【摘要】：足量、均勻的螺栓載荷是實(shí)現(xiàn)法蘭螺栓接頭有效密封的關(guān)鍵�，F(xiàn)有的工業(yè)中應(yīng)用的閘閥中法蘭螺栓的研究還無(wú)法完全理解其結(jié)構(gòu)在常溫預(yù)緊后長(zhǎng)期高溫作用下的螺栓載荷不足、墊片失效、法蘭偏轉(zhuǎn)過(guò)大等密封泄漏問(wèn)題。針對(duì)此類問(wèn)題,搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)研究了常溫預(yù)緊及升壓升溫過(guò)程螺栓載荷變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上結(jié)合有限元方法對(duì)不同壓力的作用效果及熱緊操作對(duì)原有密封性能影響進(jìn)行了分析。探討了長(zhǎng)時(shí)間作用下接頭各組件的力學(xué)行為變化,并建立了預(yù)測(cè)系統(tǒng)。本文的主要工作如下:(1)建立了某企業(yè)4Z6AA22P(S)型閘閥十螺栓法蘭接頭常溫預(yù)緊實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)比分析了ASME PCC-1-2013及JIS B 2251標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的螺栓加載方式下的螺栓載荷分布,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ASME PCC-1-2013及JIS B 2251預(yù)緊標(biāo)準(zhǔn)均能獲得接近預(yù)期目標(biāo)載荷70%左右的平均載荷。JIS B 2251螺栓預(yù)緊標(biāo)準(zhǔn)獲得載荷的足量度與均勻度更好,加載時(shí)螺栓不需編號(hào),但加載過(guò)程費(fèi)力�；趶椥越换プ饔脵C(jī)理,提出了四參數(shù)法優(yōu)化加載方式,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,四參數(shù)法可以有效減弱加載過(guò)程中的彈性交互作用,以較少的輪次獲得足量度與均勻度極佳的接近目標(biāo)載荷的實(shí)際螺栓載荷,但計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜,需預(yù)先確定。(2)建立了高溫閘閥螺栓載荷變化測(cè)量裝置,采用全模型外部加熱方式,實(shí)驗(yàn)研究了一次及二次升降溫過(guò)程螺栓載荷變化規(guī)律。結(jié)果表明,溫度升高至723K時(shí),相較于初始預(yù)緊狀態(tài),螺栓平均載荷下降幅度超過(guò)40%。受墊片壓縮回彈性能、各組件材料熱膨脹系數(shù)影響,螺栓載荷在升降溫過(guò)程會(huì)出現(xiàn)降增、升減等交替回彈現(xiàn)象。引入壓力源,繼而分析了壓力對(duì)溫度場(chǎng)中螺栓的作用效果。結(jié)果指出,內(nèi)部沖壓引起的閥體端部拉應(yīng)力降低了法蘭受熱熱應(yīng)力產(chǎn)生的變形偏轉(zhuǎn)影響,壓力的介入對(duì)螺栓載荷的下降有抑制作用。但研究同時(shí)表明,此閘閥結(jié)構(gòu)3 MPa壓力723 K溫度工況升壓升溫過(guò)程中,溫度仍是對(duì)螺栓載荷的變化起主導(dǎo)作用。(3)基于閘閥物理幾何結(jié)構(gòu)及傳熱學(xué)理論,建立了高溫閘閥熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型。模擬研究了0~4 MPa及288~873 K工況下螺栓載荷、墊片應(yīng)力及法蘭偏轉(zhuǎn)的變化規(guī)律。結(jié)果表明,螺栓載荷隨溫度變化的趨勢(shì)受壓力大小影響,不同壓力下具有明顯的螺栓載荷快速下降溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。墊片性能同步于變形協(xié)調(diào)反應(yīng),墊片應(yīng)力延環(huán)向自內(nèi)至外逐漸增大,最小墊片應(yīng)力在極限狀態(tài)均能滿足密封需要。法蘭最大偏轉(zhuǎn)情況在升溫過(guò)程中由中法蘭上側(cè)轉(zhuǎn)移到下側(cè),隨后不斷增大。(4)基于螺栓載荷的升溫下降現(xiàn)象,進(jìn)行了673 K溫度下各個(gè)螺栓的熱緊操作模擬分析。對(duì)比研究了不同熱緊載荷及加載方式下螺栓載荷足量度與均勻性改變情況。結(jié)果表明,相同預(yù)緊載荷下,交叉加載相較于順次加載,二者的足量度較為接近,但交叉加載造成的載荷不均勻程度呈數(shù)倍增加。預(yù)緊載荷在由0.8F_0增加至1.2F_0過(guò)程中,載荷足量度有所增加但不明顯,研究指出,一輪熱緊中,采用接近目標(biāo)載荷的熱緊力及順次加載方式能得到更好的密封效果。(5)以熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型為基礎(chǔ),模擬建立了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程閘閥法蘭接頭密封性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)。具體分析了10000 h運(yùn)行時(shí)間、2 MPa工作壓力及823 K工作溫度下各組件的蠕變變化規(guī)律。結(jié)果表明,螺栓載荷在運(yùn)行初期前2000 h內(nèi)呈指數(shù)狀下降,此時(shí)發(fā)生泄漏主要由載荷下降過(guò)度導(dǎo)致墊片應(yīng)力過(guò)低引起。在后續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中,墊片會(huì)出現(xiàn)多處愈加明顯的集中應(yīng)力區(qū)域。而閥體本身會(huì)由于熱應(yīng)力影響發(fā)生應(yīng)力重整現(xiàn)象,因此,在設(shè)計(jì)、運(yùn)行階段,分別要對(duì)閥體本身材料及螺栓墊片性能進(jìn)行額外關(guān)注。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH131.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2753738