高温管道法兰连接的热紧方法研究

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螺栓-法兰连接系统在石油和化工行业应用十分广泛,且长期服役于高温工况。一方面,随着系统运行时间的延长,螺栓预紧力会逐渐降低,垫片回弹能力随之下降,这将对管道法兰接头的密封性能产生直接的影响,因为螺栓-法兰连接系统的密封性与螺栓预紧力施加给垫片剩余压力的大小息息相关;另外,随着系统温度的变化,螺栓的预紧力也会随着材料的弹性模量和热膨胀系数的变化而改变,从而对法兰密封性能产生一定的影响。目前,工程上主流方法是通过二次加载预紧力来补偿损失的预紧力。以此为依据,本文主要研究内容如下:(1)阐述了管法兰的设计方法、对比ASME PCC-1和HPIS Z103 TR。ASME PCC-1-2013和HPIS Z103 TR紧固螺栓方式相比较,ASME PCC-1-2013紧固过程分六个步骤加载预紧力,而HPIS Z103 TR则通过三个步骤加载。两个固紧方法中都要求在固紧后4 h后进行二次固紧。(2)搭建DN100、PN63螺栓-法兰平台,并分别研究在常温和100℃工况下,研究螺栓剩余预紧力的变化规律。以实验测得的35Cr Mo A材料的力学性能为依据,根据0.2-0.6倍屈服应力计算得到相应的扭矩值,通过扭矩扳手施加到螺栓,并采用动态信号测试分析系统搭配电阻应变片与压力传感器实时监测螺栓剩余预紧力。最终,实验测得常温工况下螺栓预紧力平均损失为40%;100℃工况下,螺栓预紧力损失为30%左右。(3)搭建DN100、PN63管法兰实验平台,采用聚四氟乙烯垫片,分别在80℃、150℃条件下对螺栓-法兰连接系统进行二次热紧的研究,通过实验数据得出,在初次预紧后2 h之内预紧力损失较大;在3-5 h之内预紧力损失趋于平稳;在80℃与150℃条件下,二次热紧能有效的预防螺栓预紧力的损失;值得注意的是,在相对高温的条件下,受垫片、螺栓、以及法兰材料性能随温度变化的影响,导致螺栓的剩余预紧力状况比较复杂;温度对剩余预紧力离散性很大,因此必须进行大量的试验,才能得出适合于工程实践的设计方案。(4)建立了螺栓法兰系统的三维稳态传热学模型,并对其进行热-结构耦合场的仿真分析,分析在特定温度的工况下,不同预紧力对系统密封性能的影响;此外,还探讨了螺栓-法兰连接系统是否需要进行二次热紧的问题进行研究。在有限元模拟温度为350℃,且螺栓施加的初始扭矩为0.6σs的剩余预紧力条件下,对法兰接头各危险截面进行线性化处理后进行评定。模拟结果显示,法兰系统的各部位均满足强度评定要求;且在目标温度为350℃、400℃、450℃、500℃,且螺栓施加的初始扭矩为0.4σs剩余预紧力条件下,垫片金属骨架不会被压溃,且满足系统密封要求。
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