八角垫法兰连接系统密封性能评价及失效分析

摘要

八角垫因其密封效果好，使用范围宽，特别适合于高温、载荷波动剧烈及有腐蚀性介质存在的场合，在炼油及加氢设备中使用极为普遍。但八角垫法兰连接系统在实际工程应用中依然存在密封失效问题，这是由于目前对工程应用中密封失效机理的研究还不够深入，同时提出的密封评价方法在应用上缺少便捷性和系统性，而不能从根本上防止密封失效的发生。因此，本文以八角垫法兰连接系统为研究对象，对法兰连接密封评价方法和密封失效机理进行深入研究，主要工作及研究结果如下：
　　（1）通过对GB150和EN13445规范中八角垫密封设计方法的对比分析，从中归纳出基于垫片压紧力的密封性能评价准则，提出了一种利用数值计算对八角垫法兰接头密封性能进行评价的方法。该密封评价方法可以对在役法兰接头密封性能进行评定并对其在特定工况下是否会发生密封失效进行预测，还可以为其它垫片设计和使用提供借鉴。
　　（2）借助有限元软件分别建立了八角垫法兰连接装置结构分析有限元模型和热分析有限元模型，通过理论计算及文献对照的方法验证了有限元模型的可靠性，并探讨了螺栓孔空气层的有效建模方法。
　　（3）仅考虑内压工况的数值计算结果表明，介质压力是否加载在八角垫内侧承压面上引起的八角垫密封面的接触压力变化很小，变化数值不超过接触压力数值的3%，可知八角垫的内压自紧作用并不能有效提升八角垫的密封性能。
　　（4）通过对法兰连接系统包含开车、稳定运行、停车的完整工作周期进行模拟，分析了引起八角垫法兰连接系统密封失效的原因。结果表明，垫片发生的塑性区域的扩大及垫片与法兰梯形槽在密封面处发生的相对滑移是引起法兰接头在停车阶段发生密封失效的两个重要因素。
　　（5）通过对温度波动工况下的八角垫密封系统进行模拟，研究了螺栓温度滞后对密封过程产生的影响。结果表明，温度滞后现象会对法兰接头升温和降温过程产生不同的影响，尤其是会引起在降温阶段法兰与垫片间配合的松弛而导致密封失效。因此在实际使用中应尽可能避免温度的快速波动，若温度波动发生了，在降温阶段应根据实际情况减小降温速率以减少由于滞后性引起的垫片压紧力的降低。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景

1.2 八角垫密封法兰连接系统简介

1.3 八角垫法兰连接系统密封性能研究进展

1.4 我国八角垫密封连接相关标准简介

1.5 问题提出及本文研究内容

2 八角垫密封性能评价及其基于数值计算的实现

2.1 GB150标准中八角垫密封设计方法

2.2 PVRC设计方法中八角垫密封设计方法

2.3 EN13445标准中八角垫法兰密封设计方法

2.4 法兰接头密封性能评价准则

2.5 基于数值计算的法兰密封性能评价方法

2.6 小节

3 基于有限元结构静力计算的八角垫常温密封性能分析

3.1 八角垫密封面接触压力理论分析

3.2 数值模型建立

3.3 有限元计算结果

3.4 八角垫法兰接头密封性能分析

3.5 小节

4 基于有限元热力耦合计算的八角垫高温动态密封过程分析

4.1 八角垫法兰连接动态密封失效问题

4.2 数值模型建立

4.3 完整工作周期密封失效分析

4.4 温度波动中升温速率对密封性能的影响

4.5 温度波动中降温速率对密封性能的影响

4.6 材料线膨胀系数对垫片密封行为影响性分析

4.7 小结

5 结论与展望

5.1 成果总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢