本發(fā)明涉及一種螺栓連接組件的預(yù)緊優(yōu)化方法，具體涉及一種對使用柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的法蘭連接系統(tǒng)的預(yù)緊力進(jìn)行修正的預(yù)緊優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
：螺栓、法蘭和墊片所構(gòu)成的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)是石油化工行業(yè)廣泛使用的一種靜密封形式，常用于壓力容器、壓力管道和閥門的密封連接。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，一個大型石油化工企業(yè)就存在密封結(jié)構(gòu)數(shù)量可達(dá)幾十甚至上百萬。螺栓-法蘭-墊片連接結(jié)構(gòu)的密封泄漏不但增加了裝置的能耗，污染環(huán)境，還將直接影響生產(chǎn)設(shè)備裝置的安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)和生產(chǎn)操作人員的安全健康。近年來，法蘭密封失效導(dǎo)致了許多嚴(yán)重事故，例如，燕山石化、齊魯石化、天津石化等石化企業(yè)S-Zorb裝置頻繁發(fā)生法蘭密封失效，導(dǎo)致火災(zāi)事故、設(shè)備停工，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，螺栓法蘭連接系統(tǒng)密封性能的改善提高及影響因素的研究和評估都具有非常重要的工程價值。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種在該螺栓連接組件的預(yù)緊過程中對每輪加載的螺栓載荷進(jìn)行修正，以確保螺栓連接組件具有高密封性能的螺栓連接組件的預(yù)緊優(yōu)化方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：本發(fā)明提供一種螺栓連接組件的預(yù)緊優(yōu)化方法，所述螺栓連接組件包括兩個連接件，所述兩個連接件通過螺栓組進(jìn)行固定連接，在所述兩個連接件的接觸面之間設(shè)置有柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片，其中，在利用螺栓對所述連接件進(jìn)行擰緊的過程中，對受到彈性交互負(fù)作用影響的螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行修正，所述預(yù)緊優(yōu)化方法包括：(1)在計算機(jī)中的有限元軟件中輸入所述螺栓連接組件中各元件的參數(shù)和材料屬性，綜合所述螺栓連接組件的非線性因素關(guān)系，建立三維的螺栓連接組件有限元分析模型；(2)確定螺栓組的預(yù)緊方案，包括螺栓組的目標(biāo)載荷、預(yù)緊輪次、加載方式和每輪施加的預(yù)緊載荷，并確定由修正系數(shù)構(gòu)成的彈性交互作用系數(shù)矩陣；(3)在所述螺栓連接組件有限元分析模型中，選取在預(yù)緊過程中受到彈性交互負(fù)作用的一個螺栓作為參考螺栓，根據(jù)確定的目標(biāo)預(yù)緊方案對螺栓組按確定的加載方式施加預(yù)緊載荷，考察該參考螺栓的螺栓力變化情況，得到該參考螺栓的螺栓力變化分布圖；(4)根據(jù)所述參考螺栓的螺栓力變化分布圖來確定彈性交互作用系數(shù)矩陣的修正系數(shù)，以確定修正彈性交互作用系數(shù)矩陣，并利用該修正彈性交互作用系數(shù)矩陣對在預(yù)緊過程中受到負(fù)作用影響而導(dǎo)致螺栓力波動變化大的預(yù)緊輪次中所有螺栓的預(yù)緊載荷進(jìn)行修正，從而確定在預(yù)緊過程中所需要實際施加的修正螺栓預(yù)緊載荷。優(yōu)選地，在參考螺栓的螺栓力變化分布圖中，分析在擰緊參考螺栓的鄰位螺栓時，所述參考螺栓的螺栓力所發(fā)生的驟降幅度來確定所述修正系數(shù)。優(yōu)選地，通過如下公式對在預(yù)緊過程中受到負(fù)作用影響的螺栓的預(yù)緊載荷進(jìn)行修正：[A]n×n{Fi}n×1＝{Ff}n×1其中，{Fi}n×1為修正螺栓預(yù)緊載荷列矩陣；{Ff}n×1為為螺栓目標(biāo)載荷矩陣；[A]n×n為修正彈性交互作用系數(shù)矩陣；n為螺栓數(shù)目。優(yōu)選地，在預(yù)緊過程中，使得先擰緊螺栓的螺栓力增大的稱為彈性交互正作用，而使先擰緊螺栓的螺栓力減小的稱為彈性交互作用負(fù)作用。優(yōu)選地，根據(jù)ASMEPCC-1-2010標(biāo)準(zhǔn)來確定螺栓組的預(yù)緊方案。優(yōu)選地，所述連接件為法蘭，所述螺栓組中的每個螺栓包括相互配合的螺柱和螺母。優(yōu)選地，柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的尺寸參照GB/T19066.1-2008標(biāo)準(zhǔn)來選取。本發(fā)明中由于在法蘭連接系統(tǒng)中利用了柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片，且對法蘭連接系統(tǒng)的預(yù)緊過程中的螺栓力進(jìn)行了修正，使得每輪加載結(jié)束后螺栓獲得的螺栓力接近目標(biāo)螺栓力，且分布集中，從而大大的提高了連接后的法蘭連接系統(tǒng)的密封性能。附圖說明圖1為本發(fā)明的螺栓連接組件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的螺栓連接組件的預(yù)緊優(yōu)化方法的簡要流程示意圖。圖3至圖7分別為本發(fā)明的螺栓連接組件的有限元模型建立圖。圖8為本發(fā)明的一實施例的螺栓連接組件的預(yù)緊力加載順序圖。圖9為本發(fā)明選取的參考螺栓的螺栓力變化分布圖。圖10和圖11分別為本發(fā)明的一實施例的螺栓連接組件優(yōu)化前后的螺栓組應(yīng)力分布示意圖。圖12和圖13分別為本發(fā)明的一實施例的螺栓連接組件優(yōu)化前后的墊片應(yīng)力分布示意圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行介紹。圖1為本發(fā)明的螺栓連接組件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的螺栓連接組件包括兩個連接件1，所述兩個連接件通過螺栓組3進(jìn)行固定連接，在所述兩個連接件1的接觸面之間設(shè)置有墊片2。在本發(fā)明中，連接件可為法蘭，螺栓組3為多個，包括螺柱和與之配合的螺母。如此，本發(fā)明的螺栓連接組件也可被稱為螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要是通過擰緊螺栓所產(chǎn)生的夾緊力使得上、下法蘭和密封墊片之間形成緊密連接，壓緊密封面，從而實現(xiàn)連接結(jié)構(gòu)密封目的。螺栓、法蘭和墊片所構(gòu)成的連接密封系統(tǒng)是石油化工行業(yè)廣泛使用的一種靜密封形式，常用于壓力容器、壓力管道和閥門的密封連接，因此，需要確保該結(jié)構(gòu)的密封性能。在本發(fā)明的一實施例中，墊片可為柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片，該復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)與本領(lǐng)域中定義的柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)相同，故在此省略對其詳細(xì)介紹。柔性石墨波齒復(fù)合墊片在高溫、低溫、高壓、腐蝕等密封場合都能達(dá)到良好的密封效果，并且該類墊片的壓緊比壓力比金屬墊片小。在使用時，由于柔性石墨易發(fā)生塑性變形，因而能夠有效地填充法蘭密封表面的缺陷，所以柔性石墨波齒復(fù)合墊片對相配合法蘭密封面的粗糙度要求比較低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的尺寸參照GB/T19066.1-2008標(biāo)準(zhǔn)來選取。然而，螺栓法蘭連接系統(tǒng)在預(yù)緊過程中由于螺栓按一定次序進(jìn)行擰緊，螺栓之間存在交互作用，使得螺栓在擰緊完成后所獲得的螺栓力之間存在差異，螺栓存在擰緊不足和螺栓力分散等問題，從而影響預(yù)緊效果，進(jìn)而導(dǎo)致密封性能不好。在螺栓擰緊過程中，使已擰緊螺栓的螺栓力增大的，稱為彈性交互作用的正作用，反之，稱為彈性交互作用的負(fù)作用，簡稱“正作用”和“負(fù)作用”，負(fù)作用發(fā)生在鄰位螺栓之間。因此，需要對本發(fā)明的螺栓連接組件的預(yù)緊工況中的產(chǎn)生負(fù)作用的預(yù)緊載荷進(jìn)行優(yōu)化，為此，本發(fā)明提供一種優(yōu)化螺栓連接組件的預(yù)緊了的方法，以下進(jìn)行介紹。圖2為本發(fā)明的螺栓連接組件的預(yù)緊優(yōu)化方法的簡要流程示意圖。本發(fā)明的實施例提供一種螺栓連接組件的預(yù)緊優(yōu)化方法，用以對使用柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的預(yù)緊工況進(jìn)行優(yōu)化，具體地，在利用螺栓對所述連接件進(jìn)行擰緊的過程中，對受到彈性交互負(fù)作用影響的螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行修正。如圖2所示，所述預(yù)緊優(yōu)化方法包括：S100：建立有限元分析模型在計算機(jī)中的有限元軟件中輸入所述螺栓連接組件中各元件的參數(shù)和材料屬性，綜合所述螺栓連接組件的非線性因素關(guān)系，建立三維的所述螺栓連接組件有限元分析模型。S200：確定預(yù)緊方案確定螺栓組的預(yù)緊方案，包括螺栓組的目標(biāo)載荷、預(yù)緊輪次、加載方式和每輪施加的預(yù)緊載荷，并確定由修正系數(shù)構(gòu)成的彈性交互作用系數(shù)矩陣；可根據(jù)ASMEPCC-1-2010標(biāo)準(zhǔn)來確定螺栓組的預(yù)緊方案。S300：確定螺栓力變化分布圖在所述螺栓連接組件有限元分析模型中，選取在預(yù)緊過程中受到彈性交互負(fù)作用的一個螺栓作為參考螺栓，例如，第一預(yù)緊輪次中預(yù)緊的第一個螺栓，但并不作限制，也可以是其他輪次的其他螺栓等。接著，根據(jù)確定的目標(biāo)預(yù)緊方案對螺栓組按確定的加載方式施加預(yù)緊載荷，考察該參考螺栓的螺栓力變化情況，得到該參考螺栓的螺栓力變化分布圖。S400：確定修正系數(shù)并優(yōu)化根據(jù)所述參考螺栓的螺栓力變化分布圖來確定彈性交互作用系數(shù)矩陣的修正系數(shù)，以確定修正彈性交互作用系數(shù)矩陣，并利用該修正彈性交互作用系數(shù)矩陣對在預(yù)緊過程中受到負(fù)作用影響而導(dǎo)致螺栓力波動變化大的預(yù)緊輪次中的所有螺栓的預(yù)緊載荷進(jìn)行修正，從而確定在預(yù)緊過程中所需要實際施加的修正螺栓預(yù)緊載荷。具體需要對那些螺栓的預(yù)緊載荷進(jìn)行修正，可根據(jù)實際情況來確定。在本發(fā)明的一實施例中，如果每輪加載，相鄰螺栓在擰緊過程中各螺栓的離散度大于約10％～30％，則需要對該輪進(jìn)行修正，但是并不局限于此。在本發(fā)明中，有限元分析模型為基于有限元方法，利用ANSYS軟件對法蘭連接結(jié)構(gòu)的預(yù)緊工況進(jìn)行有限元模擬，分析螺栓組擰緊過程中法蘭、螺栓及墊片的變形和受力情況，可包括以下內(nèi)容：1)分別建立法蘭模型、螺栓模型和墊片模型，具體的模型結(jié)構(gòu)基于實際選用的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)來確定；2)選擇螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)模型的單元：采用Solid185模擬三維實體單元；Prets179單元被用來在已網(wǎng)格化的結(jié)構(gòu)上定義二維或三維預(yù)緊截面；Inter195單元用于模擬墊片結(jié)構(gòu)；螺栓與法蘭的接觸區(qū)域選用Conta174與Targe170單元形成接觸對。3)網(wǎng)格劃分并選擇螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)模型的材料屬性：采用2)中的單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不同的部位選用不同的單元來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，材料屬性選擇實際選用的螺栓、法蘭、墊片材料；4)模型邊界條件和接觸設(shè)置確定：在構(gòu)建模型時，為了消除管道對于法蘭的受力分析的影響，考慮加入管道長度L，故在分析法蘭結(jié)構(gòu)受力時，只約束最底端截面的位移；此外，需要確定在法蘭連接系統(tǒng)實施螺栓擰緊過程中，上、下法蘭表面與螺母接觸的對數(shù)、摩擦系數(shù)和接觸類型。螺栓組的預(yù)緊方案可根據(jù)ASMEPCC-1-2010標(biāo)準(zhǔn)來確定，即可根據(jù)實際情況來根據(jù)ASMEPCC-1-2010標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓組的目標(biāo)載荷、預(yù)緊輪次、加載方式和每輪施加的預(yù)緊載荷，并確定由修正系數(shù)構(gòu)成的彈性交互作用系數(shù)矩陣?？赏ㄟ^如下公式1對在預(yù)緊過程中受到負(fù)作用影響的螺栓的預(yù)緊載荷進(jìn)行修正：【公式1】[A]n×n{Fi}n×1＝{Ff}n×1其中，{Fi}n×1為修正螺栓預(yù)緊載荷列矩陣；{Ff}n×1為為螺栓目標(biāo)載荷矩陣；[A]n×n為修正彈性交互作用系數(shù)矩陣；n為螺栓數(shù)目。對于選擇的不同的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，彈性交互系數(shù)矩陣可不同，例如，對于通過8個、12個、16個和20個螺栓進(jìn)行連接的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，彈性交互系數(shù)矩陣分別為：其中，a為修正系數(shù)，根據(jù)具體的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，利用上述優(yōu)化方法來確定。在確定修正系數(shù)a時，可根據(jù)選取的參考螺栓的螺栓力變化分布圖，分析在擰緊參考螺栓的鄰位螺栓時，所述參考螺栓的螺栓力所發(fā)生的驟降幅度來確定?！緦嵤├恳韵?，以DN50螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)為例，對本發(fā)明的螺栓擰緊優(yōu)化方法進(jìn)行介紹。第一步：基于有限元方法，利用ANSYS軟件對法蘭連接結(jié)構(gòu)的預(yù)緊工況進(jìn)行有限元模擬，具體包括：(1)建立幾何模型1)法蘭模型按照HG/T20592-2009鋼制管法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取的法蘭為DN50，PN100凸面法蘭，法蘭模型的具體尺寸如圖3所示。圖3中的各尺寸為：1)A＝57mm；2)D＝195mm；3)K＝145mm；4)d＝102mm；5)L＝26mm；6)C＝28mm；7)N＝90mm；8)S＝3.2mm；9)H1＝10mm；10)H＝68mm2)螺栓模型：螺栓為M24，數(shù)量為8。3)墊片模型：采用的墊片為帶定位耳環(huán)柔性石墨波齒復(fù)合墊片，參照GB/T19066.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合墊片模型尺寸如圖4所示。(2)網(wǎng)格劃分采用Solid185單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，法蘭部分的網(wǎng)格單元尺寸為4mm，螺栓/螺母的網(wǎng)格單元尺寸為3mm，墊片的網(wǎng)格單元尺寸為2mm，模型網(wǎng)格劃分如圖5(a)至圖5(d)所示，圖5(a)是整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，圖5(b)是法蘭網(wǎng)格，圖5(c)是螺栓組網(wǎng)格，圖5(d)是墊片網(wǎng)格。(3)材料屬性劃分法蘭采用的材料為不銹鋼，牌號316。螺柱/螺母材料為不銹鋼35CrMoA，材料的性能參數(shù)見表1。墊片參數(shù)為：石墨層厚度1.3mm，波齒深度0.6mm，波齒寬度2.5mm。表1：法蘭及螺栓螺母的材料模型彈性模量E/MPa泊松比μ屈服極限σs/MPa法蘭2.0×1050.3205螺柱/螺母1.85×1050.3640(4)邊界條件和接觸設(shè)置確定在構(gòu)建模型時，為了消除管道對于法蘭的受力分析的影響，考慮加入管道長度L，故在分析法蘭結(jié)構(gòu)受力時，只約束最底端截面的位移，如圖6所示。在法蘭連接系統(tǒng)實施螺栓擰緊過程中，上、下法蘭表面與螺母相接觸，共有16組接觸對，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3，接觸類型設(shè)為rough，如圖7所示。第二步：根據(jù)ASMEPCC-1-2010標(biāo)準(zhǔn)，對法蘭連接系統(tǒng)螺栓組進(jìn)行五輪擰緊過程實施預(yù)緊。前三輪采用星形擰緊方案對數(shù)值模型中的螺栓組進(jìn)行預(yù)緊力的施加，8螺栓法蘭連接系統(tǒng)的螺栓力施加順序如圖8所示；而后兩輪采用順次加載方式對法蘭連接系統(tǒng)實施擰緊。預(yù)緊載荷施加過程中的預(yù)緊輪次及每輪預(yù)緊載荷Fi占所施加目標(biāo)載荷Ft的比例見表2。表2輪次預(yù)緊載荷施加比例(Fi/Ft)加載順序120％—30％如圖7所示250％—70％如圖7所示3100％如圖7所示4100％順時針(1#→8#)5100％順時針(1#→8#)第三步：選取DN50螺栓法蘭連接系統(tǒng)首輪加載過程中1#螺栓作為參考螺栓，并對其螺栓力進(jìn)行分析。首輪加載的目標(biāo)螺栓力為Ft＝11kN，1#螺栓的螺栓力F1，以F1/Ft為縱坐標(biāo)，1#螺栓在星形加載方式和順次加載方式下的螺栓力變化情況如圖9所示。如圖9所示，螺栓組采用星形加載方式進(jìn)行擰緊時，螺栓力分布可劃分為四個區(qū)域，從左至由劃分為區(qū)域I～I(xiàn)V，區(qū)域I和區(qū)域III內(nèi)螺栓力沒有大的波動，分布較平緩；區(qū)域II和區(qū)域IV為螺栓力下降區(qū)域，由擰緊螺栓編號可知，當(dāng)擰緊螺栓為1#左右鄰位螺栓時，1#螺栓都會發(fā)生螺栓力的驟降現(xiàn)象，降幅超過35％。螺栓組采用順次加載方式進(jìn)行擰緊時，螺栓力分布可劃分為三個區(qū)域，從左到右劃分為區(qū)域I～I(xiàn)II，區(qū)域I和區(qū)域III為螺栓力下降區(qū)，區(qū)域II為螺栓力的平穩(wěn)區(qū)，區(qū)域I和區(qū)域III螺栓力的下降比例近似相等，約為30％。由于順次加載是在三輪星形加載過程之后，施加比例為目標(biāo)預(yù)緊載荷，施力過程相對平穩(wěn)，各螺栓力波動很小。因此未對順次加載過程中的預(yù)緊力進(jìn)行修正。但是，也可對順次加載過程進(jìn)行修正。因此，可確定星形加載過程中的修正系數(shù)為0.35。第四步：將修正系數(shù)0.35代入DN50的彈性交互系數(shù)矩陣中，形成修正彈性交互系數(shù)矩陣，并根據(jù)確定的每輪所設(shè)定的預(yù)緊載荷，利用上述公式1來確定預(yù)緊優(yōu)化方案，結(jié)果如表3所示：表3：預(yù)緊優(yōu)化方案需要注意的是，可基于與DN50規(guī)格的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)相同的優(yōu)化方法，來確定DN100、DN200、DN300規(guī)格的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)相同的優(yōu)化方法。優(yōu)化結(jié)果模擬分析(1)螺栓組應(yīng)力分布利用優(yōu)化后的預(yù)緊工況實施方案進(jìn)行螺栓組擰緊，通過ANSYS模擬該過程，分析實施優(yōu)化的預(yù)緊工況實施方案后法蘭、螺栓及墊片的應(yīng)力分布情況。螺栓力施加方案修正前后，取第一輪(R1)～第五輪(R5)加載結(jié)束后DN50法蘭連接系統(tǒng)的各螺栓的螺栓力進(jìn)行對比分析。原方案條件下的螺栓力如圖10所示，而新方案條件下螺栓力如圖11所示。通過圖10和圖11比較可知，在前三輪加載過程中，新的預(yù)緊工況實施方案下各螺栓的螺栓力與原來方案下的分布規(guī)律有所不同，已經(jīng)不是“W”形和“N”形分布。新的螺栓擰緊方案只針對負(fù)作用進(jìn)行了相關(guān)修正，對于螺栓加載過程中的正作用未加修正，所以螺栓擰緊過程中由于正作用效果使某些螺栓的螺栓力明顯地增大，通過后兩輪的順次加載過程，正作用受到修正，螺栓力分布趨于平穩(wěn)，較原加載方案下得到的螺栓力分布有明顯地改善。對比分析原加載方案和新加載方案下第三輪至第五輪加載結(jié)束螺栓獲得的螺栓力平均值、螺栓力平均值與目標(biāo)螺栓力的比例及螺栓力離散度，見表4。表4DN50原方案與新方案結(jié)果對比通過表4可知，可以通過增加每輪加載中受到負(fù)作用次數(shù)多螺栓的螺栓力來彌補(bǔ)其在加載過程中受到的削弱作用，即新加載方案的有效性。(2)墊片應(yīng)力分布取加載結(jié)束后四種規(guī)格螺栓法蘭連接系統(tǒng)在加載結(jié)束后墊片內(nèi)側(cè)和外側(cè)應(yīng)力分布分析螺栓擰緊方案改變前后墊片接觸應(yīng)力分布，原方案條件下的墊片應(yīng)力分布如圖12所示，新方案條件下墊片的應(yīng)力分布如圖13所示。對比加載方案改進(jìn)前后墊片最終獲得的接觸應(yīng)力分布圖12和13可知，新方案條件下墊片內(nèi)側(cè)和外側(cè)在周向方向上均獲得的均勻的接觸應(yīng)力，DN50規(guī)格法蘭連接系統(tǒng)中墊片獲得接觸應(yīng)力提高了30～40MPa。盡管已描述了本申請的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本申請范圍的所有變更和修改。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本申請實施例進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本申請實施例的精神和范圍。這樣，倘若本申請實施例的這些修改和變型屬于本申請權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本申請也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3