文 献 综 述

1.1前言

随着化工行业的发展，压力容器被广泛的使用。压力容器的法兰接口用来对接其它设备，法兰密封面和密封槽的损坏直接影响压力容器的安全生产，所以法兰接口的密封性是每个压力容器都必须长期保证的。然而，压力容器在使用过程中，通常处于高温、高压的环境中，并且有些介质具有强腐蚀性，法兰面密封槽的工况环境更加恶劣，致使法兰面密封槽极易生成裂纹。为抑制裂纹的长大，定期对压力容器进行保养维护，并加以修复是非常有必要的，也是必须的。但压力容器一般体积大、重量重，用常规的机械加工设备修复无法就地加工，使压力容器的在线修复处理难度极大，而离线修复时，投入的人力、物力大，成本高，工期长，停产时间长，对生产影响大。

1.2顶推预紧螺母组件的优点

轻量化是实现”绿色制造”的重要手段，是现代工业与国防装备永恒的追求。轻量化有两个重点的内涵：第一，材质的轻量化，即采用轻质材料制造设备，如增强纤维树脂基的复合性材料；第二，结构的轻量化，即从结构的设计角度，通过优化结构的设计，提升承受载荷的效率，从而来完成轻量化[1]。

螺栓法兰接头在常规设计中，由于螺栓在安装时操作空间的限制，螺栓与螺栓之间的间距往往会比较大，从而导致螺栓孔的中心圆直径也必须增大，法兰外径也会相应增大[2]。同时，当螺栓的中心圆的直径增加时，在螺栓载荷恒定时，法兰的力矩就会增加，从而导致法兰厚度增加，为增加法兰连接接头的刚度，最终使得整个法兰的结构变得笨重，直接造成了材料的浪费 [3]。

顶推预紧螺母由于具有较小的操作空间(螺母间距为10mm即可满足操作空间要求)，图1-1为顶推预紧螺母组件装配示意图。因此，采用江苏格纳特连接系统有限公司的顶推预紧螺母组件进行螺栓法兰接头设计时，螺栓孔中心圆直径可以很大程度的减小，法兰外径相应也会减小。同时，由于螺栓孔中心圆直径的减小，当螺栓载荷一定时，法兰的力矩就会变小，从而导致法兰的厚度变小，最终会使法兰整体结构变得紧凑，因此可以大大节省材料[4]。

据统计，近90%的螺纹副失效都是由于初始预紧不当引起的，70%的螺栓断裂则是因为第一道螺纹应力的过于集中造成的[5]。针对大规格螺栓预紧时存在的问题，江苏格纳特连接系统有限公司研发推出的顶推螺母组件可以有效的解决此类问题。相同规格的主螺栓，由于顶推预紧螺母采用多级顶推的预紧原理，主螺栓螺纹牙的第一道应力可以有效的降低，并且分布均匀，从而增加主螺栓的使用寿命。

1.3螺栓法兰连接接头失效研究

螺栓法兰连接是压力容器中常用的零部件，不仅结构简单，而且装配拆卸方便[6]。它合理的设计，不但可以减小设备的成本和不必要的损失，而且可以让设备长期的、安稳的运行，甚至可以避免因为小小的以外而造成的重大事故和不必要的人员受伤和死亡。所以，对其失效的研究，有效的保证螺栓法兰在各种环境下正常工作。

导致螺栓法兰的泄漏通常由多种因素引起的，而且比较容易发生泄漏的部位是法兰接头，杜培德[7]通过对预紧工况和操作工况下的螺栓法兰连接接头进行分析发现，选取的压紧系数不同，所实现的预紧工况也不同，从而减小了法兰密封系统的泄露率。Buchter H.H. [8] 通过实验验证了压紧系数，得出的结论是，一般高压工况条件下，压紧系数在1.5-3.5之间。

孙世峰[9,10]分析了对外弯矩作用下的螺栓法兰连接，其运用的技术是数值模拟技术，并通过应力计算分析法兰的强度。得出了最容易发生应力失效的条件：操作工况下的局部薄膜。冯军军[11]运用同样的方法模拟了螺栓法兰连接系统的密封性能，结果发现，对垫圈的应力分布具有很大的影响：蠕变和外弯矩的增加，密封失效的原因，即是长期的高温蠕变所造成的垫圈接触的损失。

沈轶[12]进行了对螺栓法兰各组件的失效研究。得出了以下几个结论：1.螺栓载荷的大小、高温蠕变以及材料的脆性和疲劳，是影响螺栓失效的主要因素；2.垫片的主要失效形式：丧失回弹能力、蠕变松弛和材料的自己的压溃；3.法兰的失效形式：密封面泄漏和蠕变松弛。

Muhammad Abid 等[13，14]用三维有限元对法兰连接接头进行了分析，以此来研究在内压和稳定热载荷同时作用下系统的紧密性和完整性，最终确定了该螺栓法兰连接街头是具有安全操作的条件和实际的承载能力，并在进一步的分析过程中得出，螺栓法兰连接接头的内部介质不同，所产生的内部压力对螺栓法兰连接接头所造成的影响也不同。

T. Sawa、H. Kumano[15]分别对稳定状态下的热传递和瞬时状态下的热传递进行了数值模拟，以此来分析螺栓法兰连接系统的螺栓的轴向应力的差异和温度场分布的差异。得到的结果是，螺栓法兰连接接头的螺栓的轴向应力，在稳定状态下得到的结果比在瞬时状态下得到的结果相对较小。

1.4课题研究的国内外发展历程及现状

目前，压力容器的法兰面一但出现问题，国内修复压力容器法兰面密封槽所采用的方法基本是离线处理法，即将压力容器运回制造厂家用大型的落地锉床进行返修加工，运输的费用以及返修过程带来的停产，给压力容器使用厂家造成极大的经济损失。国内有些单位设计了修复法兰面的一些专用加工装置，对现有的机床进行改造来修复等。但都有一定的加工局限性，适用于一定的加工范围。运动链较多，手动调刀具，对于大型法兰的加工非常不便。

辽宁石油化工大学根据法兰类零件端面现场加工的要求[16]，提出了一种适合于现场加工使用要求的加工机设计方案。主要用于现场加工筒节端部各种形状的焊接坡口与端面，解决焊接时的开坡口与法兰密封面的重新加工问题。加工机分成动力站单元、动力罩单元、回转与变速单元、支撑夹紧单元[17]。加工机通过夹具体和卡头安装定位在工件上。采用低速大扭矩液压马达作为驱动元件马达带动一对锥齿轮旋转，其中大锥齿轮通过螺栓与回转身联为一体，从而使回转身围绕主轴旋转;主轴上有一个大齿轮，该大齿轮通过键与主轴联接，相对于工件静止不动。变速箱通过螺栓与回转身连接，与回转身一起围绕主轴旋转;变速箱中有一个齿轮与主轴上的大齿轮啮合，将动力传递到变速箱中;经过变速箱变速后，动力又通过齿轮传递到切削臂上的丝杠轴上;丝杠带动刀架沿工件径向方向运动，从而完成刀具的径向进给运动;通过刀架上的手动调节机构，实现刀具沿工件轴线方向的进给，完成一定量的切削深度控制[18]。

浙江工业大学研究设计了一台移动式加工机床，针对在现场施工和检修中加工管道、阀门、压力容器等设备的法兰面或端部[19]。该机床由主轴主传动部件、进给箱部件、转臂、刀架部件和机架固紧部件等四大部分组成。整个主轴主传动部件安装在机架紧固部件上，主轴相对被加工件静止，动力和运动由电机传至v带，再经蜗杆蜗轮传动，通过蜗轮座与转臂刀架部件的固联，将动力和运动传给转臂刀架部件及进给箱部件[20]。运动由进给箱的回转，带动各级齿轮转动，将运动传给转臂刀架部件中的丝杠和光杠，使刀架完成横向进给和纵向进给[21]。机架的紧固部件由加紧主件和调节找正附件组成，先利用调节找正附件加紧主件置于法兰内孔中进行调整，使其加紧主件轴心线与法兰内孔中心线尽可能重合，加紧主件由三个螺柱组成楔紧机构将其紧固于法兰内孔上[22]。

抚顺职业技术学院对加氢换热器的法兰密封面的修复问题进行研究[23]，利用D200落地车床。以车代锉进行法兰密封面的修复加工。改造重配} 2500mm卡盘，将该设备的加工能力扩大到加工直径为中2600mm，中心高为1320 mm。另外卡盘上设有可纵向、横向移动的刀架装置，该机床利用卡盘的旋转带动附加刀架来代替大型铿头使用，其加工直径可达} 2400mm[24]。且该设备有可移地平台，其加工长度可长达20m。将壳体组件放置于地平台上并固定，来修复加工法兰密封面[25]。对法兰密封面进行加工时小拖板的纵向移动可切深上刀，平面的加工用中拖板、卡盘旋转、手动均匀地摇动手把加工平面。

参考文献

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1.2顶推预紧螺母组件的优点

轻量化是实现”绿色制造”的重要手段，是现代工业与国防装备永恒的追求。轻量化有两个重点的内涵：第一，材质的轻量化，即采用轻质材料制造设备，如增强纤维树脂基的复合性材料；第二，结构的轻量化，即从结构的设计角度，通过优化结构的设计，提升承受载荷的效率，从而来完成轻量化[1]。

螺栓法兰接头在常规设计中，由于螺栓在安装时操作空间的限制，螺栓与螺栓之间的间距往往会比较大，从而导致螺栓孔的中心圆直径也必须增大，法兰外径也会相应增大[2]。同时，当螺栓的中心圆的直径增加时，在螺栓载荷恒定时，法兰的力矩就会增加，从而导致法兰厚度增加，为增加法兰连接接头的刚度，最终使得整个法兰的结构变得笨重，直接造成了材料的浪费 [3]。

顶推预紧螺母由于具有较小的操作空间(螺母间距为10mm即可满足操作空间要求)，图1-1为顶推预紧螺母组件装配示意图。因此，采用江苏格纳特连接系统有限公司的顶推预紧螺母组件进行螺栓法兰接头设计时，螺栓孔中心圆直径可以很大程度的减小，法兰外径相应也会减小。同时，由于螺栓孔中心圆直径的减小，当螺栓载荷一定时，法兰的力矩就会变小，从而导致法兰的厚度变小，最终会使法兰整体结构变得紧凑，因此可以大大节省材料[4]。