螺栓法兰连接系统中金属齿型组合垫片压缩回弹性能研究

摘要

垫片是法兰连接系统的核心元件，其力学性能对法兰系统密封性能的影响很大。压缩回弹性能是垫片主要力学性能，影响法兰密封的可靠性。目前，具有非金属覆盖层齿形组合垫片在石油化工等行业中已经得到了广泛使用，但对其力学行为的研究有限，有必要展开对金属齿形组合垫片的压缩回弹性能的研究。 首先，采用试验方法研究四种不锈钢骨架材料（304、304L、316、316L）和两种非金属覆盖层（柔性石墨和聚四氟乙烯）组合而成的金属齿形垫片压缩回弹性能，设计了常温循环加、卸载和重复加、卸载两种加载方式。试验研究表明：压缩率由大到小的金属骨架材料依次为：304L，304，316L，316；垫片的回弹率由大到小的金属骨架材料依次为316，316L，304，304L；柔性石墨组合垫片压缩率较聚四氟乙烯组合垫片的大；304和304L骨架柔性石墨组合垫片回弹率较聚四氟乙烯组合垫片的小，316和316L骨架柔性石墨组合垫片的回弹率较聚四氟乙烯组合垫片的大。循环加、卸载与直接加载至设计载荷试验结果比较，两种方法所得垫片压缩率和回弹率基本一致。对垫片重复加、卸载试验发现，垫片的压缩率随着试验次数增加而减小，而回弹率增加，但增加或减小的趋势都较为平缓。 对四种不锈钢骨架材料柔性石墨齿形组合垫片进行压缩回弹性能有限元模拟。模拟结果与常温试验条件下的压缩回弹性能变化趋势具有高度一致性；模拟高温环境下四种不锈钢骨架材料垫片压缩回弹性能，差异很大。316垫片压缩回弹性能最好，其次为304垫片，304L垫片与316L垫片在高温条件下力学性能较差。 螺栓预紧力和介质压力固定不变，数值模拟高温条件下四种不锈钢骨架材料柔性石墨组合垫片应力变化。垫片应力沿周向分布比较均匀，沿径向由内侧向外侧逐渐增加；垫片压缩回弹性能的好坏直接影响垫片表面应力分布的均匀程度。316垫片因具有良好的压缩回弹性能，垫片表面应力分布更加均匀，与其他三种不锈钢材料相比，有效密封面积更大，且随着环境温度的增加，316垫片内、外侧应力衰减程度小。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 垫片相关标准及规范研究进展

1.2.2 垫片相关性能研究进展

1.3 研究目标和内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

第2章 金属齿形组合垫片常温压缩回弹性能试验

2.1 金属齿形组合垫片

2.2 试验方法

2.2.1 试验装置

2.2.2 试验垫片

2.2.3 试验条件确定

2.2.4 试验步骤

2.3 试验结果处理及分析

2.4 本章小结

第3章 金属齿形组合垫片压缩回弹性能数值模拟

3.1 数值模拟方法选用

3.2 柔性石墨金属齿形垫片有限元模型建立

3.2.1 模型建立

3.2.2 材料属性定义

3.2.3 接触设置

3.2.4 单元类型及网格划分

3.2.5 载荷及约束条件

3.2.7 后处理

3.3 模拟结果及分析

3.3.1 常温下柔性石墨组合垫片压缩回弹性能研究

3.3.2 不同温度下垫片压缩回弹性能模拟结果分析

3.3.3 柔性石墨齿形组合垫的应力分析

3.4 本章小结

第4章 垫片压缩回弹性能对垫片应力分布的影响

4.1 螺栓法兰的几何尺寸及材料性质

4.1.1 法兰接头连接件的结构

4.1.2 模型的材料性能参数

4.1.3 螺栓预紧力的计算

4.2 法兰接头有限元模型的建立

4.3 计算结果及分析

4.4 本章小结

结论与展望

结论

1.本文完成的主要工作

2.主要结论

展望

参考文献

致谢

附录Ⅰ 攻读硕士学位期间所发表的学术论文