法蘭接頭作為壓力容器中一種常見的可拆性連接結(jié)構(gòu),在石油化工及其他工業(yè)部門中得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)中、低壓壓力容器及管道的密封、連接結(jié)構(gòu)都采用法蘭連接。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展以及人們對于安全和環(huán)境的關(guān)注逐漸提高,對法蘭接頭在強度與緊密性的可靠性要求也不斷提高。法蘭連接作為一個整體主要由法蘭、螺栓、螺母,筒體、封頭等元件組成。傳統(tǒng)法蘭分析具有很大的挑戰(zhàn),主要難點有法蘭接頭中存在結(jié)構(gòu)與材料等多種非線性,接頭各元件之間存在相互作用,必須整體來分析,接頭的強度分析和緊密性也必須結(jié)合起來分析。ANSYS軟件提供了強大的非線性處理功能,對于接觸問題中出現(xiàn)的非線性約束現(xiàn)象能很好的克服傳統(tǒng)分析的弊病,本研究以某壓力容器高頸法蘭連接設(shè)備為分析對象,通過APDL建立其參數(shù)化有限元模型,并對其進行強度分析。
容器所受內(nèi)壓為45MPG封頭為橢圓形,高度h=225mm,筒體厚度t=24mm,直邊段長度50mm,連接螺栓為M30,數(shù)量為48個,法蘭的密封形式為凹凸面。上下法蘭結(jié)構(gòu)如圖所示,模型尺寸如表所示。由于法蘭接頭是周期對稱結(jié)構(gòu),利用其對稱性,可以從整個法蘭結(jié)構(gòu)中取兩個對稱面截出的1/96接頭結(jié)構(gòu)來建立有限元模型。與下法蘭環(huán)相連的筒體,根據(jù)圣維南原理,只需要取長度L=25,頂飛就可以消除筒體邊緣處軸向應(yīng)力分布對法蘭處應(yīng)力分布的影響,其中R為與法蘭相連接的筒體的平均半徑,偽筒體厚度3。其中對螺栓模型進行簡化,不考慮螺紋影響,采用實體建模,由于模型較為復雜,采用APDL語言律立樟型。螺母、螺栓、上下法蘭環(huán)和分別與法蘭環(huán)相連的筒體及封頭都選用單元,但各元件的單元有其不同的材料特性,各材料屬性如表所示。墊片和上下法蘭環(huán)之間的接觸以及螺母和上下法蘭環(huán)之間的接觸采用面—面接觸單元TARGE170和CONTA174來描述。接觸面間相對滑動系數(shù)取為0.3,螺栓預緊情況的模擬采用螺栓預緊單元PRERSI7}由于法蘭接頭及內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜,為得到較好的精度網(wǎng)格,采用手動限制單元大小,各元件獨立劃分的方法設(shè)置網(wǎng)格,經(jīng)過多次驗算,表明該網(wǎng)格滿足所需精度要求,網(wǎng)格如圖所示。法蘭接頭涉及到2種工作工況,一種是壓力容器所受的內(nèi)壓,另一種是給法蘭接頭所施加的螺栓預緊力。對于螺栓而言則主要受到拉力及彎矩載荷,本研究并不考慮到密封墊片,所以法蘭接頭所受到的螺栓預緊力不再是密封預緊力,而是螺栓工作載荷與殘余應(yīng)力之和,根據(jù)API規(guī)范,取為35kN在邊界條件處理上,由于法蘭接頭在結(jié)構(gòu)、載荷和約束上都具有周期性的軸對稱性質(zhì),因此,在有限元模型的2個對稱平面上施加對稱約束,約束這2個平面上的節(jié)點周向位移,同時在與下法蘭環(huán)相連接筒體的截斷端施加面軸向固定約束。
法蘭在內(nèi)壓及螺栓預緊力2種工況下的受力情況如圖所示,最大應(yīng)力發(fā)生在上下法蘭接觸處外側(cè),最大應(yīng)力值達到241MP、考慮到設(shè)備自重等因素,本文選取下法蘭為研究對象,對該危險區(qū)域應(yīng)力按照加載歷史進行應(yīng)力分類分析,如圖所示。由圖可以看出,最終總應(yīng)力值達到許用應(yīng)力的53.6。彎曲應(yīng)力最終占總應(yīng)力的32.4。圖中載荷步是依據(jù)容器內(nèi)壓與螺栓等效壓力之和來設(shè)定,螺栓與螺母接觸強度如圖所示,最大應(yīng)力值發(fā)生在螺帽與螺柱相接觸的地方,最大應(yīng)力值達到398MPG,對該危險區(qū)域進行應(yīng)力分析如圖所示。由圖可以得到,最終總應(yīng)力值達到許用應(yīng)力的520,彎曲應(yīng)力占總應(yīng)力的17.80。
1)在容器內(nèi)壓4.5MPa及螺栓預緊力35kN的作用下,法蘭接頭最大應(yīng)力發(fā)生在上法蘭與螺母相接觸的位置,最大應(yīng)力達到241MPG彎曲應(yīng)力占32.4,需要特別關(guān)注。并且在封頭與法蘭接頭處由于不連續(xù)應(yīng)力也存在較大的應(yīng)力強度分布。
2)螺栓由于受到軸向的拉應(yīng)力,還受到彎曲力矩的作用,所以螺栓的應(yīng)力強度在螺栓受拉力一側(cè)最大,而且整體受力不均勻,發(fā)生彎曲變形,最大應(yīng)力值達到398MPG,彎曲應(yīng)力所占比重較小,為17.8。
3)通過ANSYS軟件對法蘭接頭作整體分析,介紹了一種分析法蘭強度的可行性方法,克服了傳統(tǒng)分析的不足,對于解決類似非線性約束問題具有一定借鑒意義。
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