锁环式天然气过滤器快开盲板结构分析与改进

摘要

为缓解能源危机和环境污染问题，我国正在大力发展新能源领域，天然气输送管道建设就是其中重要项目之一。过滤器是天然气输送管道上的必要装置，而快开盲板结构则是过滤器装置上的重要组成部分。随着“西气东输”三线、四线工程的相继动工，国内对于能够满足大直径、高压力设计要求的天然气过滤器快开盲板结构的需求量将越来越大。然而，目前此类产品还主要依赖国外进口，价格昂贵且供货周期长。因此，国内开始着力于天然气过滤器快开盲板结构的国产化研制。本论文就是针对国内某大型高压快开盲板国产化研制项目要求，在前期开发研制的基础上，对涉及的新型锁环式快开盲板结构进行了深入的分析与结构改进研究。具体研究内容如下:
　　首先，对新近开发的浮动式鞍形橡胶密封圈结构提出一种改进的新型防挤出外嵌金属环鞍形密封圈结构，在保证鞍形橡胶密封圈浮动特性的前提下能更有效防止橡胶圈材料在密封面间隙部位的挤出变形及失效问题。利用有限元软件ABAQUS对该新型密封圈结构进行了仿真分析，具体研究了其密封性能、浮动功能和防止橡胶挤出特性，得到了合理的结构设计参数。
　　其次，根据国内相关标准对压力容器快开结构安全联锁装置的要求，提出了一种新型锁环式快开盲板一体式安全联锁装置设计，具有结构紧凑、联锁功能设计合理可靠的优点。论文完成了新型安全联锁装置的结构设计，并利用ANSYS软件进行了有限元分析。该设计已获得国家专利。
　　另外，由于大直径快开盲板内部是易燃易爆天然气介质及承受高压作用等苛刻使用条件，所以有必要进一步从结构可靠性方面进行全面安全分析，论文在结构的防脆断设计方面，利用ABAQUS软件对该结构危险部位假想存在的环向裂纹应力强度因子及影响因素进行求解和分析，旨在为结构尺寸进一步改进提供一定参考。
　　同时，论文以我国“西气东输”工程拟开发的设计参数为内径62英寸、设计压力12.6 MPa大型高压天然气过滤器快开盲板设计为例，完成了基于上述新型防挤出鞍形密封圈结构和新型一体化安全联锁装置的具体工程应用设计、结构分析和强度计算。并参照JB4732-1995的规定，利用有限元软件ANSYS Workbench完成了基于应力分类的结构强度评定和疲劳评定等。
　　最后，为更好地实现系列化设计，论文基于Visual Basic.NET平台开发了适用于新型锁环式天然气过滤器快开盲板结构的参数化设计软件。软件实现了对ANSYS、Excel、AutoCAD的二次开发，具有常规设计、有限元分析、自动生成计算书和图纸等多项功能。本软件可大大提高设计效率，具有工程实际意义。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究背景

1．2 快开盲板结构概述

1．2．1 快开盲板结构的基本要求

1．2．2 天然气过滤器快开盲板结构研制与应用技术条件

1．3 天然气过滤器快开盲板结构应用现状及研究进展

1．3．1 国内外应用现状

1．3．2 锁环式快开盲板国产化及创新设计研究进展

1．4 课题研究的目的和意义

1．5 本论文主要研究内容

第二章 防挤出外嵌金属环式鞍形橡胶密封圈结构设计及分析

2．1 现有天然气过滤器快开盲板密封圈结构应用现状

2．1．1 GD型快开盲板“C”形密封圈结构

2．1．2 PT型快开盲板“U”形密封圈结构

2．1．3 KEMLOCK型快开盲板双“O”形环密封圈结构

2．1．4 国产快开盲板内嵌弹簧鞍形橡胶密封圈结构

2．1．5 密封圈结构对比

2．2 防挤出外嵌金属环鞍形橡胶密封圈结构设计

2．3 橡胶密封圈有限元分析概述

2．3．1 橡胶密封圈的特性

2．3．2 橡胶密封圈密封性能判据

2．4 防挤出外嵌金属环式鞍形橡胶密封圈的有限元分析

2．4．1 有限元模型

2．4．2 有限元结果分析

2．5 各参数对防挤出外嵌金属环式鞍形橡胶密封圈性能的影响

2．5．1 外嵌金属环宽度对密封圈性能的影响

2．5．2 安装间隙对密封圈性能的影响

2．6 不同结构密封圈性能比较分析

2．6．1 橡胶材料挤出情况比较

2．6．2 局部应力分布比较

2．7 本章小结

第三章 新型一体式安全联锁装置的设计及分析

3．1 安全联锁装置概述

3．1．1 安全联锁装置分类

3．1．2 国内外法规对快开盲板安全联锁装置的要求

3．1．3 现有国产快开盲板结构安全联锁装置

3．2 新型一体式安全联锁装置结构设计

3．2．1 总体结构设计说明

3．2．2 弹簧的设计选型

3．3 新型一体式安全联锁装置工作原理

3．4 新型一体式安全联锁装置的有限元分析

3．5 本章小结

第四章 锁环式快开盲板结构环向裂纹应力强度因子研究

4．1 应力强度因子概述

4．1．1 断裂力学的产生

4．1．2 线弹性断裂力学的基本理论

4．1．3 应力强度因子的计算方法

4．2 锁环式快开盲板结构环向裂纹应力强度因子的数值模拟

4．2．1 含裂纹的快开盲板结构简化几何模型

4．2．2 基于有限元软件ABAQUS求解应力强度因子

4．3 有限元计算结果分析各参数对应力强度因子的影响规律

4．3．1 筒体端部法兰尺寸T对应力强度因子的影响规律

4．3．2 筒体端部法兰尺寸h对应力强度因子的影响规律

4．3．3 筒体壁厚t对应力强度因子的影响规律

4．3．4 锁环槽圆角半径R对应力强度因子的影响规律

4．3．5 裂纹长度a对应力强度因子的影响规律

4．4 本章小结

第五章 新型锁环式快开盲板结构工程实例计算

5．1 工程实例的设计条件

5．2 工程实例的力学模型和强度计算

5．2．1 门盖的强度计算及校核方法

5．2．2 锁环的强度计算及校核方法

5．2．3 筒体端部法兰的强度计算及校核方法

5．2．4 工程实例的设计计算说明

5．3 工程实例的有限元分析

5．3．1 设计工况下的有限元分析

5．3．2 水压试验工况下的有限元分析

5．3．3 疲劳强度评定

5．4 本章小结

第六章 新型锁环式快开盲板结构参数化设计软件的开发

6．1 参数化设计软件开发背景

6．2 软件编制原理

6．2．1 常规设计编制原理

6．2．2 基于VB．NET的ANSYS二次开发

6．2．3 基于VB．NET的Excel二次开发

6．2．4 基于VB．NET的AutoCAD二次开发

6．3 中文版软件界面及使用方法介绍

6．3．1 文件操作及相关设置

6．3．2 输入数据

6．3．3 常规设计

6．3．4 有限元分析

6．3．5 形成计算书和图纸

6．4 英文版软件简介

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 本论文的主要结论

7．2 对本研究的展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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