. 高温高压管道连接组件的设计 4
2.1 连接型式的选择 4
2.2 法兰连接结构的选择 4
2.3 法兰连接材料的选择 5
3. 高温高压管道法兰连接组件有限元分析 7
3.1 法兰尺寸的设计 7
3.2 几何模型的创建 7
3.3 有限元分析参数 9
3.4 本章小结 11
4. 法兰组件设计过程及强度尺寸校核 12
4.1 垫片的选择与设计 12
4.2 螺栓的选择与设计 14
4.3 螺栓的强度计算及校核 14
5. 结论 19
参考文献 20
1. 绪论
1.1 研究背景、目的和意义
随着社会需求发展的日益增长，高温高压管道发展快速，传送的介质多种多样，不乏传输的介质具有高温度，高压力。介质的温度可高达800℃，压力可达109Pa甚至更高。管道输送流体物料在石油、化工和机械等领域应用广泛。但是，法兰连接处往往是最薄弱的环节[1]，尤其是在传输高压、高温介质的管道更容易发生泄漏。在这种环境下，对法兰连接件的优化就变得格外重要。管道法兰如图11所示。
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图11 常见的管道法兰
1.2 法兰发展趋势及应用
法兰连接或法兰接头，是指由法兰、垫片及螺栓三部分[2]相互连接 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
作为一组组合密封结构的可拆连接。在与管道连接时，这些设备部件，通常在两个平面外围同时使用螺栓连接来连接两个部分也制成相对应的法兰型式，称为法兰连接。法兰密封连接是压力容器、工艺设备、动力机器等过程工业装置中最常见的可拆连接形式，在核电站和深海能源开发装置中有广泛应用[35]。所以在设计和选用时保证法兰组件可正常安全使用是前提条件，由于其法兰型式，密封面型式[6]类型多样，涉及到的参数和外部因素又较多，还要考虑经济、安全和标准化要求[7]。所以具体实施过程还比较复杂。上世纪90年代中期，欧洲和美国的研究学者在管道上的研究重点放在了改进管道的设计原则理论和分析研究方法。
1.3 螺栓法兰连接组件的概况
螺栓法兰连接结构的密封结构是由紧固螺栓、压紧垫片和法兰本体组成的，这是最为常见且应用广泛的密封形式之一，技术成熟，并且因为成本较低且便于拆卸，可重复使用，所以被石油化工和机械等行业被广泛使用。在长久的工业发展路程中，由于应用较多，螺栓法兰连接组件的泄漏问题也日益增多，成为最常见的事故之一。在一些规模较大的石油和化工企业中，由于组件较多，密封点也众多，一旦发生泄漏，会造成资源的浪费，环境的污染，甚至还会发生爆炸，造成巨大的损失与人员的伤亡，给企业带来巨大的损失。随着工况的日益严苛，高温高压工况随处可见，这对螺栓法兰连接组件的密封性能是巨大的考验。
由于螺栓法兰连接组件的密封结构是由螺栓、垫片和法兰组成的，在考虑到三个组件之间的相互配合的复杂性以及力学平衡和变形协调的相互影响，常规的公式以及方法比较难解决。基于上述的各种原因，国内外学者对螺栓法兰连接组件的密封结构进行了更加深入的研究。
Waters.E.O.和Tayler.J.H.在1927年共同发表了管法兰的强度相关文章[8]，随后在1937年Waters等人又发表了螺栓法兰连接中的应力公式[9]，最终这两篇文章形成了锅炉与压力容器规范中的法兰设计准则。
1965年成立了法兰连接委员会。在几十年的研究工作中，取得了很多研究成果，主要有[10]：
（1）提出了全平面弹性垫片的平面法兰规范设计；
（2）提出了全平面垫片的矩形法兰近似设计方法；
（3）研究了螺栓法兰系统的弹性作用，提出紧固螺栓的优化方法；
（4）提出评定垫片耐火性能的实验方法及建立室温密封性能实验数据库；
（5）给出了垫片材料性能的实验方法及评定标准；
（6）建立了全新的垫片相关系数表；
（7）给出了螺栓法兰连接组件的密封结构垫片高温性能实验方法；
蔡仁良和于新奇通过实验和理论分析方法研究了透镜热片的介质压力和泄漏率的关系，不考虑各组件塑性变形和蠕变，研究发现预紧力一定时，介质压力越高泄漏率越大[11]。蔡仁良和安源胜提出了一种垫片接触应力测试方法，研究发现热片预紧力越大，内外边缘的接触应力差别越大[1213]。
顾伯勤对螺栓法兰练级系统进行了紧密性分析，建立连接的紧密性参数[14]。顾伯勤实验研究了泄漏率与热片的残余正紧应力、介质压力、介质粘度和热片的宽度之问的关系，并采用图算法很方便的对泄漏率进行预测和控制分析[15]。
1.4 本文主要工作及章节安排
本设计以高温高压管道为研究对象，法兰连接的主要特点是拆卸方便、承受强度高、密封性能好。法兰通过螺栓的紧固来压紧密封垫片来实现密封。
（1）对螺栓的使用强度、尺寸，法兰的选材以及法兰垫片的材料尺寸进行研究；
（2）使用CATIA三维软件画出模型；
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