固定管板式换热器法兰螺栓连接系统的预紧力计算方法验证及安全评价

摘要

在工业生产行业中，固定管板式换热器是最常见的设备之一，法兰螺栓连接结构是一种极其常用的密封连接结构。由于环境、温度、压力等不同工况的作用，该结构连接处很容易发生泄漏等故障，导致密封失效，进一步造成财产损失和人员伤亡，可以看出法兰螺栓的合理紧固对保证压力容器的安全运行起着至关重要作用。本文以兰州某石化企业提供的，管板兼做法兰的固定管板式换热器（氢预热器）法兰螺栓连接结构和参数作为研究对象，将有带有孔洞的管板视为实心金属平板（盲板法兰），运用EN13445附录G法兰设计的另一方法（以下简称EN法）法兰螺栓预紧力计算方法，计算该换热器法兰连接结构的螺栓预紧力，利用有限元分析软件ANSYS Workbench对管壳式换热器螺栓、法兰、垫片进行了模拟分析，验证预紧力计算方法的合理性。结合安全评价理论，对该结构进行失效分析和安全性评价并给出相应维护维修建议。 本文通过理论分析、数据计算、有限元仿真模拟与安全评价相结合的方法，对目标法兰螺栓结构的预紧力计算方法合理性进行验证，并对该法兰螺栓结构进行系统安全评价，旨在提高同类型结构的可靠性，并对其维护维修起到一定指导作用。 EN法是用于计算法兰—一个垫片—法兰的常规法兰垫片螺栓结构的方法，而本文的目标法兰是管板兼做法兰的一种非常规法兰螺栓结构。该结构中管板有换热管束穿过，其孔洞会降低管板强度，但管束、管板与折流板连接后对该法兰螺栓结构又起到固定作用。所以本文将管板视为一个金属平板（盲板法兰）结构，这样就认为螺栓不承受壳程的介质压力，最终将目标法兰结构视为标准长颈法兰—垫片—金属平板（盲板法兰）的法兰螺栓结构进行预紧力计算。 运用CAD Inventor软件进行模型构建，分别建立实际的法兰螺栓结构和管板等效成平板后的法兰螺栓结构。将计算出的螺栓预紧力施加到模型中通过ANSYS Workbench进行仿真模拟，得到的结果表明两种模型经过热-结构耦合场分析后温度及应力应变趋势大体相近，且其强度与密封性都能保证该法兰螺栓结构安全合理的运行。表明该类型固定管板式换热器的法兰螺栓结构是可以通过这种等效转化方式，运用EN法进行螺栓预紧力计算的。 对目标法兰螺栓结构进行失效事故分析，建立其失效事故树模型，运用层次分析法和专家打分法，定量计算各事件结构重要度并制作安全检查表。针对固定管板式换热器法兰螺栓连接处在运行中失效因素提出一定的安全维护建议。

目录

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外相关研究和成果

1.2.1 螺栓预紧力计算方法相关研究和成果

1.2.2 管壳式换热器相关研究和成果

1.2.3 法兰螺栓连接系统相关研究和成果

1.3 本文研究内容

第2章 法兰螺栓预紧力计算方法介绍及数值计算

2.1 EN13445附录G设计方法

2.2 螺栓预紧力的实例计算

2.3 本章小结

第3章 有限元的理论基础及模型的建立

3.1 有限元基础

3.1.1 有限单元法的提出和应用

3.1.2 有限单元法应用于法兰连接系统概况

3.1.3 有限元法的优越性

3.2 有限元软件ANSYS

3.3 法兰螺栓连接的三维有限元模型

3.3.1 几何模型的建立

3.3.2 材料物理特性参数

3.3.3 有限元模型的建立

3.3.4 网格划分

3.4 本章小结

第4章 法兰螺栓连接系统的有限元分析

4.1 法兰系统稳态温度场分析

4.1.1 接触关系

4.1.2 载荷与边界条件

4.1.3 法兰系统整体温度场分布

4.1.4 管板温度场分布

4.1.5 管程法兰温度场分布

4.1.6 螺栓和螺母温度分布

4.1.7 垫片温度分布

4.2 法兰系统热-结构耦合场分析

4.2.1 热-结构耦合

4.2.2 载荷及边界条件

4.2.3 热-结构耦合应力应变分析

4.3 本章小结

第5章 固定管板式换热器法兰螺栓连接系统失效分析与系统安全评价

5.1 法兰螺栓连接系统失效原因分析

5.2 安全评价方法介绍

5.2.1 分析评价方法介绍

5.2.2 系统安全评价方法选择

5.2.3 事故树分析评价

5.2.4 安全检查表法

5.2.5 层次分析法

5.3 法兰螺栓连接系统安全评价

5.3.1 管壳式换热器法兰螺栓连接系统失效事故树建立

5.3.2 层次分析法风险评价

5.3.3 各事件权重计算

5.3.4 风险因素安全检查表

5.3.5 风险因素安全检查表打分说明

5.4 本章小结

结论与展望

1.主要工作及结论

2.展望

参考文献

致谢

附录Ⅰ 专家打分表