[发明专利]一种匀质垫片的螺栓法兰连接结构设计方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种使用匀质垫片作为密封元件的螺栓法兰连接结构设计方法。属于密封技术领域。 

背景技术

螺栓法兰连接广泛应用于工业、农业、国防和日常生活，是过程工业装备中最主要的连接形式，其失效形式表现为泄漏和强度失效，其中泄漏是其主要的失效形式。 

垫片作为螺栓法兰连接结构起到密封作用的关键元件，其对于螺栓法兰连接结构的紧密性起到至关重要的作用。按照垫片材质和结构形式，可将垫片分为匀质垫片和非匀质垫片：匀质垫片是指垫片整体结构的材质由内径到外径都是由均一材质构成，比如非石棉橡胶板垫片、聚四氟乙烯垫片等；非匀质垫片是指垫片整体结构材质组成由两种或两种以上材料构成，比如不锈钢柔性石墨缠绕垫、波齿复合垫等。 

各种匀质垫片因其材质、结构和尺寸的不同，均有一定的抗压极限，超过其自身的极限压力之后，垫片将发生压溃，而后垫片应力将在未压溃部分重新分布，而原本在有效密封宽度之外的垫片低应力作用区域将起到密封作用。 

螺栓法兰连接结构在使用匀质垫片的过程中，因螺栓载荷过大或工作条件苛刻等因素的作用，有可能使垫片应力超过自身的抗压极限而发生压溃，此时螺栓法兰连接结构的紧密性将无法等到保证。 

现行的螺栓法兰连接结构设计方法大多以垫片系数m和预紧密封比压y为依据，以螺栓和法兰的强度为设计准则对螺栓法兰连接进行设计。所有这些设计方法或未将连接结构的泄漏率作为设计依据，或未充分考虑连接结构元件的力学和密封特性，进而忽略了紧密性和垫片自身特性对连接结构整体密封性态的影响。 

发明内容

本发明所解决的技术问题为在螺栓法兰连接结构设计过程中，使用匀质垫片作为密封元件时，同时考虑所设计的连接结构的紧密性、附加弯矩及垫片压溃极限等因素，提出一种使用匀质垫片作为密封元件的螺栓法兰连接结构设计方法，给出计算实例并进行实验验证。 

本发明是采取以下技术方法来实现的。 

(1)均质垫片的强度失效判据 

均质垫片发生压溃后，垫片应力将在未压溃部分重新分布，而原本在有效密封宽度之外的垫片低应力作用区域将起到密封作用。理论上垫片允许压溃的宽度是垫片接触宽度与有效密封宽度之差，但是考虑到连接结构的安全可靠性，并通过对均质垫片有效密封宽度分布规 律的研究，取安全系数为0.6，则认为垫片允许压溃宽度[l_g]_max可由下式计算： 

[l_g]_max＝0.6(N-l)                    (1) 

式中，N为垫片的实际接触宽度，l为垫片的有效密封宽度，对于采用均质垫片的螺栓法兰连接结构的设计，垫片在工作条件下不发生压溃时所允许的最大应力为若计算得到的垫片外缘最大应力大于压溃应力，即则垫片发生压溃。若压溃部分垫片宽度小于允许的压溃宽度，即l_g＜[l_g]_max，则认为该垫片仍可使用，反之则认为该垫片强度失效。 

(2)螺栓法兰连接结构的紧密性失效判据 

螺栓法兰连接结构的紧密性可以通过泄漏率的大小来评定，其定义为：在一定的操作条件下，连接的泄漏率低于某一规定的指标泄漏率；或者在某一规定的泄漏率指标下，密封连接能够承受的最高操作条件如温度、压力等满足实际工况要求。满足上述条件的连接是紧密的，反之则认为是不紧密的。 

在进行螺栓法兰连接结构设计时，选定法兰、螺栓、垫片的种类、尺寸、材料后，已知垫片预紧应力S_K、介质压力p、温度T、外弯矩M等，可以求出连接结构的泄漏率L_R。连接结构紧密性的失效判据可表示为： 

L_R＞L_max                            (2) 

式中，L_max为连接结构的最大允许泄漏率。 

本发明专利的有益效果是：