高温及温度波动下止回阀中法兰密封性能研究

摘要

在工程实际中，止回阀常在高温及温度波动工况下使用，导致其中法兰密封失效问题频发。而目前对引起中法兰密封失效因素的研究较少且不够深入。针对此现象，本文深入研究了高温及温度波动工况下，中法兰垫片密封性能及各元件力学行为的变化。主要工作如下：　　（1）利用有限元模拟研究了预紧及不同内压操作工况下中法兰的密封性能。结果表明：随着介质压力的上升法兰环上应力、偏转量逐渐增加，垫片应力下降且呈现“外紧内松”现象，导致法兰密封性能下降。　　（2）以稳态温度场与热—结构耦合为基础，研究了高温工况下法兰接头力学行为的变化。结果表明：高温会造成法兰环应力、变形增大，垫片应力下降。综合可知高温下法兰密封性能下降。　　（3）以瞬态温度场与热—结构耦合为基础，研究了不同升温速度对垫片密封性的影响。结果表明：温度升高越快，垫片应力下降越快，变形量增加越快，密封性能则大大降低。采用瞬态温度场对温度波动工况进行了研究。结果表明，温度波动会导致垫片内外侧变形增大而应力减小，垫片密封受到不可逆转的破坏。　　（4）利用正交试验方法，研究螺栓预紧力、温度、压力等三种因素对柔性石墨缠绕垫片与金属齿形垫片密封性的影响。试验结果表明：对于柔性石墨缠绕垫片，三种因素的影响程度由大到小为：螺栓预紧力>压力>温度；而对于金属齿形垫片，三种因素的影响程度由大到小为：螺栓预紧力>温度>压力。　　（5）基于正交试验结果对止回阀中法兰垫片进行优选，并通过模拟分析对比柔性石墨缠绕垫片与金属齿形垫片密封性能的优劣。结果表明：金属齿形垫片可在较大螺栓预紧力范围下使用，相比之下，柔性石墨缠绕垫片使用范围明显较小。若安装条件苛刻，推荐使用金属齿形垫片，可降低螺栓安装难度。同时对比了两种垫片对压力波动的承受能力，结果表明：金属齿形垫片更适用于压力波动工况，故将该止回阀中法兰垫片更换为金属齿形垫片，能进一步提高中法兰的密封性能。

目录

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 止回阀中法兰密封系统研究现状

1.2.1 密封设计理论研究现状

1.2.2 密封数值模拟研究现状

1.3 课题研究内容与技术路线

第2章 止回阀中法兰设计工况密封研究

2.1 止回阀中法兰有限元分析前处理

2.1.1 中法兰几何模型及三维模型建立

2.1.2 材料参数

2.1.3 单元类型选取

2.1.4 网格划分

2.1.5 载荷与边界条件

2.2 有限元计算结果与分析

2.2.1 评定准则

2.2.2 预紧工况下的数值分析

2.2.3 承压工况下的数值分析

2.3 本章小结

第3章 高温止回阀中法兰稳态温度场密封研究

3.1 止回阀中法兰稳态温度场建立

3.1.1 传热模型建立

3.1.2 载荷及边界条件的设定

3.2 稳态温度场模拟结果及分析

3.2.1 中法兰温度场分析

3.2.2 垫片温度场分析

3.2.3 螺母、螺栓温度场分析

3.3 热—结构耦合模拟结果及分析

3.3.1 法兰环刚度分析

3.3.2 垫片数值分析

3.4 本章小结

第4章 止回阀中法兰瞬态温度波动密封研究

4.1 瞬态温度场基本理论及介绍

4.1.1 瞬态基本理论及密封特点

4.1.2 瞬态温度场介绍

4.2 瞬态温度场及热—结构耦合分析

4.2.1 载荷及边界条件

4.2.2 不同瞬态升温速度温度场分析

4.2.3 两种不同升温速度下垫片数值分析及对比

4.3 温度波动工况下垫片数值模拟

4.3.1 载荷及边界条件

4.3.2 垫片温度场分析

4.3.3 垫片热—结构耦合分析

4.4 本章小节

第5章 止回阀中法兰垫片优选及垫片密封影响因素正交试验

5.1 高温工况下止回阀中法兰垫片优选及基本性能对比

5.1.1 柔性石墨缠绕垫片

5.1.2 金属齿形垫片

5.1.3 柔性石墨缠绕垫片与金属齿形垫片性能对比

5.2 两种垫片密封影响因素正交试验及对比

5.2.1 正交试验设计

5.2.2 两种垫片正交试验结果及分析

5.3 两种垫片在高温工况下可承受的预紧力范围模拟对比

5.3.1 金属齿形垫片数值模拟

5.3.2 柔性石墨缠绕垫片数值模拟

5.3.3 数值模拟对比

5.4 高温压力波动下两种垫片密封性模拟对比

5.5 本章小节

结论与展望

1.结论

2.展望

参考文献

致谢