[发明专利]一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法

说明书

本发明公开了一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法，通过以下步骤实现：确定法兰、垫片及螺栓的参数，根据参数确定螺栓预紧应力范围，并在该应力范围中寻找螺栓目标预紧应力值。本发明所提出的基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法既考虑了法兰接头的整体密封性，同时又考虑了法兰本体结构、螺栓、垫片组成的法兰接头的强度准则，最终得出合理可靠的螺栓预紧应力值，以满足施工和应用的要求。

技术领域

本发明涉及一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法。

背景技术

法兰接头作为一种可拆卸的静密封结构，是压力容器和压力管道中大量应用的承压接头，影响法兰密封特性的因素有很多，主要包括：法兰刚度、垫片材质和类型、螺栓选配以及安装工具和安装方法等，而螺栓安装载荷的不合理是诸多因素中最为关键的因素，大多数法兰泄漏是由于预紧载荷不合理导致的，例如，因螺栓预紧力过大造成垫片压溃、法兰过度变形失效以及螺栓预紧力过小造成垫片因预紧力过低导致接头泄漏。正确计算螺栓预紧力的范围是保证螺栓预紧的基础，也是防止法兰接头泄漏的重要保障。

法兰接头的气密性是通过螺栓预紧合理施加压力到法兰盘与垫片的接触面上实现的，当垫片与法兰盘接触面上的密封压力不足时，在法兰管道内介质压力的作用下，法兰盘与垫片的接触面发生分离，介质从分离的接触面溢出，造成法兰泄漏。当螺栓预紧力过大时，容易造成法兰结构发生过大的弹性变形甚至永久的塑性变形，或造成垫片压溃，同样也会使得法兰与垫片的接触面产生间隙，致使法兰内部的介质溢出，造成法兰泄漏。此外螺栓预紧力过大也会造成螺栓本体发生过大的塑性形变，在长期高温、交变载荷的工作条件下，也容易发生螺栓本体结构破坏，从而造成预紧力降低，致使法兰接头发生泄漏。

目前，常规的法兰螺栓预紧应力计算通常使用Taylor-Waters法或工程经验法，往往没有考虑不同法兰、垫片在结构形式、材质、尺寸规格等方面的不同，而这些参数恰恰对螺栓预紧应力计算尤为重要。采用Taylor-Waters法计算法兰螺栓预紧应力，往往在施工现场还要对计算得到的预紧应力值一定倍数的方法，造成现场施工不明确，也为后续留下隐患。

采用工程经验法，对于相同规格的螺栓用在不同的法兰上，采用相同的预紧应力值，没有考虑法兰、垫片在结构形式、材质等方面的不同，容易导致力学特性较差的法兰或垫片结构发生破坏。另外常规的预紧应力计算方法也没有考虑螺栓在预紧后产生的应力松弛，为后续的施工作业留下隐患。

发明内容

本发明提供了一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法，能够合理地计算出法兰接头上螺栓预紧力的范围，保证螺栓预紧，从而防止法兰接头泄漏。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法，通过以下步骤实现，其特征在于：

更进一步地，确定法兰、垫片、螺栓的基本参数；

法兰的基本参数包括：法兰接头的介质压力P、法兰应力极限Sf_max、法兰转角极限θf_max；

垫片的基本参数包括：垫片的接触面积A_g、垫片的接触面内径G_ID、垫片松弛系数φ_g、垫片的最小预紧密封应力Sg_min-S、垫片的最小操作密封应力Sg_min-O、垫片最大许用应力Sg_max、垫片转角极限θg_max；

螺栓的基本参数包括：螺栓的根部面积A_b、螺栓的数量n_b、螺栓材质的屈服强度Sb_y；