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螺栓法蘭密封結構優化預緊施工方案
適量且均勻的螺栓預緊載荷對螺栓法蘭系統密封性能有至關重要的影響。本文通過實驗和數值模擬方法,研究彈性交互作用在法蘭螺栓預緊施工過程中的作用機理和規律,在此基礎上開發螺栓法蘭密封結構優化預緊施工方案設計方法,為實際工程中的密封系統施工與操作提供一定的參考和依據。
主要工作和結論如下：
1)建立了螺栓法蘭密封結構綜合性能測試裝置,能夠在線測量預緊施工過程中螺栓載荷的變化情況,并獲得相應的泄漏率數值。為研究彈性交互作用在預緊施工中的作用規律提供可行的方法。
2)針對交叉、順次兩種加載方案,實驗研究了彈性交互作用的作用規律,根據作用機理將其分為正作用與負作用。考察了墊片剛度、加載增量、加載順序對以上兩種作用的影響。研究發現,順次加載中的正作用效果強于交叉加載,而負作用效果在兩種加載順序下相同；隨著加載增量的減小和墊片剛度的增加,正、負作用效果均會減弱。
3)建立螺栓法蘭密封結構預緊施工過程有限元模型,并對比實驗結果驗證了模型的合理性。研究發現：
螺栓加載對法蘭整體變形的影響很小,負作用只影響至相鄰螺栓。隨著法蘭公稱直徑、螺栓數目的增加,正作用效果不變,而負作用效果增強。預緊后螺栓載荷分布狀態由負作用次數分布決定,螺栓受負作用次數越多載荷越小。
在墊片應力方面,相同條件下,聚四氟乙烯復合墊相比石墨填充金屬纏繞墊,其墊片應力更加均勻,但應力水平較低。還發現墊片應力分布主要是由螺栓載荷的分布狀態決定。因此,在交叉、順次加載方案下,都會產生墊片應力低值點。
4)基于實驗和數值模擬結果提出以載荷增量定義的彈性交互作用系數。并發現負作用系數在預緊施工過程中為一確定常數。據此開發了以彈性交互作用系數法為基礎的螺栓加載載荷修正式計算方法。通過對螺栓施加修正后的載荷抵消負作用。并采用交叉-順次混合加載方案弱化正作用。同時提出了多輪預緊施工過程中,各輪螺栓加載目標載荷的確定判據。至此,建立了完整的螺栓法蘭密封結構優化預緊施工方案設計方法。
5)采用實驗和數值模擬方法對優化預緊施工方案進行效果評估,對比發現,優化方案中各輪螺栓平均載荷均高于目標載荷,并能夠保持較低的螺栓載荷離散度,因此會產生更加均勻且足值的墊片應力分布。同時,對于不同公稱直徑、螺栓數目的法蘭,該優化方案均可獲得均勻且足值的螺栓載荷與墊片應力。 |
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