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法兰螺栓垫片系统高温密封性能研究

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温度和压力对法兰连接系统密封性能影响很大,尤其是在高温、变温以及温度、压力波动频繁的场合。实际调研发现高温工况下法兰连接系统极易泄漏,然而国内外关于这方面的研究相对较少,因此针对高温工况法兰密封性能变化的研究具有重要工程应用价值。本文通过实验和数值模拟的方法,对获得均匀螺栓载荷的预紧方法、高温法兰泄漏的原因以及垫片性能对法兰密封性能的影响进行了研究,提出了高温高压工况下改善法兰系统密封性能的方案。

主要研究内容及结论如下:

(1)建立了DN200法兰高温密封性能测试装置,并结合已有的DN100法兰常温测试装置进行了两种法兰规格下常温螺栓加载方式研究,对比了目前较为权威的两种常温螺栓加载方法ASME PCC-1(LEGACY)方法和JIS B2251方法的加载性能。结果表明,两种方法均能获得均匀的螺栓载荷,但是,当螺栓个数较多时,JIS B2251方法比ASME PCC-1(LEGACY)更加高效,且不易出错;研究发现,采用载荷渐增的全顺次加载方法能够有效降低螺栓载荷离散程度,获得均匀螺栓力。

(2)实验研究发现,采用柔性石墨缠绕垫片的DN200法兰接头常温预紧后向内壁施加压力时螺栓力降低,且降低的程度随压力(1.5MPa以下)增加而增大,泄压后螺栓力又几乎回到原来的水平。分析原因主要是由内压升高导致的法兰偏转、螺栓弯曲加剧造成的。

(3)实验研究发现,采用柔性石墨缠绕垫片的DN200法兰接头预紧后常压升温时螺栓载荷逐渐下降;先升压后升温时,内部介质压力随温度升高而增大,并成线性关系,螺栓载荷先降低后增大。

(4)建立了法兰高温密封性能有限元模拟模型,将数值模拟结果与实验结果对比发现两者吻合较好。采用数值模拟的方法研究了法兰升温速度对垫片应力变化的影响,指出在一定误差范围内用稳态热-结构耦合场分析代替瞬态热-结构耦合场分析的条件为法兰内壁的升温速度约低于6.8K/min。

(5)采用数值模拟的方法分析了法兰高温泄漏的原因并提出了系统密封性能改善方案,指出垫片宽度是影响升温后垫片应力变化以及法兰是否热紧的重要因素。

(6)采用数值模拟的方法对采用金属、半金属和非金属垫片的法兰连接系统的密封性能进行了分析,重点讨论了垫片的压缩回弹性能和热膨胀系数对高温密封性能的影响。结果表明,高温工况下,金属垫片一般不需要热紧;半金属垫片多数情况下需要热紧,但需要具体分析工况条件;非金属垫片中石棉橡胶垫片升温时垫片应力降低较大,不适合应用于高温工况,非石棉纤维垫片升温后弹性模量变大,高温密封性能优于石棉橡胶垫片,温度较低时不需要热紧。垫片的压缩回弹性能曲线左移(即升温后垫片变“硬”)、热膨胀系数与法兰和螺栓的热膨胀系数相近是升温后系统密封性能提高的两个重要因素。

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