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压力容器设备法兰设计优化策略

 论文栏目:压力容器论文     更新时间:2018/4/17 9:10:08   

摘要:压力容器设备和管道以法兰作为重要的、不可缺少的连接部件,它以Taylor-Waters法为基本标准规范进行标准法兰设计,非标设备法兰设计则主要是以SW6设计软件为主,随着有限元数值计算的不断进步和发展,压力容器设备法兰设计也进行了优化设计,通过引入参数化设计语言和VB编辑工具,可以计算和开发满足强度和刚度标准的压力容器设备法兰结构尺寸,较好地提升压力容器设备法兰设计的精确性和设计效率。

关键词:压力容器设备;法兰设计;优化

压力容器设备中的法兰是重要的构成部件,对于压力容器设备的安全稳定运行有极其密切的联系和影响,随着高温、高压等高参数工况及大型压力容器设备的广泛性运用,人们日益关注压力容器设备的法兰结构的强度、刚度及密封性能,要充分考虑影响压力容器设备法兰设计的因素,采用先进的有限元法进行压力容器设备法兰优化设计,确保压力容器设备运行的安全与稳定。

1压力容器设备法兰设计的有限元法优化策略

1.1法兰结构初始设计计算

在建构法兰有限元法模型之前,要首先对压力容器设备的法兰结构进行初始设计和计算,法兰结构设计主要是指法兰本体、螺栓及垫片的设计,要依循依次设计的方法,对于整体法兰的应力公式主要可以通过圆筒体、锥颈和环板三者组成的边缘问题求解得出,其中圆筒体、锥颈、环板中的任意一个构件的尺寸变化对于法兰的刚度都会产生影响。在这个法兰结构初始设计计算的过程中,主要依循如下流程:选择垫片——计算垫片荷载——选择螺栓——计算螺栓荷载——确定法兰尺寸——计算法兰设计力矩——计算并校核应力和刚度。

1.2建构法兰参数化有限元分析模型

主要是利用ANSYS15.0有限元数值分析软件,建构压力容器设备法兰有限元几何模型,分析法兰的强度和刚度的有限元数值。(1)法兰几何结构模型压力容器设备法兰几何结构、载荷、约束表现出周期性对称的规律性特点,其结构和几何尺寸参数如图1所示。根据上述法兰结构及其几何尺寸可以沿周向取整体法的1/2n结构、以法兰密封面为对称面,建构压力容器设备法兰有限元几何模型,在这个几何模型之中,法兰锥颈大小端的圆角均为18mm、筒体长度为SL≥2.5Rts(R为筒体平均半径;ts为筒体厚度),可以较好地规避筒体边缘轴向应力对法兰应力分布的干扰。同时,法兰有限元几何模型省略了螺栓孔校正系数,而是采用布尔操作对螺栓螺母采取了整体建模方式。(2)边界条件与载荷通过以图2所示可以清晰地看到压力容器设备法兰有限元模型的边界条件与载荷:上图2中,边界条件由1-8分别表示为:①法兰连接的筒体上端部的轴向固定约束;②法兰及其筒体内壁在预紧工况下的自由边界及操作工况下的介质压力;③法兰两端周期性轴对称截面的对称约束;④垫片内径与法兰内径端面在预紧工况下的自由边界及操作工况下的介质压力;⑤法兰密封面在预紧工况下的预紧垫片载荷及操作工况下的操作垫片载荷。其载荷大小通过以下公式计算:预紧工况Ha=πGby/Sg;操作工况Hp=2πGbmp/Sg。上式之中:b表示垫片有效密封宽度;G表示垫片作用中心圆直径;Ha表示预紧工况下单位面积的垫片载荷;Hp代表操作工况下单位面积的垫片载荷;m代表垫片系数;p代表介质压力;Sg代表垫片总面积;y代表垫片比压。⑥法兰及筒体外壁的自由边界;⑦螺栓根径的横载面在预紧工况及操作工况下的螺栓载荷;⑧螺栓螺母整体结构与法兰接触端面采用MPC方式连接。

2压力容器设备法兰密封的模块化设计

可以在压力容器设备法兰密封中建构以法兰密封专家系统为主的模块化设计,在优选法兰密封元件的前提下,将法兰结构分为不同的模块,主要为数据维护与管理、用户管理、密封设计、校核计算、查询、解释、日志等模块,各模块之间相互独立且相互调用,它在采用ObjectPascal语言的可视化开发平台条件下,以面向对象的方法和封装技术,通过BDE专家系统知识库和数据库进行操作,封装DBMS以提升系统的安全可靠性。其中:维护与管理模块对法兰标准数据库中的温度、压力、垫片材料、标准尺寸、特性参数等进行分类维护和管理;用户管理模块则是负责用户的登录验证、修改操作等;设计模块则采用推理模块和校核计算模块进行法兰结构的一般密封设计和特殊密封设计;校核计算模块则可以实现对法兰的强度校核、螺栓强度校核、变形控制等;查询模块则重点对垫片力学性能、垫片密封性能、实例库等进行查询;解释模块则是对模型中的疑难问题进行解答的模块;日志模块重点是记录用户的登录时间、用户名、口令、追踪等操作,以确保系统的安全性。

2.1确立初始条件

要在法兰密封专家系统的模块化设计中确定相应的连接形式和密封面型式,以不同的工况条件为前提,确定不同的压力等级和工作温度,应当确立以下内容的初始条件:压力容器管道的设备类型;法兰对应介质的种类;公称压力;工作温度;公称直径。

2.2设计动态构件

采用动态构件技术,进行如下步骤的操作:选取压力容器设备的类型;选取对应的介质种类和压力等级;选择公称压力。总之,通过基于有限元法的优化设计策略,可以实现对压力容器设备法兰设计的优化,应用VB编程工具和ANSYS参数化设计,使法兰的强度和刚度符合规定的要求。

参考文献:

[1]WATERS法兰设计方法的进展与评述[J].桑如苞,高洁,冯清晓.石油化工设备技术.2014(01).

[2]法兰联接强度和密封性能的有限元分析[J].张斯亮,杨宇峰,王峰,张宇,李秉旭,张瑞杰.当代化工.2013(10).

[3]压力容器法兰的合理设计[J].张焱,康秋芬.石油和化工设备.2013(04).

作者:李金波 孙冬来 吕甜甜 何文涛 单位:甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司 上海蓝滨石化设备有限责任公司

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