摘 要

在流体运输行业中，管道输送是最为便捷的方式之一。在整个管道运输装置中，管道连接装置是最薄弱的一个部位，容易发生流体泄露，在高温高压条件下，对管道连接装置的力学性能和密封性能要求更高。法兰连接是一种常见的管道连接方式，改进型高压自紧式法兰是一种新型法兰连接装置，在高压管道中能提高密封性能，实现自紧密封，并增强管道运输的安全性和稳定性。研究高温高压下改进型高压自紧式法兰的应力分布及密封性能对装置的设计和实际生产应用具有重要意义。

本文通过Pro/E软件建立2″规格的高压自紧式法兰的三维模型，利用ANSYS Workbench有限元软件分析了高压自紧式法兰的应力分布，并根据分析结果对模型进行了改进。进而分析了改进型高压自紧式法兰连接系统在预紧、高温高压工况下的应力行为，并基于强度分析和密封分析对改进型高压自紧式法兰进行了结构校核，并针对高温下不同材料的自紧式法兰进行了应力和密封性能研究。

结果表明，此装置进行结构改进后密封性能明显提升，并且有二次密封的效果。密封圈材料为42CrMo时，装置适宜在0~45MPa、0~150℃的工况下使用。当温度超过150℃后，以42CrMo为材料的密封圈的模拟应力值超过材料的许用应力，更换密封圈材料，使用镍基高温合金InconelX-750可达到使用工况要求。基于改进型结构所生产的产品质量良好，已用于油气输送管道。

关键词：自紧式法兰，管道连接装置，ANSYS，应力，密封性

Abstract

In the fluid transportation industry, pipeline transportation is one of the most convenient way. However, for piping systems, the joints of pipe connections are often the weakest part and more prone to leakage, under high temperature and high pressure conditions, the mechanical performance and sealing performance of pipe connection joints requirements are higher. Flange connection is a common type of pipe connection, improved high-pressure self-locking flange is a new type of flange joints and it can improve the sealing performance in the high-pressure pipe to achieve self-tightening, and enhance the safety and stability of pipeline transportation. It is important to study the stress distribution and sealing performance of the modified high pressure self-tightening flange under high temperature and high pressure, which is of great significance to the design and practical production of the joints.

In this paper, 3D model of 2″specifications of the high-pressure self-locking flange is established by Pro/E software, and the stress distribution of high pressure self - tightening flange is analyzed by ANSYS·Workbench software. The model is improved according to the analysis results. The stress behavior of the modified high pressure self-tightening flange joints is analyzed under preload, high temperature and high pressure conditions. The structural analysis of the modified high pressure self-tightening flange is carried out based on the strength analysis and sealing analysis. The stress and sealing properties of self - tightening flanges of different materials at high temperature were studied.

The results show that the sealing performance of the joints is significantly improved and has the effect of secondary sealing after modifying the structure of the joints. When the sealing material is 42CrMo, the joints is suitable for use at 0 ~ 45MPa and 0 ~ 150℃. When the temperature exceeds 150℃, 42CrMo as the material of the sealing ring, the simulated stress value exceeds the allowable stress of the material. Replace the sealing ring material, the use of nickel-based super alloy InconelX-750 can meet the requirements of the use of conditions. Based on the improved structure, the products have good quality and have been used for oil and gas pipelines.

Key words: Self-tightening Flange, Pipe Connector, ANSYS, Stress, Sealing Performance

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 法兰管道接头的国内外研究现状与进展 2

1.2.1 传统法兰连接 2

1.2.2 新型法兰概述 4

1.3 ANSYS有限元研究方法概述 4

1.4 本课题的研究目的、意义和主要研究内容 5

第2章 管道连接装置的设计要求及数值模拟方法 6

2.1 高压自紧式法兰的设计研究 6

2.1.1 工作原理 6

2.1.2 连接装置的功能要求 7

2.1.3 连接装置设计准则及使用工况 8

2.2 数学模型 8

2.2.1 变形分析设计 8

2.2.2 管道的静应力分析 9

2.2.3 密封分析 12

2.3 结构分析有限元模型建立 13

2.3.1 几何模型 14

2.3.2 材料特性 14

2.3.3 网格划分 15

2.3.4 边界条件 15

2.3.5 结果分析 15

2.4 本章小结 16

第3章 高压自紧式法兰的模拟结果及结构改进 17

3.1 原始法兰的静力学计算结果及分析 17

3.2 改进型高压自紧式法兰的模拟结果 19

3.2.1 高压自紧式法兰的结构改进 19

3.2.2 改进型法兰的应力场分布 20

3.3 螺栓预紧力的影响 21

3.4 本章小结 23

第4章 改进型高压自紧式法兰的优化与分析 24

4.1 不同压力下密封装置的对比分析 24

4.1.1 法兰整体应力分析 24

4.1.2 密封圈应力分析 25

4.2 不同温度下密封装置的对比分析 26

4.2.1 温度对法兰整体应力的影响 26

4.2.2 温度对法兰密封圈应力的影响 28

4.3 不同套节和密封圈材料的对比分析 29

4.4 生产验证 31

4.5 本章小结 31

第5章 结论 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景

流体物料输送广泛运用于工业部门如天然气、石油、核电、船舶等行业。天然气的输送主要依靠长输管道，这是确保天然气高效安全运输的基础^[1]。在深水天然气水合物管道输送领域，将其从深水运输到海面的过程中，流体受到管道内工况和管道外海水温度、压力的影响，使管道内出现伴随水合物生长或分解的复杂气液固三相流动^[2]，故对流体物料运输的管道有较高要求。我国石油资源十分丰富，其运输主要依靠管输送，随着我国在石油开采领域的投入不断加大，要求流体管道运输符合安全、稳定、经济的原则^[3]。

在众多流体运输方式中，管道运输最为方便快捷、经济合理。为了降低流体在运输过程中的成本，创造更多的利润，提高在行业间的竞争力，同时满足现代化的实际需求，通过高压来输送流体变得越来越普遍。据有关资料显示，采用高压运输流体可节约四分之一的运输成本，因此，高压管道的使用对整个流体物料运输行业具有十分重要的意义。