法兰机械连接器（共7篇）
法兰机械连接器 篇1
1 概述
2 0 11年11月, 位于中国渤海湾的一条12.75寸注水管线发生了泄漏, 泄漏位置在管线的法兰处, 为了尽快完成法兰维修, 制定了4套应急维修方案。通过方案对比, 最终选择了使用法兰机械连接器的方案维修法兰, 下面介绍选择这种方案的原因。
2 方案选择
针对法兰泄露情况, 制定的4套修复方案如下:
2.1 更换密封圈
因为法兰发生泄漏, 最初怀疑可能是法兰之间的密封圈损坏, 为此制定了更换密封圈的维修方案。这种方案最为简单, 只需更换法兰的密封圈即可, 所需的费用和维修的时间也最短。但此种方案也存在着比较多的不确定因素, 如若不是密封圈损坏或者不完全是密封圈损坏, 而造成的法兰泄漏, 那么这种方案就是浪费业主的时间和金钱。
2.2 更换损坏的法兰
所谓的更换损坏法兰, 就是用吊机将带有损坏法兰的海管, 从海底提升到水面以上, 然后切除损坏的法兰, 安装新的法兰, 再将管线重新放回海底的一种维修方案。这种方案优点是:能够迅速、有效的修复海管的法兰。但是也有两个明显的缺点:一是此方案需要购买新的法兰, 这条管线的法兰比较特殊, 全部是Taper Lok型法兰, 而不是海管上常见的ANSI法兰, 这种法兰的采办周期很长, 需要25周以上的时间, 无法满足管道运营方对修复时效的要求;二是此方案需要平管起吊更换新法兰, 将管道从海底起吊至水面过程海管损伤的风险较大, 而且受海况、水深和管线现状等诸多因素的制约, 需要对管道目前的腐蚀情况等进行充分的了解, 并通过计算论证之后, 才可以实施。
2.3 安装封堵卡具
这种方案是在损坏的法兰上, 安装一个机械封堵卡具, 将整个损坏的法兰全部包裹在内, 解决法兰的泄漏问题。其实这种方案最适合于海管漏点的维修, 因为海管的结构简单, 便于管卡的设计和制造, 但是此条管线的泄漏点是在法兰上, 法兰结构复杂, 经过与管卡厂家的沟通, 获知这种管卡很难制造, 而且花费的制造时间也较长, 需要10周左右的时间。即便制造出管卡, 也只能是临时对法兰进行封堵, 不能完全修复受损的法兰。所以, 管道运营业主最终还是放弃了这个方案。
2.4 用法兰机械连接器维修损坏的法兰
在介绍这个方案前, 先简要介绍一下法兰机械连接器。法兰机械连接器是一种用于管线连接的连接器, 它的一端可以在水下直接套在海管的端部, 另外一端则是法兰面, 可以与其他法兰连接:
用法兰机械连接器维修损坏法兰的维修方案, 就是先进行水下切除损坏的法兰, 然后在切割端, 安装连接器, 最后安装新的连接管段的一种维修方案。这种方案的优点如下:
法兰机械连接器的采办周期比Taper-lok法兰短很多, 只需4周即可。
法兰机械连接器的一端是ANSI标准法兰, 若采办与其连接的同规格法兰, 所需时间也比Taper-lok法兰短很多——国产法兰只需4~8周即可。
由于连接器可以水下安装, 所以更换损坏的法兰时, 无需将海管从海底起吊至水面以上, 从而规避了海管受损的风险。
能够确保完全修复受损的法兰, 不存在不确定因素
所以, 业主方最终选择这种方案维修海管法兰。
方案描述
用法兰机械连接器维修损坏的法兰, 其具体的方案如下:
首先, 根据需要, 确定损坏法兰两端的切割位置, 然后水下切除损坏的法兰。
根据法兰机械连接器的安装要求, 在切割端开挖施工作业坑, 以便水下安装法兰机械连接器。
根据法兰机械连接器的安装要求, 清除连接器安装位置的水泥配重层、防腐层等管线涂层, 露出裸管以便安装连接器。
管线涂层清理后, 按照法兰机械连接器的说明书, 水下安装法兰机械连接器。
用法兰测量仪, 水下测量两个连接器之间的距离, 以便预制连接用的短节
根据测量结果, 预制连接用的短节, 注意焊接在短节两端的法兰, 与法兰机械连接器的法兰时统一规格。
短节预制后, 进行水下安装, 并与机械连接器连接。
连接器安装后, 在机械连接器的安装位置, 使用海管外防腐材料, 对剩余的裸露管段进行外防腐处理, 处理结束后, 在短节下方的悬空处, 填放沙袋。
进行管线整体试压, 试压合格后, 在法兰机械连接器与短节上方, 摆放水泥压块, 保护连接器与短节。
基于法兰机械连接其修复管道的方法, 该管线于2012年3月至5月完成了修复, 管道整体试压一次性合格, 管道修复后至今未出现任何泄露问题。
4 结束语
法兰机械连接器不仅可以用来修复损伤的管线, 而且还可以用来修复管线的法兰, 它最突出的优势在于, 可以直接安装到水下的海管, 从而规避了海管起吊的风险。这种方法特别适合于那些无法直接修复或更换法兰的情况, 具有很强的实用性。所以法兰机械连接器, 将来也会得到充分的重视, 并有广泛的应用前景。
参考文献
[1]Offshore Standard DNV-OS-F1012000, Submarine Pipeline System (DNV2000海底管道系统规范) , 2000年1月由挪威船级社出版
[2]DNV RP-F113Pipeline Subsea Repair (DNV海底管道维修规范) , 2007年10月由挪威船级社出版
[3]ASME B16.5-2003Pipe Flanges and Flanged Fitting (ASME B16.5管线法兰和法兰配件) , 2003年由美国船级社出版
法兰机械连接器 篇2
随着世界陆地和浅海石油资源的日渐枯竭,石油资源的开发逐渐转向深海。深海石油资源的开发需要用海底管道将水下采油树、水下生产管汇和深水采油平台连接起来。深海管道法兰连接技术属于水下回接技术,是将海底管道通过法兰螺栓连接方式连接,实现管道敷设的技术[1]。由于深海环境复杂、水压高潜水员无法工作,只能使用自动化的机械设备,这些设备包括ROV、H架、轴向对准机具、轴向接应机具和法兰连接机具等。本文主要提出一套深水管道法兰连接的工艺方案,并设计了适用于深水环境的法兰连接机具,以便为深水管道法兰连接技术的发展提供思路。
2 连接工艺方案
深水区域的海底管道的连接方法大都是机械连接方法[2],法兰连接是常用机械连接方式[3]。下面以管道间的连接为例介绍海底管道法兰连接的工艺过程(见图1):
(1)工作母船携带工作机具,如ROV、H架、轴向对准机具和法兰连接机具等至待连接管道的上方,并吊放机具;
(2)安装H架,H架在ROV的操作下将管道从海底抬起,并进行管道的粗对中;
(3)分别在两侧管道上安装轴向对准机具和接应机具,在ROV的操作下将管道拉近完成精对中;
(4)安装法兰连接机具,在ROV的操作下完成法兰对孔、螺栓插入和螺栓预紧等动作,再实现法兰连接;
(5)拆卸机具,工作母船回收机具,管道法兰连接完成。
3 法兰连接机具总体方案
深水法兰连接机具由深水法兰连接机具的机械本体、液压系统和控制系统三部分组成,见图2。系统的控制盘柜安装在工作母船上,通过脐带缆与ROV相连,ROV通过法兰连接机具上的ROV接口与法兰连接机具相连,将控制信号、电能和液压油传递给法兰连接机具。机械本体采用整体式结构由外框架、内框架、螺栓库和螺母库等部分构成,能够完成法兰对孔、螺栓插入和预紧螺栓等功能。液压系统由液压油源、液压阀箱、液压缸和液压马达组成,其中液压油源由ROV携带。
1.工作母船2.控制柜3.脐带缆4.ROV5.液压油源6.液压阀箱7.法兰连接机具
4 法兰连接机具的机构设计
深水法兰连接机具的主要功能是完成海底管道的法兰连接,为了顺利完成这个功能,法兰连接机具应具备以下功能:(1)应具备螺栓和螺母的存储功能;(2)应具备将旋转法兰的螺栓孔与固定法兰的螺栓孔对齐的功能,以保证螺栓能顺利穿过法兰螺栓孔;(3)应具备将螺栓插入螺栓孔的功能;(4)应具备将螺母旋紧到螺栓上的功能;(5)应具备对螺栓拉伸预紧,并锁住预紧力的功能;(6)应具备与ROV对接,并从ROV上获得动力的功能;(7)应具备将机具固定在管道上的功能,以保证机具在法兰连接过程中不受外部环境的干扰;(8)应具备微弱的正浮力,便于ROV携带。
1.浮力块2.夹紧卡爪3.螺母库4.中间定位体5.螺栓库6.内框架7.外框架
为了实现上述功能,法兰连接机的结构采用三瓣式设计,主要包括浮力块、外框架、内框架、夹紧卡爪、螺栓库、螺母库和照明、摄像系统等,三维结构模型见图3。浮力块使法兰连接机具有一定正浮力,方便ROV在水下携带法兰连接机具;外框架采用桁架式结构,安装有ROV接口,作为法兰连接机具的机架,部件安装时保证各个部件间正确的相对位置关系;夹紧卡爪用于夹紧管道固定法兰连接机具;内框架携带螺栓库和螺母库,可以绕管道轴线旋转使螺栓和螺母与法兰的螺栓孔对准,可以使螺栓库和螺母库沿管道轴线滑动将螺栓插入法兰螺栓孔中;螺栓库和螺母库采用三瓣式结构,分别携带法兰连接用的螺栓和螺母,螺栓库安装有对螺栓拉伸预紧的液压张紧器,螺母库安装有拧紧螺母的扳手装置。
5 结论
深海环境复杂,水下作业困难,海底管道法兰连接需要通过一整套的自动化作业设备,这些设备的设计难度大。针对深海管道铺设的需求,综合考虑深海作业环境,提出了深海管道法兰连接的一种工艺方案和设计了法兰连接机具的结构,为深水法兰连接和法兰连接机具的研究指明方向。
摘要：我国海洋石油产业正在向深水进军,以法兰连接为主要连接方式的深水管道连接技术是必须攻克的难题。因此,设计了一套深水管道法兰连接的工艺方案,并对关键设备法兰连接机具进行了设计研究。该研究成果对促进我国深水作业设备发展,提高我国深水管道连接技术具有一定意义。
关键词：深水,连接工艺,法兰连接机具,ROV,方案
参考文献
[1]时黎霞,李志刚,赵冬岩,等.海底管道回接技术[J].天然气工业,2008,28(5):106-108.
[2]焦向东,周灿丰,陈家庆,等.海洋工程水下连接新技术[J].北京石油化工学院学报,2006,14(3):20-22.
法兰机械连接器 篇3
海洋的表面积约为地球总面积的2/3,储藏着大量人类尚未发掘的丰富资源,包括各种稀有矿物质资源、天然气资源以及海洋生物资源,其中最重要也最有价值的就是石油资源,石油在当今乃至以后都是最不可或缺的战略能源物资[1]。深海的油气资源储备大约占全球石油资源总量的1/3左右,由此可见海洋石油将是今后世界各国争夺的焦点[2~4]。
水下法兰螺栓联接是个复杂的作业过程,尤其是在未知的无人深水环境下,存在洋流、地形、水下生物等诸多不可预测因素,而能见度不高、通信有限,使整个作业存在很大难度[5]。因此,机具需要具备高可靠性,高强度,良好可操作性以及作业的流畅性和灵活性[6]。 深水螺栓法兰自动连接器工作环境为1500m深的海底,需要连接器运动能够平稳低速。由于工况比较恶劣,对液压系统可靠性要求相对较高,并且要求在螺栓连接过程中各个运动部件运动平稳可靠,因此选择液压传动对其进行控制操作。液压传动具有传动平稳、换向容易、平稳调节牵引速度的优点。可进行过载保护,具有良好的自润滑性。
1自动螺栓法兰连接器液压系统原理
水下螺栓法兰自动连接器的液压系统主要功能是为了实现各库体及夹紧卡爪的一些直线往复运动和旋转运动,设计液压系统时还要考虑到经济性和安全 性 , 结合液压 系统的主 要功能和 辅助功能,对液压回路进行设计以及对液压元件进行合理选型[7]。整个液压系统中的各液压回路既要执行好各自动作又要互不干涉,并且根据负载的不同各压力回路的设定压力也不一样,所以各回路均设置减压阀以达到目标压力。液压泵站供油系统采用的是上置立式液压动力源,此种方式即液压泵置于油箱内的立式安装,噪声低且便于收集漏油,油箱容量可达1000L[8]。液压站配有循环冷却系统,用以冷却因液压马达、液压泵的机械能损失和管路控制元件的压力损失等所转化成的热量[9]。小直径水下螺栓法兰自动连接器的液压原理如图1所示。
2液压系统AMEsim仿真建模
水下螺栓法兰自动连接器的液压系统除了具有良好的静态性能外,还应具有良好的动态性能,因为系统中液压执行元件的各项参数通常是时刻变化的。采用真实元部件构成动态系统来进行试验费时费力,而液压仿真技术不仅可以预测液压系统的性能,还可以对所设计的系统进行综合分析和研究, 从而实现优化系统性能和改善系统稳定性的目的。
AMEsim软件是一种多学科交叉仿真软件,能够应用在产品设计的整个过程。在产品概念设计初期可以对产品内部原理进行简单建模,模拟产品整个机电一体化全过程,设计中期能够对初期设计进行优化,产品最后阶段可以对产品整体进行测试和仿真,验证产品最终性能,尤其适用于工程系统仿真。本文运用AMEsim软件对试验台液压系统进行仿真研究[10]。
2.1螺母库开合液压系统模型建立
2.1.1液压仿真模型创建
开合机构的液压系统需要保证库体在工作时一直处于闭合的状态,所以开合液压系统的保压是关键问题。根据螺母库开合机构的液压原理图,建立基于AMEsim的开合机构液压仿真模型,模型如图2所示。
在仿真过程中采用分段线性信号源的加载方式控制换向阀,模型包括液压泵、电机和安全阀组成的动力源,能够提供16MPa的稳定油压,其中电机选择的是恒转速电动机。执行机构部分用一个作线性运动的单端口质量块模拟开合机构与液压缸连接, 回路中采用液压双向锁实现执行元件的双向锁紧。
2.1.2液压泵子模型
液压系统每个元件必须有相应的数学模型与其相关联,传统的液压泵设计经验公式是以能量守恒定律为依托,考虑泵的油液泄漏和摩擦得出的,液压泵流量和转矩的传统数学模型为:
式中:
qout——液压泵的输出流量, m3/s;
Dp——液压泵的排量,m3/rad;
ω——电机的输入转速,rad/s;
G——液压泵的泄漏系数,m3/MPa·s;
pout——液压泵的输出压力,MPa;
Tm——电机的输入转矩,Nm;
Tp——液压泵的转化扭矩,Nm;
fr——转子的摩擦转矩。
2.1.3执行元件子模型
本系统的执行元件只有液压缸,阀控液压缸的数学模型按进油流量、回油流量和负载力来给出, 液压缸的进油流量Q1为:
式中:
A——无杆腔有效截面积,mm2;
y——活塞杆位移,mm;
V1——液压缸工作腔总容积,L;
β——液压油有效弹性模量,取β=7000kgf/cm2;
P1——油缸工作腔压力,MPa;
Cip——液压缸腔内泄漏系数;
P2——油缸回油腔压力,MPa;
Cop——液压缸外部泄漏系数。
液压缸的回油流量Q2为:
式中:
V2——液压缸回油腔总容积,L。
油缸的负载平衡方程为:
式中:
m——负载总质量,kg;
B——粘滞阻尼系数;
k——负载弹簧刚度,N/mm;
FL——外干扰力,N。
2.1.4液压管路子模型
为管路分配子模型时将管道作为实际溶液处理,有液阻、液感引起的压降,由此为液压管道的子模型选择考虑压缩且有液阻的液压管路,其中管道的压降和液阻的数学模型分别用下式来表达:
式中:
Δp——压力损失,即压降,MPa;
RH——液阻,MPa;
q——管道流量,L/min;
n——流量动态指数, n=1∶2;
λ——沿程阻力系数;
t——管道直线长度,m;
tr——当量管长,m。
2.2库体推进液压系统模型建立
2.2.1仿真模型创建
库体在沿轴向推进时需要保证低速平稳的进行,其中螺栓张紧机构在轴向的两个方向都需要能够调节速度。根据螺栓张紧机构体推进机构的液压系统原理图,建立基于AMEsim的库体推进机构液压系统仿真模型,模型如图3所示。
仿真时同样采用分段线性信号源的加载方式代替液控阀,模型包括液压泵、电机和安全阀组成的动力源。执行机构部分用一个单端口质量块模拟库体与液压缸连接,回路中的双向调速功能由一个分段信号源控制的节流阀来代替,以达到双向控制执行元件速度的目的。
2.2.2元件子模型
库体推进液压系统的仿真模型建立之后,需要为其中的液压元件分配合适的子模型,使每个模型与一个数学模型相关联。其中液压泵、溢流阀和电磁换向阀等与螺母库开合液压系统的子模型相同, 这里主要介绍库体推进系统的节流阀和液压缸。
(1)可调节流阀子模型
可调式节流阀的特征在于阀接头内设置可调螺杆,在阀的一端连通管座,筒体与阀接头相连,对具有呈周期性变化不大的被测对象起到限流减幅、 节流延迟的作用。本系统中采用可调节流阀主要是用来调节库体在轴线两个方向的速度都能低速稳定的运动,其中可调节流阀采用分段信号源来控制正反两个方向的流量大小。这里选择的子模型为: 通过可变液压阀口的流量是指定数值的可调式节流阀,如图4所示。
(2)液压缸子模型
与开合液压缸不同,推进液压缸的模型采用的是活塞杆端带有质量块的油缸模型,通过给质量块一端连接一个力模型来进行负载加载,力的大小通过分段线性信号源来控制。推进液压缸的子模型采用的是双液压腔单出杆作用力且无孔口的液压缸, 如图5所示。
3系统模型参数设置
3.1螺母库开合液压系统元件参数设置
螺母库开合液压系统的元件子模型选择完成后,需要对元件进行参数设置。首先确定执行元件的工作载荷,开合液压缸所受的负载包括左右库体总重、开合机构销轴转矩、螺母库上支撑板的两处支反力等,经计算并考虑安全系数后,将每个液压缸负载定为20k N。
其它元件参数设置情况如下:将系统压力设置为16MPa,即安全阀的阀口开启压力控制在16MPa; 为了补偿元件泄漏及管道液阻等因素对流量的影响, 设置液压泵的排量大于其额定排量,值为100cc/rev; 分段线性信号源设置两段输入信号,前10秒给定信号值为10 null,即令电磁换向阀在前10秒向右滑动, 后10秒信号值为0 null;设置换向阀各通口之间的最大流量均为60L/min,压力损失均设置为0.3MPa;考虑到管道的动态特性,设置管道直径为25mm,连接电磁换向阀及其执行液压缸的管道长度为2m,相对粗糙度0.0127。综上所述并结合上一章的液压元件选型结果,对各主要元件参数设置情况如表1所示:
3.2螺母库推进液压系统元件参数设置
库体推进液压系统的元件选择完子模型以后, 接下来对元件进行参数设置。首先确定执行元件的工作载荷,螺母库是工具库中受力最严重的,所以载荷按螺母库来计算,则推进液压缸所受的负载主要为螺母库和相应接口箱与导轨作用所产生的摩擦力,经计算并考虑安全系数后,将推进液压缸负载定为0.3k N。其中力模型的加载过程分三个阶段,如图6所示。
其它元件参数设置情况如下:直动式溢流阀的阀口开启压力设置为16MPa;设置液压泵的排量值为100cc/rev;电磁换向阀的分段线性信号源设置三段输入信号,前10秒给定信号值为40 null,即令电磁换向阀在前10秒向右滑动,第二阶段设置15s,信号值为0 null,最后阶段设置10s,信号值为-40 null;设置换向阀各通口之间的最大流量均为50L/min,压力损失均设置为0.3MPa;设置管道直径为25mm,管壁厚3mm,连接电磁换向阀及其执行液压缸的管道长度为2m,相对粗糙度0.0127。综上所述并结合上一章的液压元件选型结果,对各主要元件参数设置情况如表2所示:
4小直径水下螺栓法兰自动连接器液压系统仿真结果分析
4.1螺母库开合液压系统仿真分析
根据螺母库开合过程将仿真时间设置为10s,通信间隔为0.01s,得出液压缸和负载的相关曲线,并对各曲线进行分析。
图7显示了开合液压系统执行元件的系统压力和流量的变化过程,当电机带动液压泵开始工作以后,电磁换向阀在输入信号的作用下开启,不到1s换向阀完全开启。液压缸的压力和流量在0.4s内迅速上升到各自的工作值,0.4s后系统压力和流量基本达到正常工作值,系统压力稳定在5.2MPa,系统流量稳定在14L/min。当系统工作时间t=5s时,液压缸活塞杆伸出到终点即螺母库库体闭合以后,系统压力迅速升高,当压力升高达到安全阀的开启压力16MPa以后溢流阀阀口开启并溢流,受电磁换向阀等压降的影响,最终在液压双向锁的作用下执行元件输出端压力值维持在15.7MPa,此时的流量迅速下降并存在波动。
图8显示了开合机构速度和位移的关系曲线,螺母库开合机构速度在0.4s后逐渐稳定在0.04m/s,5s后随着活塞杆伸出达到终点位置机构速度迅速下降, 此时速度受液压系统流量影响存在微小波动,开合机构驱动螺母库左右库体运动到完全闭合的状态, 并在5.3s后完成整个开合过程。
从图7、图8看出,螺母库体整个开合运动所用时间为5s左右,平均开合速度0.04m/s,行程0.2m。 整个开合过程活塞杆伸出速度低速平稳,在运动结束阶段系统流量有波动,该波动是由于溢流阀的阀口开启特性产生的,阀芯在弹簧和油液作用下往复开闭造成了系统流量的波动,流量的波动范围较小在正常范围内,并且持续时间很短,不影响正常工作。
4.2库体推进液压系统仿真分析
将库体推进过程的仿真时间设置为35s,通信间隔为0.1s,螺母库库体推进的运动过程分为三个阶段:前10s库体前进、10s~25s库体静止、25s~35s库体后退。得出液压缸和负载的相关曲线并对其进行分析。
图9为螺母库库体推进系统的压力和流量变化曲线,从该曲线中可以观察出推进液压缸在推进过程的3个阶段压力和流量的变化过程。当电磁换向阀打开后,液压缸的压力和流量在1s内迅速上升,0.5s后系统压力和流量基本达到正常工作值。在0~10s内,电磁阀的在信号源的控制下将P口和B口连通, 螺母库库体在液压缸活塞杆拉力的作用下前进,系统压力达到并稳定在2.7MPa,系统流量基本控制在24L/min左右,在9.4s时活塞杆运动到极限位置,系统压力迅速升高,当压力升高达到安全阀的开启压力16MPa以后溢流阀阀口开启并溢流,压力稳定在15.7MPa;在10~25s内电磁阀处于中位,本阶段螺母库保持静止并进行其他动作,此时压力继续稳定在15.7MPa;在25s~35s内电磁阀P口与A口连通,本阶段螺母库体在液压缸推力作用下后退,有杆腔压力迅速下降至0MPa,而无杆腔压力开始上升,系统流量稳定于-23L/min左右。最终完成3个阶段动作。
图10为库体推进机构速度与位移的关系曲线, 从该曲线可以看出库体推进时螺母库的速度和位移的变化过程。螺母库推进机构速度在0.5s后逐渐稳定,前10s的速度值为0.053m/s,螺母库位移呈线性增长,9.4s时位移达到500mm;9.4~25s内随活塞杆伸出达到终点位置,机构速度迅速下降至0m/s,位移保持不变;25~35s内螺母库反方向运动,速度为 -0.05m/s,在35s左右螺母库回到起点完成整个过程。
从图9、图10看出,螺母库体整个推进过程所用时间为35s左右,库体前进和后退的速度分别为0.053m/s和0.05m/s,过程中最大位移500mm。库体在轴向的两个方向都达到了低速平稳的运行,且两个速度值相差不大,仿真基本满足库体推进过程的要求。
5结论
一种新型法兰连接垫片设计 篇4
关键词：法兰密封,垫片,金属波齿骨架,O型圈
0 引言
法兰接口通常由两片法兰、螺栓、螺母、垫片组成。由于现代生活的快速发展和绿色生活的要求, 对垫片的密封性能要求也越来越高。目前市场上有两种比较典型的密封形式, 即O型圈密封与金属波齿垫片密封。虽然两者均具有很多密封优点, 但也有在密封过程中的不足之处。为了能有更好的密封垫片, 有必要对现有的垫片做出创新和改进, 以满足人们在生产过程中的各种需要。
本文针对这两种密封形式进行简要分析, 并提出了所设计的一种新型法兰密封垫片。
1 O型圈密封
O型圈密封是一种挤压型密封, 其密封示意图如图1所示。装配后[1]O型圈在径向有一定的压缩, 依靠压缩变形在耦合面上产生一定的接触应力而起到密封作用。且O型圈既可用于静密封, 又可用于动密封, 但当压力较高时, O型圈可能被挤变形, 从而导致损坏, 无良好的密封效果。
2 金属波齿骨架密封
波齿复合垫片是以金属材料为骨架, 其密封示意图如图2所示。在其密封表面上加工出多道同心圆沟槽 (金属波齿环) , 以金属波齿环为基体, 其密封面贴以柔性石墨材料而构成的组合式垫片。由于特殊构造的金属波齿环具有一定的回弹性能, 柔性石墨作为密封面又具有良好的密封性能, 故波齿复合垫片在石化法兰密封中得到广泛的应用。但目前波齿复合垫片的生产大多依靠经验, 垫片的质量也参差不齐[2,3]。根据GB/T4338-1995《金属材料高温拉伸试验》[4], 以及进行热应力分析[5], 可以发现垫片在高温、螺栓预紧力、内压的共同作用下, 若超过了材料的屈服极限, 则会发生损坏及断裂。
3 新型法兰密封垫片
笔者设计了一种新型法兰密封垫片, 本设计针对金属波齿垫片以及O型圈的缺点与不足, 做出改进与创新, 设计的新型垫片结构如图3所示。两个橡胶O型圈都采用耐高温高压耐腐蚀的橡胶材料, 椭圆金属外圈采用耐高压高温的具有高强度和一定弹性变形的金属材料, 金属骨架可采用1Cr13、0Cr18Ni9等材料[6], 在O型圈和波齿骨架之外填充石墨。
1.石墨填充材料2.波齿骨架3.外侧橡胶圈4.内侧橡胶圈
使用时, 安装法兰装置后上紧螺栓, 首先在预紧力的作用最内圈的橡胶圈先被压缩变形, 产生第一层密封。然后随着负载的变化, 第二个橡胶圈也产生变形量。两个橡胶圈的变形量最高可达40%以上, 已经足以达到良好的密封效果。此时法兰接口的主要密封环节是由垫片内的O型橡胶圈在起作用。如果负载继续增加, 波齿骨架产生变形, 再次加强密封, 而且波齿骨架以及两个O型橡胶圈都有回弹性, 能够随着负载的变化自动调节压缩量, 从而产生最佳的密封效果。当橡胶圈受管道内介质的压力将向外侧变形位移时, 波齿骨架产生相应的变形, 有效地控制住内侧O型圈的位移, 且对密封效果起到辅助作用。
4 结论
本文对法兰密封原理进行了分析, 在总结O型圈密封和金属波齿骨架密封形式的基础之上, 提出了一种新型的密封垫片结构。即改进了以往的垫片结构, 把石墨、O型圈和金属波齿骨架三者组合使用、互相配合来弥补其单独密封时的不足, 从而达到更好的密封效果。但是本文提出的改进垫片结构还存在一定缺陷, 比如有时需要设计一定的O型圈的沟槽和各结构之间的配合, 因此, 尚需进一步优化改进, 相信随着研究密封垫片的人越来越多, 各种新型密封垫片也将层出不穷。
参考文献
[1]齐晓杰.汽车液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社, 2011.
[2]尚庆军, 周先军.波齿复合垫片结构参数研究[J].压力容器, 2003, 20 (7) :13-15.
[3]周先军, 仇性启.波齿复合垫片压缩回弹性能[J].石油化工设备, 2003, 32 (7) :12-14.
[4]GB/T4338-1995金属材料高温拉伸试验[S].北京:中国标准出版社, 1996.
[5]郑津洋.过程设备设计[M].北京:化学工业出版社, 1991.
法兰机械连接器 篇5
连接法兰是某机动平台的重要传动构件,其主要作用是通过输出将扭矩传递给与之连接的轮盘,使连接法兰在满足力学要求的同时减少材料的应用,是满足该平台轻量化设计要求的重要问题。
本文通过建立连接法兰拓扑优化有限元模型,得到了扭矩作用下的法兰最优材料分布结构,验证了法兰拓扑优化数学模型的正确性以及将拓扑优化引入法兰结构设计的可行性,为目标的轻量化设计提供了可行性参考,具有重要的现实意义。
1 结构优化设计基本理论
优化设计方法指在一定的要求和条件下,建立包括设计变量、目标函数和约束条件3个基本要素的优化问题数学模型,通过反复迭代数学模型中设计变量的灵敏度来确定每个变量,然后得到设计变量的新坐标,并对模型进行修改和计算,最后满足灵敏度要求[1]。由于当设计变量较多时,伴随变量法可通过计算伴随变量避免对隐式变量求导,显著提高分析效率,所以灵敏度的设计采用伴随变量法[2]。
将法兰结构的有限元方程[K]u=F的两边同时对设计变量xi求导得:
其中:[K]为刚度矩阵;u为单元节点位移矢量;F为单元节点载荷量。
因F不随xi的改变而改变,将式(1)简化为:
将结构响应hj=QjTu的两边对xi求导有:
将式(2)代入式(3),再令QjT[K]-1=ET,得到结构响应灵敏度:
其中:E为伴随位移;Qj为伴随载荷。
2 法兰原始结构有限元分析
2.1 法兰模型的简化
在整个装配关系中,机动平台输出轴通过键槽将扭矩传递给法兰,法兰将扭矩传递给轮辐。根据设计要求,可将连接法兰分为可设计区域和非可设计区域。本文遵循抓住主要问题、忽略次要矛盾的原则,将对结构受力影响不大的微小结构进行简化,去掉运动体上影响网格质量的倒角等细小结构。连接法兰结构简化前、后的模型如图1所示。
2.2 建立法兰有限元模型
将简化后的法兰模型导入到有限元前处理软件HyperMesh中,加载ANSYS分析模块,建立如图2所示的有限元计算模型。根据法兰承力与装配关系,简化后的法兰中心(箭头处)承受一个大小为800N·m、方向垂直于法兰平面的扭矩作用,其边缘处6个环形均布的螺栓固定部分需在螺栓孔表面上的节点施加完全固定约束。忽略温度的影响,材料系数可取为常数,此处定义分析件的材料为各向同性的线弹性材料45钢,其弹性模量为2.05×105MPa、屈服强度σs=355MPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 890kg·m3。同时,选用8 节点的Solid185,共生成154 450 个单元、182 184个节点。
2.3 有限元计算结果
根据设计要求,取法兰安全系数ns=2,翻转臂的许用应力[σ]=σs/ns=355/2=177.5 MPa。
将有限元模型导入到ANSYS中,计算得到如图3所示的法兰Von Mises应力云图。可见,施加扭矩后,法兰盘可设计区域的应力大小分布不均,由内向外逐渐减小,外围边缘应力均较小,最大应力107.321 MPa在中间法兰颈与可设计区域的连接处,小于许用应力177.5 MPa。通过校核可见,法兰结构满足静强度要求,是满足安全条件的。
3 基于SIMP理论的法兰拓扑优化设计
拓扑优化是在给定的设计区域内根据已知的约束条件,结合有限元分析和优化方法解决材料分布问题以达到设计要求的一种结构设计方法。本研究采用SIMP(Solid Isotropic Microstructures with Penalization)法[4],设置优化三要素如下:
(1)设计变量:设计变量为可设计区域中每个单元的相对密度(和相应的单元刚度)。该“单元密度”同材料参数有关,在0~1之间连续取值,优化求解后单元密度为1 或靠近1 表示该单元位置处的材料很重要,需要保留;单元密度为0或靠近0表示该单元处的材料不重要,可以去除。
(2)约束条件:取单元最大应力上限为140 MPa,即优化后单元最大应力不得超过140MPa;同时,考虑到法兰加工过程的可行性与方便性,故设定结构任一部分的尺寸或厚度要大于10mm。
(3)目标函数:体积最小化,即重量最轻。
3.1 建立拓扑优化模型
采用与分析法兰静强度时相同的有限元模型,在HyperMesh中加载OptiStruct分析模块。图4 为法兰拓扑优化模型,包括可设计区域①(法兰中间过渡区域)和非可设计区域②(外围)。
3.2 拓扑优化计算结果
优化算法经过数次迭代计算,得到如图5所示的法兰单元的最优伪密度。其中,区域①的单元伪密度为0.001;区域②的单元伪密度为1;区域③的单元伪密度在0.3~0.7之间。可见,绝大多数单元的伪密度都在0.001或1附近。在剔除伪密度值小于0.8的单元后,得到在质量和刚度优化配置后的法兰结构的最优材料布局结构,如图6所示。
从拓扑优化结果发现设计区域的材料主要集中于内孔向6 个螺栓孔辐射的路径上,整体呈“花瓣”状。这种材料分布符合力学传递路径,对传递扭矩起到较大的贡献,符合实际情况。
3.3 模型重新设计与静力分析
在拓扑优化结果的基础上,按照所得材料分布的形式与厚度,充分考虑结构的光顺性和工艺性,重新设计法兰中间的可优化区域得到如图7所示的新法兰结构。将优化后的法兰采用与优化前的法兰有限元模型相同的材料参数与单元类型,再次导入到ANSYS中计算相同载荷与约束条件下的最大应力,进行静强度分析,有限元计算模型如图8所示。
图9为拓扑优化后的法兰应力云图。从计算结果中可以看出重新设计后的法兰在扭矩的作用下,中间大部分可设计区域应力分布均匀,只有很小的一部分应力集中区域,主要分布在“花瓣形”结构尺寸突变处,符合实际情况;最大应力值为136.33 MPa,小于许用应力177.5MPa,可见优化后的法兰满足静强度要求。
3.4 拓扑优化前后法兰强度对比分析
通过以上建立的法兰拓扑优化前、后有限元分析模型和强度计算,同时根据结构体积大小计算优化前、后法兰结构的质量,结果对比如表1所示。
由表1可见,优化后的法兰质量为6.63kg,比原结构减少了近2.57kg,减重百分比达18.9%。该平台中有若干个此类零件,则整个平台减重的效果相当可观。
4 结论
(1)将拓扑优化技术引入到连接法兰结构的优化设计中,建立了连接法兰的拓扑优化模型,实现了扭矩载荷作用下法兰的拓扑优化设计。
(2)分析了相同载荷与约束条件下,法兰优化前、后的集中应力分布情况和最大应力值。证明了优化后的法兰结构不仅能保证静强度、符合设计要求,而且材料分布更加合理、材料利用率更高,减轻了法兰结构质量,达到了轻量化的目的。
(3)通过对比分析拓扑优化前、后法兰的静强度和重量等结果,证明法兰经拓扑优化后取得了良好的减重效果,说明了将拓扑优化技术引入连接法兰结构优化及轻量化设计的可行性,所得连接法兰拓扑形貌为后续详细的结构设计提供了有效参考。
摘要：基于OptiStruct拓扑优化的理论和方法,建立了某机动平台的重要传动构件连接法兰结构简化后的拓扑优化有限元模型,得到了扭矩作用下的法兰最优材料分布结构形式,并对优化前后的法兰进行了静强度计算和对比分析。研究结果表明,优化后的法兰结构质量较优化前减轻了近20%,且结构强度满足设计要求;同时,验证了法兰拓扑优化数学模型的正确性以及将拓扑优化引入法兰结构设计这一思想的可行性,为法兰以及机动平台的轻量化设计提供了可行性参考。
关键词：连接法兰,拓扑优化,有限元,结构优化,轻量化
参考文献
[1]卢险峰.优化设计导引[M].北京:化学工业出版社,2010.
法兰机械连接器 篇6
1 垫片密封机理
法兰、螺栓、垫片的密封方式属于强制性密封, 其密封失效的表现为泄漏。流体在密封处的泄漏主要有两种形式:一是垫片渗漏, 二是界面泄漏。垫片渗漏是流体通过垫片中毛细管或微小的缝隙泄漏, 通过选择垫片的不透性材料与组合式的结构可以避免渗漏。界面泄漏是流体通过垫片与法兰接触界面的泄漏, 主要与界面间隙的大小有关。由于加工后的法兰密封面存在细微的、凹凸不平的间隙, 要借助垫片在螺栓预紧载荷作用下的变形来填充密封面的间隙来阻止泄漏。其中界面泄漏是垫片密封的主要失效形式, 为使垫片保持有效密封需要满足两个基本条件:
预紧时, 垫片在压紧力作用下, 产生压缩变形, 填满法兰密封面上的微小间隙, 形成了初始密封工况条件。
操作时, 在内部介质压力作用下, 螺栓受拉应力而伸长, 法兰密封面彼此间要分离, 垫片的压缩量减小, 发生回弹。如垫片的压缩变形的回弹能补偿因螺栓的伸长和密封面的分离, 使密封比压不小于工作时的密封比压, 法兰的密封面继续保持良好的密封状态, 形成了阻止界面泄漏的工作密封条件。
只有同时满足这两个条件, 形成有效的密封, 保证良好的垫片密封效果。
2 密封垫片失效的原因
2.1 操作参数的影响
操作参数即垫片的工作条件, 包括介质的压力、温度及物性。
温度升高, 介质的黏度减小, 渗透性增强, 渗漏的倾向性增大。高温下介质的物性增强, 会加剧对垫片和法兰的腐蚀和溶解。高温会使法兰、垫片、螺栓发生蠕变和应力松弛, 使密封比压下降。一般来说, 密封泄漏经常发生在温度急剧变化的情况下, 会严重影响密封性能, 甚至使密封因疲劳而完全失效。
2.2 密封垫片压紧力分布不均匀
压紧力的不均匀是由多方面因素造成的。首先是人为因素, 螺栓预紧力的大小和所选用垫片的垫片系数与预紧比压有直接关系, 在安装施工时, 不对称预紧螺栓, 螺栓预紧力大小不一, 容易造成压紧力不均匀造成垫片弯曲变形。其次理论上法兰压紧时, 密封面是绝对平行的, 然而在实际施工过程中, 法兰的不同心使密封面相互错开, 预紧螺栓会对法兰产生弯矩, 法兰受力不均匀, 导致密封面发生变形, 使密封压紧力减小, 在运行载荷下, 容易产生泄漏。再次, 螺栓排列密度对压紧力分布影响也较明显, 螺栓挨得越近, 压紧力越趋均匀。法兰在压紧力的作用下压缩垫片, 增加垫片密度, 降低内部的孔隙, 减少渗透泄漏发生。
2.3 法兰刚度的影响
刚度不足会使法兰产生过大的扭曲变形, 降低法兰与垫片之间的贴合度, 从而导致泄漏, 这也是垫片密封失效的主要原因之一。刚度大的法兰变形小, 可以使螺栓预紧力均匀传递给垫片, 提高法兰的密封性。影响法兰刚度的因素有很多, 如增加法兰厚度、增大法兰外径都能提高法兰的刚度。采用带颈法兰或增大锥颈部分尺寸, 可以显著的提高发抗弯能力。缩小螺栓中心圆直径能有效的减少法兰承受的弯矩, 有利于垫片密封。
2.4 法兰密封面形式与精度
法兰密封面形式及加工精度的高低对密封效果的影响至关重要。例如在密封度要求较高的场合, 应采用凹凸面或者榫槽面。法兰密封面的平面度、密封面与法兰的中心线垂直度也直接影响密封垫片受力的均匀度以及法兰与垫片的接触情况, 都应给予全面充分的考虑。法兰密封面的粗糙度要与垫片相匹配, 一般来说, 在使用金属垫片时, 压紧面的质量等级应比使用非金属垫片高。
2.5 垫片性能的影响
垫片的变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。变形能力大的垫片容易填满密封面的间隙, 不会需要太大的预紧力;回弹能力大的垫片可以轻易适应操作压力、温度的波动。薄的垫片其周边暴漏于密封介质的面积少, 沿垫片本体的渗漏也随之减少, 垫片的最小厚度要考虑法兰表面粗糙度、垫片的压缩性等因素影响。尽可能选择较窄的垫片, 垫片越宽, 所需要的预紧力就越大, 法兰和螺栓的尺寸也就越大。
3 垫片的选用原则
为保证设备具有良好的密封性能, 如何正确选用垫片成为了关键因素。在决定选用垫片前, 需要对垫片的密封性能、额定压力、额定温度、介质特性、密封面型式、结构装拆难易程度、经济性等多种因素作全面的分析。
选择垫片的原则如下:
(1) 在低压及温度不高的场合, 宜选用非金属软密封垫片;在中压、中温及渗透性强的介质宜选用组合式垫片 (如金属包覆垫、金属缠绕垫) ;在低温、腐蚀性介质或真空条件下, 宜选用特种垫片;压力和温度有波动的场合宜采用回弹性好的和具有一定自紧式作用的垫片。
(2) 垫片具有良好的压缩回弹性且有适当的柔软性, 能与密封面较好贴合;
(3) 垫片不污染介质, 也不腐蚀密封面;
(4) 耐工作介质的腐蚀, 并有良好的物理性能, 不会因低温而发生硬化脆变, 也不会因高温而发生软化或塑流, 抗蠕变性能好;
(5) 具备良好的加工性能, 垫片材料易得, 成本低;
(6) 选择垫片需要综合考虑垫片和接头法兰的结构, 使之与法兰相匹配;
(7) 要控制垫片的宽度, 如果在螺栓孔周缘的垫片宽度少于垫片厚度的六倍, 该部位的垫片可能会承受不了螺栓拧紧产生的负荷而碎裂;
(8) 要保持适当的垫片厚度。垫片越厚, 螺栓扭矩的保持率会越低。从抗压性能与螺栓扭矩保持率的观点来看, 垫片材料是越薄越好。但如果密封系统的法兰压力分布太大, 较厚的垫片能帮助垫片对法兰面的整合, 也可减小粗糙法兰面对垫片的撕裂作用;
(9) 应尽量简化规格, 减少品种, 除满足使用要求外, 要归并规格和材料, 避免不必要的多样化, 方便管理。
4 结论
法兰、螺栓、垫片组成的连接系统中密封失效的原因很复杂, 选择合适的密封垫片需要考虑的因素也比较多。工程设计人员才是选择密封垫片的最终执行者, 为避免因垫片密封失效造成经济损失, 保证生产装置安全稳定运行。设计人员要认真执行标准规范, 注意选择垫片要考虑三个重要因素:垫片能够承受的最高持续应用温度;垫片达到完全密封的最低法兰压力;垫片能够承受的最高法兰压力。
摘要：主要论述垫片密封机理, 影响密封垫片失效的原因以及垫片选用原则, 得出了工程上选用垫片的三个重要依据。
法兰机械连接器 篇7
工业减速机是一种应用非常广泛的动力传动机械, 主要使用齿轮机构进行传动。在减速机运转的过程中, 齿轮啮合、轴承的转动、油封处的摩擦以及齿轮对油的搅动都会产生热量, 导致减速机温度升高, 高温将对减速机产生很不利的影响, 既会造成油封失效, 也会使润滑油粘度降低, 甚至润滑失效。所以减速机必须要有良好的散热。一般情况下减速机可以通过箱体表面进行散热, 也可以通过加装风扇或水冷盘管来提高冷却的效果, 但是在一些应用场合中由于工况环境比较恶劣, 减速机产生的热量不能及时散发, 导致减速机的温度过高, 这时候靠减速机本身再加上风扇和水冷盘管都已经不能满足要求了, 必须使用强制润滑来排出减速机产生的热量。通常是用一些管路连接减速机和润滑油站, 由油站对润滑油进行循环散热。管路有硬管和软管, 本文所述的法兰盘连接结构主要用于硬管。
2 硬管连接存在的问题
常用的硬管连接, 都是在钢管两端各自焊接上一个标准的钢制法兰 (比如平焊法兰、对焊法兰) , 再和另一个钢管上的法兰进行连接。两个法兰上都有对应的螺栓孔, 先在两个法兰之间加一块石棉橡胶垫片防止渗漏, 然后用螺栓、螺母进行连接即可。传统的方式都要先把法兰固定焊接在管子上才能进行下一步连接, 由于焊接过程中的变形和误差, 很可能会产生一个管子和另一个管子对不准的问题, 尤其是对一些大直径输油管路, 会存在一些管路旋转角度不易调整的问题。这样对法兰盘上连接孔的位置精确度要求就会很高, 需要进行精确焊接防止连接孔对接不上, 有时候还要进行现场配焊才能保证两个管子的法兰能准确安装在一起, 给设计、加工、装配都带来了一些麻烦, 浪费人力和时间。
3 新型易装卸法兰连接结构设计方案
为了克服现有技术的不足, 我公司在以往经验的基础上, 设计了一种新型工业减速机输油管路易装卸法兰盘连接结构, 该结构具有安装省时省力、节省成本、安装效率高、密封性好的特点。如图1所示, 这种法兰盘连接结构仍然由两组管子构成, 左侧的钢管上面打坡口, 固定焊接一个标准钢制法兰;与之不同的是, 右侧的管子不是和法兰直接焊在一起的, 而是和一个T型管焊接在一起, T型管的端面上加工有一个圆形槽, 里面装上O型密封圈。T型管的外面装有一个活动法兰盘, 其内径和T型管的外圆之间有一定的间隙, 活动法兰盘可以绕着T型管旋转。其优点是:活动法兰盘可以转动, 在管子连接时可以调整连接孔的位置, 即使在管子有一定的焊接误差和变形的情况下, 也可以保证正确地安装。不再需要精确焊接, 也不需要进行现场配焊, 节省了人力和时间、降低了成本。
1.活动法兰盘2.T型管3.圆型槽4, 5.钢管6.密封圈7.固定法兰盘8.螺栓
4 具体实施方式和应用
如图1所示, 新型易装卸法兰盘结构由钢管、固定法兰盘、活动法兰盘、T型管、O型密封圈、螺栓螺母组成。其中钢管5的一端打坡口, 和固定法兰盘7焊接在一起, 另一端的钢管4不直接和法兰盘焊接, 而是和T型管2焊接在一起, T型管的端面上加工有圆形槽3, 里面装有O型密封圈6。活动法兰盘1和T型管2之间有一定的间隙, 这样它可以套在T型管上并且可以在圆周方向上360°转动。固定法兰盘7和活动法兰盘1上各有一组螺栓孔, 用螺栓和螺母进行连接。
在连接两个管子时可以旋转活动法兰盘使之与另外一个固定法兰盘上的连接孔相对应, 便于两侧法兰盘的连接安装。安装时, 使用连接螺栓进行紧固连接, T型管的对接面上开有圆形槽, 装入O型密封圈, 从而提高了管道密封性能, 防止漏油。这样可以实现输油管路对接安装省时省力、节省成本、提高安装效率、缩短工期的目的。
比如在我公司开发的立磨减速机上, 由于使用油站润滑, 经常要用到DN125、DN100、DN65的油管, 以往由于管子焊接误差和箱体形状误差, 管子不能一次安装到位, 还要进行现场配焊才能让管子准确定位, 造成了很多麻烦, 增加了成本。后来使用了本文介绍的新型连接结构, 使管路的安装更加方便和容易, 减少了配焊作业, 降低了成本, 提高了效率。
5 结语
本新型法兰连接结构既有传统法兰连接方式用端面密封的功能, 又具有灵活安装的特点, 不仅适合于工业减速机的输油管路, 也可以用于其他机械的输油管路上, 具有很好的应用价值。
摘要：工业减速机的润滑管路上经常用到法兰连接。结合作者公司的一项专利, 对一种新型法兰连接结构进行了论述。