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换热器是石油、化工、动力、食品、轻工、制药及其它众多工业部门广泛使用的一种通用设备，而且也是极易发生内部介质泄漏的设备之一。特别是当换热器壳体上的法兰-管板或接管与壳体连接处长期处于高温环境下工作或受到温度和压力波动时，由于螺栓和垫片等部件产生蠕变或塑性变形，导致螺栓预紧载荷降低。当预紧载荷降低到一定程度时，就会发生泄漏。因此，研究换热器法兰-管板连接系统的密封行为具有十分重要的理论意义和工程价值。对于本文所研究的换热器，采用在螺母和法兰之间设置碟形弹簧，以有效地补偿螺栓预紧载荷，解决了换热器的高温泄漏问题。作者采用二维有限元分析方法对单片碟形弹簧进行了数值模拟，分析了碟形弹簧的载荷-位移特性；采用三维有限元分析方法对换热器法兰-管板连接系统进行了模拟，并分析了设置碟形弹簧后的法兰-管板连接系统的特性。主要工作和研究成果如下：
1.对法兰连接用碟形弹簧进行单片研究。首先，基于螺栓连接的载荷变形图，分析了碟形弹簧补偿螺栓预紧载荷的原理。分析得出：设置碟形弹簧后对补偿螺栓预紧载荷的损失，维持螺栓连接的密封起到了积极的作用。其次，比较碟形弹簧的理论计算方法，表明一般的计算方法已经不再适用于法兰连接用碟形弹簧的理论计算。最后，通过二维有限元分析模拟了在不计摩擦和计及摩擦的情况下，法兰连接用碟形弹簧的载荷-位移特性，并与实验结果进行了比较。研究还表明摩擦力对碟形弹簧的载荷-位移特性有较大的影响。
2.采用等效刚度法计算螺栓-碟形弹簧的系统的刚度，建立了法兰-管板连接系统的三维有限元模型，计算了在预紧和内压载荷工况下，换热器管程和壳程侧的螺栓应力、垫片接触应力的数值和分布状况，并与不设碟形弹簧的法兰-管板连接系统进行了比较分析。
3.通过三维有限元分析模拟了法兰-管板连接系统的稳态温度场分布，分别计算了管程和壳程侧法兰、螺栓及垫片的温度场分布状态。计算结果与现场实测数据吻合较好，为后续的结构-热的耦合场分析奠定基础。
4.在计算压力载荷的基础上导入温度载荷，按照预紧、升压、升温的载荷步骤，对法兰-管板连接系统进行热与结构的耦合分析，并在假定不同的垫片减薄量之后，分析设置与不设碟形弹簧前后的垫片应力数值和分布状况，以及对系统泄漏的影响。分析表明，设置碟形弹簧能有效地保持垫片的工作应力，提高换热器法兰-管板系统的密封可靠性。