高温螺栓法兰连接结构及风险分析

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2022.02.011

辽宁石油化工大学学报 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (2): 67-72.DOI: 10.3969/j.issn.1672-6952.2022.02.011

高温螺栓法兰连接结构及风险分析

王承彬¹(), 多依丽²(), 孙铁¹, 杨松宇¹

^1.辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001
^2.辽宁石油化工大学环境与安全工程学院，辽宁抚顺 113001

收稿日期:2021-06-01 修回日期:2021-11-08 出版日期:2022-04-25 发布日期:2022-05-21
通讯作者: 多依丽
作者简介:王承彬（1997⁃），男，硕士研究生，从事过程装备风险分析方面的研究；E⁃mail：wangchengbin97@163.com。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2018YFC0808500)

High Temperature Bolted Flange Connection Structure and Risk Analysis

Chengbin Wang¹(), Yili Duo²(), Tie Sun¹, Songyu Yang¹

^1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.School of Environment ＆ Safety Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China

Received:2021-06-01 Revised:2021-11-08 Published:2022-04-25 Online:2022-05-21
Contact: Yili Duo

摘要/Abstract

摘要：

利用Ansys?Workbench，对400.00 ℃下的螺栓法兰连接系统进行热?结构耦合分析，研究了高温条件下螺栓法兰连接系统的密封性能。结果表明，温度从法兰内壁由内至外逐渐降低，最大应力出现在螺母与法兰盘的接触面上，最大应变出现在垫片上。对常温及400.00 ℃的垫片进行了密封评定，同时针对高温下连接系统中垫片易密封失效的问题，通过建立垫片强度失效的贝叶斯网络，基于专家评估等一系列方法计算得到先验概率，再利用贝叶斯网络反向推理计算根节点的后验概率并排序，找出导致垫片失效的主要因素，从而提高了垫片在使用过程中的可靠性。

关键词: Ansys?Workbench, 热?结构耦合, 贝叶斯网络, 螺栓法兰连接

Abstract:

In order to study the sealing performance of bolted flange connection system under high temperature condition, the thermal?structural coupling analysis of bolted flange connection system under 400.00 ℃ was carried out by Ansys?Workbench. The results show that the temperature decreases gradually from the inside of the flange wall to the outside, the maximum stress appears on the contact surface between the nut and flange, and the maximum strain appears on the gasket. Evaluated the sealing performance of gaskets at room temperature and 400.00 ℃; at the same time, aiming at the easy sealing failure of gaskets in the connection system under high temperature, established gasket strength failure of bayesian networks, based on a series of methods such as expert evaluation to calculate the prior probability, used Bayesian network reverse reasoning to calculate the posterior probability of the root node and sort them to find out the main factors leading to the invalid gasket, so as to enhance the reliability in the process of using gasket.

Key words: Ansys?Workbench, Thermal?structural coupling, Bayesian network, Bolted flange connection

中图分类号:

TE969

王承彬, 多依丽, 孙铁, 杨松宇. 高温螺栓法兰连接结构及风险分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(2): 67-72.

Chengbin Wang, Yili Duo, Tie Sun, Songyu Yang. High Temperature Bolted Flange Connection Structure and Risk Analysis[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2022, 42(2): 67-72.

图/表 13

参考文献 16

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3	赵维乐.高温及温度波动下止回阀中法兰密封性能研究［D］.兰州：兰州理工大学，2019.
4	黄苏.高温螺栓法兰连接系统温度场与密封性能研究［D］.武汉：武汉工程大学，2018.
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13	黄健.管法兰垫片紧固件选用手册［M］.北京：机械工业出版社，2006.
14	ASME boiler pressure vessel committe.ASME boiler and pressure vessel code. Section VIII. divisionⅡ，pressure vessels， alternative rules［M］.New York：American Society of Mechanical Engineers，1983.
15	郑兴，冯梅，应道宴，等.法兰接头在高温下的应力松弛分布测定［J］.化工设备与管道，2018，55（6）：66⁃69.
16	李佩昌，周海军，周国敬.基于专家综合评估的模糊动态故障树分析［J］.舰船科学技术，2019，41（10）：192⁃197.

零件	材料	密度（ρ）/ （kg·m^－3）	弹性模量（E）×10^－5/ MPa	热导率（λ）/ （W·m^－1·K^－1)	泊松比（μ）	线膨胀系数（α）×10⁶/K^－1
法兰	15CrMo	7 830	2.10	37.8	0.270	14.1
螺栓	40MnB	7 820	2.07	39.6	0.281	13.9
螺母	35CrMoA	7 820	2.07	39.6	0.281	13.9
垫片	OCr18Ni19	7 860	0.18	20.1	0.304	18.3

零件	材料	密度（ρ）/ （kg·m^－3）	弹性模量（E）×10^－5/ MPa	热导率（λ）/ （W·m^－1·K^－1)	泊松比（μ）	线膨胀系数（α）×10⁶/K^－1
法兰	15CrMo	7 830	2.10	37.8	0.270	14.1
螺栓	40MnB	7 820	2.07	39.6	0.281	13.9
螺母	35CrMoA	7 820	2.07	39.6	0.281	13.9
垫片	OCr18Ni19	7 860	0.18	20.1	0.304	18.3

接触体	目标体	接触类型	摩擦系数
法兰	管道端面	绑定	0
垫片	法兰	绑定	0
螺母	法兰	摩擦	0.2
螺栓	螺母	绑定	0

接触体	目标体	接触类型	摩擦系数
法兰	管道端面	绑定	0
垫片	法兰	绑定	0
螺母	法兰	摩擦	0.2
螺栓	螺母	绑定	0

编号	名称	编号	名称
T1	垫片强度失效	X6	选材不当
M1	垫片损坏	X7	冲击
M2	垫片载荷不足	X8	过载
X1	预紧力不当	X9	温度、压力波动
X2	表面有杂质	X10	腐蚀、热氧老化
X3	加工,运输不当	X11	长时间服役
X4	热处理不当	X12	高温蠕变
X5	垫片安装不当

高温螺栓法兰连接结构及风险分析

High Temperature Bolted Flange Connection Structure and Risk Analysis

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编号	失效判断结果
编号	专家1	专家2	专家3	专家4
X1	VH	RH	H	VH
X2	RH	M	M	RL
X3	L	VL	VL	L
X4	VL	RL	M	RL
X5	M	M	RL	RL
X6	RL	M	RL	M
X7	M	L	M	RL
X8	RL	M	L	RL
X9	RL	M	RL	L
X10	M	L	RL	RL
X11	M	M	RH	M
X12	H	RH	VH	RH

评价词汇	三角模糊数
VH	(0.8,0.9,1.0)
H	(0.7,0.8,0.9)
RH	(0.6,0.7,0.8)
M	(0.4,0.5,0.6)
RL	(0.2,0.3,0.4)
L	(0.1,0.2,0.3)
VL	(0,0.1,0.2)

基本事件	先验概率	后验概率	基本事件	先验概率	后验概率
X1	0.043 664 070	0.458 744 610	X7	0.002 111 136	0.022 180 073
X2	0.006 236 553	0.065 522 639	X8	0.001 179 734	0.012 394 553
X3	0.000 086 875	0.000 912 727	X9	0.001 212 593	0.012 739 777
X4	0.000 644 177	0.006 767 870	X10	0.001 423 352	0.014 954 059
X5	0.002 706 180	0.028 431 740	X11	0.006 708 822	0.070 484 404
X6	0.002 062 297	0.021 666 960	X12	0.030 476 436	0.320 192 340

[1]	马梦迪, 多依丽, 孙铁. 基于DBN的气化炉故障动态风险评估[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(4): 47-52.
[2]	靳宇，刘明，孙铁，多依丽. 基于动态贝叶斯网络气化炉供料系统风险分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(2): 59-64.
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