摘 要

在流体物料输送管道连接中，法兰起着至关重要的作用。一个法兰连接件的性能的主要特征在于其连接强度和密封能力。对于一些高压管道或设备连接管道，如压力高于10MPa的管道或设备连接中的法兰，相较于普通管道中使用的法兰，对强度和密封能力有更高的要求。不同于传统高压法兰所有拉力仅靠螺栓来承受，新型的高压自紧式法兰自紧密封不仅改善了体积庞大，安装定位，密封性能不稳定等缺点，而且还能加固管道，极大的加强了连接部位的整体强度。

为了分析高压自紧式法兰在内部压力、稳态热负荷组合作用下基本的连接特性，连接强度和密封能力，本研究利用ANSYS Workbench商业软件对高压密封法兰连接件的初始模型和改进优化模型进行了三维有限元分析，模拟分析了不同工况下的法兰连接件的应力、应变状况。模拟研究结果表明，设计的法兰模型基本满足设计要求，改进型高压法兰的受力更均匀，密封效果更好。

关键词：密封法兰；管道连接性能；高压；ANSYS；应力和应变

Abstract

In the fluid materials pipeline connections, flanges plays a vital role. A major feature of the performance of the flange connections and sealing strength lies in its ability to connect. For some high-pressure pipe connected to piping or equipment, such as the pressure is higher than 10MPa of piping or equipment connected to the flanges, pipes used in ordinary compared to, for strength and sealing ability have higher requirements. Unlike traditional high pressure flange bolts to bear alone all the tension, the new high-pressure self-tight flange tightly sealed since not only improved the bulky, installation location, the sealing performance of instability and other shortcomings, but also reinforced pipes, great enhance the overall strength of the connecting section.

In order to analyze the high-pressure self-tight flange under internal pressure, the combined effect of steady-state thermal load basic connectivity features, strength and sealing capacity of the connection, the present study, ANSYS Workbench commercial software for high pressure sealing flange connections and improved optimization of the initial model model three-dimensional finite element analysis, stress analysis simulation under different conditions flange connections and strain condition. Simulation results show that the flange of the basic model designed to meet the design requirements, improved high-pressure flange force more uniform, better sealing effect.

Keyword：sealing flange joint；Pipe joints characteristics；High internal pressure；ANSYS； Stress and strain

目 录

摘 要 III

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 高压法兰的结构与优势 2

1.3 高压法兰的研究现状及发展趋势 4

1.4 CAE的应用与发展现状 6

1.5 本课题的研究目的、意义与主要研究内容 7

1.5.1 研究目的和意义 7

1.5.2 主要研究内容 7

第二章 高压自紧式法兰的技术要求与模拟理论 9

2.1 高压自紧式法兰的技术要求 9

2.1.1 材料成分 9

2.1.2 工作条件 10

2.2 模拟理论 10

2.2.1 静力分析原理 10

2.2.2 材料参数 11

2.2.3 装配体的接触类型 12

2.2.4 螺栓预紧力 13

2.2.5 分析结果依据 14

第三章 实验技术方案、模拟结果与分析 16

3.1 原模型的模拟分析 16

3.1.1 建立模型并导入 16

3.1.2 设置材料参数 17

3.1.3 设置接触 20

3.1.4 划分网络 21

3.1.5设置温度条件 21

3.1.6 施加载荷与约束 22

3.1.7 结果后处理 24

3.2 结构改进优化后的模型分析 26

3.2.1 结构优化后等效应力分布 26

3.2.2 不同温度下等效应力应变分布 27

第四章 结论 30

参考文献 31

致 谢 33

第一章 绪论

1.1 研究背景

高压法兰在高压流体物料输送管道连接中有着十分广泛的应用。高压法兰是管道压力高于10MPa时连接的法兰。广泛应用在石油化工，工业煤气生产等重工业领域，现在关于高压流体的输送管道连接主要的内容是开发高性能、低成本的高压自紧式法兰。步入二十一世纪以来，大型化，高参数的现代工业设备应用越来越普遍，为保证设备安全有效的长久的使用，需要对各装置的密封能力有所要求，尤其对是在高压下工作的流体管道连接系统的可靠性提出了越来越高的要求^[1]。在工作时，高压容器设备不仅会承受很高的工作压力，而且压力和温度有很大的的不稳定性。高压容器设备一般对壳体有较高的要求，需要有较高的强度和密封能力，如果高压容器设备的连接处的密封能力不好，就很容易发生高压流体泄露或法兰密封失效的情况^[2]。通过三百六十度圆周均匀分布螺栓的方法进行预紧操作，这是目前高压设备管道连接的普遍的密封手段。法兰连接设备最重要的性能是密封性，高压螺栓法兰连接系统的失效不仅会造成巨大的经济损失，严重的甚至可能会造成伤亡事故^[3]。对于高温高压等严苛的工况，传统法兰体积大，寿命短，一至两年需要更换密封垫，而且要定期检修，且容易造成强度不够密封性能不好等问题，对生产安全带来巨大的隐患。随着人类对能源需求量的不断增加以及能源开采技术的不断提高，传统法兰已越来越难满足在高压、强腐蚀、极温、高冲刷环境中管路的使用，安全事故频频发生促使工程技术人员希望开发出一种更加安全、可靠的传统法兰替代品。因此，对高压螺栓法兰连接系统进行结构分析并且进行结构优化具有非常重要的意义。正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地研究与开发更优结构的高压法兰。

上世纪五十年代高压自紧式法兰出现以来，广泛应用于石油工业、化学工业、能源再生、矿物开采、航空航天、船舶工业、合成燃料加工、天然气液化等领域。法兰通过螺栓紧固在一起，为了获得更好的密封性，再加入一个垫圈。根据这些经验，螺栓法兰连接，组件连接等等表明与系统的泄露有关系，在某些重要场合，其中一个简单的错误也许就会带来灾难性的破坏。因此，要求螺栓法兰连接的正确运行，以确保设施的所有性能并且避免可能出现的问题^[4]。以前在中国市场上的高压法兰类的产品不得不从外国购进，因为国内没有相应的技术设计生产，直到2005年，成都植源设计生产出高压自紧式法兰ZY-LOC，填补了国内高压法兰这一块的空白。事实上，除中国外，全球仅有美国的grayloc，英国的vector，意大利的G-loc。自紧式高压法兰可以完成中高碳钢的焊接，在不加热的情况下，既不开裂也不变形，但也有不足的地方，其产品类型和产量远不能满足国内外市场需要，对新型高压法兰的研制及理论分析也还亟待完善。