異徑三通泄漏夾具設(shè)計與分析機(jī)械設(shè)計及其自動化專業(yè)

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1、異徑三通泄漏夾具設(shè)計與分析 摘 要 據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國每年都會發(fā)生由于螺栓腐蝕堵漏所產(chǎn)生的人員傷亡事故。當(dāng)管道內(nèi)有較高的內(nèi)壓時，如果直接調(diào)換腐蝕螺栓易造成管道結(jié)構(gòu)爆裂，要是管道內(nèi)是有毒有害氣體、液體，或者管道是在高溫高壓的環(huán)境下，那么管道爆裂產(chǎn)生的后果將不堪設(shè)想。我所研究的項(xiàng)目是使用一種專門用于螺栓腐蝕與線密封的夾具，可以在不更換管道和不影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下安全有效的解決問題。所以這種密封技術(shù)最主要的問題就是夾具的設(shè)計。我這次研究的主要項(xiàng)目是異徑三通的泄漏夾具，它是由本夾具體和兩邊的耳板組成的。先根據(jù)事實(shí)工況，了解基本要求，運(yùn)用理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械工程材料、機(jī)械設(shè)計等

2、機(jī)械課程專業(yè)知識，并考慮溫度、壓力等現(xiàn)實(shí)因素的影響，從而對異徑三通泄漏夾具進(jìn)行理論設(shè)計，然后利用UG根據(jù)計算出來的數(shù)據(jù)繪制出異徑三通泄漏夾具的模型。最后通過有限元分析軟件對其強(qiáng)度和剛度的分析，得出夾具的可行性并確定異徑三通泄漏夾具的最后確定結(jié)構(gòu)，這里用的是ABAQUS。 關(guān)鍵詞: 密封；異徑三通管道泄漏夾具；UG；ABAQUS Design and Analysis of Three-Way Pipe With Different Diameter Leakage Fixture Abstract According to the survey found that,

3、 due to the bolt corrosion leakage of the personnel casualty our country at present every year.When pipeline with high internal pressure, if direct bolt corrosion of the pipeline structure burst switch, if the pipe is poisonous and harmful gases, liquids, or is under the environment of high temperat

4、ure and high pressure pipe, the pipe burst the consequence will be unimaginable.My research project is to use a dedicated line bolt corrosion and sealing clamp, can not replace the pipeline and does not affect the normal operation of equipment under the condition of safe and effective to solve the p

5、roblem.So the main problem is the sealing technology of jig design.My main project is the study of reducing tee leak clamp, it is made of the concrete and the ears on both sides of the plate.Therefore according to the working condition of the facts first, and understand the basic requirements, using

6、 the theory of mechanics, material mechanics, mechanical engineering, mechanical design, such as mechanical professional knowledge, and consider the effect of practical factors such as temperature, pressure, and thus to theoretical design of reducing tee leak clamp, then using UG according to the ca

7、lculated data to map the reducing tee leak clamp model, Finally through the finite element analysis software on the analysis of the strength and stiffness, it is concluded that the feasibility of the fixture and determine leakage reducing tee finally determine the structure of the fixture, here with

8、 ABAQUS. Key Words: Clamp；Three-way pipe with different diameter leakage fixture；UG；ABAQUS 目　　錄 第一章　緒論 1 1.1 研究背景和意義 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1 1.2.1 國內(nèi)發(fā)展 1 1.2.2 國外發(fā)展 1 1.3 項(xiàng)目簡介 2 第二章 泄漏與密封 3 2.1 管道的泄漏 3 2.1.1 管道泄漏引發(fā)事故的比例 3 2.1.2 泄漏的危害 3 2.1.3 管道泄漏的形式及其部位 4 2.2 密封技術(shù) 6 2.2.1 密封的含義 6 2.2

9、.2 靜密封 6 第三章 異徑三通管道泄漏夾具的設(shè)計與計算 9 3.1 管道夾具簡介 9 3.1.1 夾具的作用 9 3.1.2 夾具的組成 9 3.1.3 腐蝕夾具結(jié)構(gòu)圖 10 3.2 異徑三通管道泄漏夾具各參數(shù)的設(shè)計 12 3.2.1異徑三通管泄漏夾具輪廓尺寸的設(shè)計 12 3.2.2異徑三通管道選取 15 3.2.3耳板厚度計算 16 3.2.4連接螺栓 18 3.3異徑三通泄漏夾具及螺栓的計算與繪制 21 3.3.1 泄漏點(diǎn)的工況參數(shù) 21 3.3.2異徑三通管道泄漏夾具相關(guān)尺寸的確定 21 3.3.3 根據(jù)各數(shù)據(jù)繪制直管泄漏夾具及裝配CAD 23 第四章

10、 異徑三通管道泄漏夾具的建模與分析 26 4.1 UG的應(yīng)用 26 4.1.1 UG簡介 26 4.1.2 UG繪制異徑三通泄漏夾具及其他部件 26 4.2 ABAQUS的應(yīng)用 29 4.2.1 ABAQUS的簡介 29 4.2.2 強(qiáng)度與剛度 29 4.2.3異徑三通管道泄漏夾具的有限元分析 30 第五章　結(jié)論 31 5.1 項(xiàng)目成果 31 5.2項(xiàng)目的價值 31 參考文獻(xiàn) 32 致 謝 32 第一章 緒論 1.1 研究背景和意義 從上世紀(jì)20開始，帶壓密封技術(shù)開始出現(xiàn)，經(jīng)過多年來各種先進(jìn)技術(shù)的不斷更新，這項(xiàng)技術(shù)在不同公司企業(yè)中開始

11、被運(yùn)用。運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)有個好處就是，如果在生產(chǎn)過程中發(fā)生泄漏，我們可以在正常生產(chǎn)的過程中，徹底解決泄漏問題。在二十世紀(jì)80年代，我國在這方面大行的研究還是沒有成效。為了推行這項(xiàng)技術(shù)，國家開始要求一些企業(yè)學(xué)習(xí)吸納這項(xiàng)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的學(xué)習(xí)不僅能帶動運(yùn)輸行業(yè)的前進(jìn)，還能解決人們生活中的很多問題。但是，夾具對解決泄漏問題有著至關(guān)重要的的地位。畢竟沒有碗誰也吃不了飯。所以說夾具的作用是相當(dāng)大的。國家的進(jìn)步離不開技術(shù)的引進(jìn)，我們應(yīng)該廣泛吸收其他國家的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，從而提升我國的技術(shù)水平。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1國內(nèi)發(fā)展 20世紀(jì)80年代，受國家經(jīng)委和中石化總公司委托，蘭化研究院已經(jīng)對這

12、項(xiàng)技術(shù)成功研發(fā)了，并有了一整套針對泄露的帶壓堵漏技術(shù)。現(xiàn)在此項(xiàng)技術(shù)正在快速發(fā)展，應(yīng)用范圍也越來越廣。近些年來，天津翔悅密封材料有限公司等其他企業(yè)，作為國內(nèi)的代表企業(yè)為中國培養(yǎng)了一大批從事相關(guān)管理和施工作業(yè)的技術(shù)型人才。目前，國內(nèi)從業(yè)人員規(guī)模較大，已高達(dá)十萬余人，培訓(xùn)學(xué)員經(jīng)過培訓(xùn)考試，并已取得特種設(shè)備作業(yè)人員證的技術(shù)人員僅天津翔悅密封材料有限公司一家就高達(dá)4176人，他們在維護(hù)生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行和保障公司生產(chǎn)效益方面發(fā)揮著極其重要的作用，為企業(yè)設(shè)備安全運(yùn)行、企業(yè)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 1.2.2國外發(fā)展 國外該技術(shù)起步較早，于1922年始于美國；英國人福斯哲于1929年

13、取得技術(shù)使用權(quán)并成立了弗曼·奈特公司；應(yīng)用范圍已在上世六七十年代逐漸發(fā)展并擴(kuò)大。到現(xiàn)在為止，能夠進(jìn)行帶壓密封技術(shù)的除了中國，還有外國的幾家公司,他們的水平比較高，如圖1.1所示,Fabricom GDF SUEZ、Petroseal、Nicco Engineering Services、Unique Maritime和Furminite等。根據(jù)已知的資料已經(jīng)了解到這五家公司在使用密封劑以及提供其他幫助的地方都各有不同，而且在防止高溫方面，中國使用的密封劑是遠(yuǎn)高于美國的水平。 圖1.1 國內(nèi)外壓力和溫度參數(shù)比較 Fig.1.1 Pressure and temperature par

14、ameters at home and abroad 1.3 項(xiàng)目簡介 什么是異徑三通夾具？所謂的異徑三通就是流體介質(zhì)在管道內(nèi)流動時，在某個位置向不同的方向流出。異徑就是流出管道的管道直徑不同。而所謂的夾具則是在泄漏缺陷部位形成密封空腔，對強(qiáng)度與剛度有一定保障的承壓金屬構(gòu)件。專用夾具是有本體耳板與緊固螺栓組成的，之前為解決用法蘭連接螺栓腐蝕而產(chǎn)生泄漏的問題，一般采用的措施是將腐蝕的螺栓更換掉，然后再用專用卡蘭將法蘭兩邊固定，再拿下那些壞的螺栓，換成新的螺栓。最后用法蘭夾具和密封劑堵住泄漏的地方，其實(shí)這樣做是十分不安全的。帶壓密封綜合這項(xiàng)技術(shù)主要有：固定在泄漏部位的夾具、添加到密封的

15、空腔而形成的密封劑、專用注射密封劑的工具和為形成新的密封結(jié)構(gòu)采用的封堵操控技術(shù)。 由此說來，本項(xiàng)目研究的前提是必須在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的殘缺，采用一種即不傷害到人，又能解決問題，同時能夠滿足螺栓腐蝕和線密封上的法蘭夾具。不過這種夾具的內(nèi)部與平時普通夾具的性能還有使用方法略有不同。先看看它的組成部分，它是本身就是一個圓柱形狀的夾具本身，而這種形狀的夾具起碼包括兩部分，同時在每一部分兩側(cè)上都設(shè)有一個耳板。夾具本身又有三部分組成，左右兩端和中間留出空間裝密封劑的部分。左右兩端的尺寸是根據(jù)泄漏管道的尺寸來定大小。耳板上設(shè)有螺栓孔，再根據(jù)管道內(nèi)的物體來設(shè)計專用的螺栓將整體連接起來。 第二章　泄漏

16、與密封 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 所謂的泄漏就是由于管道內(nèi)部或者環(huán)境因素導(dǎo)致管道爆裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就會造成我們的經(jīng)濟(jì)損失。如果嚴(yán)重的話，還會引起火災(zāi)、爆炸等人為災(zāi)害。為了預(yù)防、抑制這些現(xiàn)象的發(fā)生，就需要我們做好密封措施。 2.１ 管道的泄漏 2.1.1管道泄漏引發(fā)事故的比例 如圖2.1所示，這是根據(jù)全球各種事故的發(fā)生統(tǒng)計，調(diào)查發(fā)現(xiàn)由于泄漏所造成的危害統(tǒng)計。 圖2.1 泄漏引發(fā)結(jié)果的表現(xiàn)形式 Fig.2.1 The manifestation of the resu

17、lt of the leak 2.1.2泄漏的危害 泄漏的危害是相當(dāng)嚴(yán)重，特別是在工業(yè)上，不僅會造成材料和經(jīng)濟(jì)的損失，還會污染周圍環(huán)境。這種危害影響企業(yè)以后的工作安全，由于停工修理還會增加生產(chǎn)成本，降低為了的生產(chǎn)率。 2.1.3管道泄漏的形式及其部位 管道泄漏的形式主要有兩種：一種是焊縫缺陷引起的泄漏，另外一種是腐蝕引起的泄漏。 1.焊縫缺陷引起的泄漏 （1）夾渣：在焊接時，焊接部位焊入的非金屬物質(zhì)。因此，這個地方的應(yīng)力就會比較集中，就容易被破壞，如圖2.2所示。 圖2.2 夾渣的表現(xiàn)形式 Fig.2.2 The appearance of th

18、e slag （2）氣孔：在焊接時，焊接部位有時會出現(xiàn)大小氣泡。這個地方就容易被破壞，如圖2.3所示。 圖2.3 氣孔的表現(xiàn)形式 Fig.2.3 The form of stomata （3）裂紋：冷卻收縮過程不均勻，收縮快的地方是由于該部位冷卻快，反之，是由于冷卻慢，冷卻的速度不等引起裂紋，如圖2.4所示。 圖2.4 裂紋的表現(xiàn)形式 Fig.2.4 The form of the crack （4）焊接錯誤：將不應(yīng)該與不能焊接的管道焊接在一起，如圖2.5所示。 圖2.5 焊接錯誤示意 Fig.2.5

19、 welding error schematics 2.腐蝕引起的泄漏 由于外部介質(zhì)引起的金屬破壞的過程稱為金屬腐蝕。分為兩種形式：一種是化學(xué)腐蝕，還有一種是電化學(xué)腐蝕。比如說空氣中的金屬腐蝕就是電化學(xué)腐蝕，分為以下5種如表2.1所示。 表2.1 腐蝕樣式發(fā)大圖 Table 2.1 A large image of the corrosion pattern 腐蝕的形式 均勻腐蝕 應(yīng)力腐蝕 點(diǎn)腐蝕 晶間腐蝕 氫腐蝕 含義 腐蝕表面大約都1mm，對設(shè)備威脅最小的腐蝕 設(shè)備受力（拉力、壓力），同時受到腐蝕。 某一區(qū)域嚴(yán)重腐蝕，另一區(qū)域程度低，區(qū)域很小稱為點(diǎn)腐蝕

20、金屬是由晶體顆粒組成，晶體與晶體之間會產(chǎn)生腐蝕，晶粒之間易產(chǎn)生腐蝕 高溫下氫原子會擴(kuò)散到鋼材內(nèi)部，氫氣分壓越高，氫原子向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散速度越快。 放大圖 2.2 密封技術(shù) 2.2.1密封的含義 1.密封定義：防止固體、液體、氣體在連接處發(fā)生泄漏問題，以及防止外界雜質(zhì)對該處的侵蝕。 2.密封原理：密封件受外力的作用，與密封表面緊密接觸，從而達(dá)到密封的效果。如圖2.6：內(nèi)壓為P1，環(huán)境壓力為P2，內(nèi)外壓差為△P= P1- P2。介質(zhì)泄漏由A點(diǎn)流到B點(diǎn)，阻力降為△PAB，則：△PAB> P1- P2時，設(shè)備不漏，△PAB≤P1- P2時，設(shè)備發(fā)生

21、泄漏。 B P2 P1 A 圖2.6 密封原理圖 Fig.2.6 The principle diagram of the seal 2.2.2靜密封 1.靜密封的定義 靜密封是指兩個連接件處于禁止?fàn)顟B(tài)沒有相對運(yùn)動的的夾緊墊密封。根據(jù)材料墊片可分為：非金屬墊片、金屬墊片、復(fù)合墊片。根據(jù)結(jié)構(gòu)分為：靜密封的墊圈可分多平墊，梯形墊、錐形墊，液體密封墊等。不同的墊圈墊片有著不同的特點(diǎn)和適用環(huán)境，可根據(jù)不同壓力、不同溫度和不同性質(zhì)的介質(zhì)，選用不同的墊圈墊片。墊片墊圈的安裝對堵漏效果影響很大，如果選用不適合的墊片墊圈，

22、就會很容易造成管道泄漏。 2.靜密封處泄漏的形式 圖2.7 墊片的泄漏圖 Fig.2.7 The leak of the gasket 靜密封處泄漏的形式只要分為兩種：界面泄漏、滲透泄露。 所謂的界面泄漏就是介質(zhì)從密封件表面接觸到密封表面的一種泄漏。這種泄漏形式與密封表面粗糙度、墊片材料性能和質(zhì)量相關(guān)。如圖2.7所示，在1、3處產(chǎn)生的泄漏。 滲透泄漏是指介質(zhì)在密封墊的孔隙中的滲透。墊片是由植物纖維、動物纖維和礦物纖維材料制成的，介質(zhì)很任意從中間穿出，從而產(chǎn)生泄漏。如圖2.7所示，在2處產(chǎn)生的泄漏。 3. 密封墊片 密封墊片是法蘭密封的主要元件之一。墊片的

23、變形和回彈力是保證法蘭密封的主要條件。根據(jù)墊片的形狀可以分為以下幾種，如表2.2所示 表2.2 墊片斷面形狀 Table 2.2 Shape of gasket section 類別 材料 用途 纖維 植物纖維 棉、麻、紙、軟布 墊片、軟填充、防塵密封件、夾布橡膠密封件 動物纖維 毛、氈、皮革 墊片、軟填料、成型填料、油封、防塵密封件 礦物纖維 石棉 墊片、軟填充 人造纖維 有機(jī)合成纖維、玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維 軟填充、夾布橡膠密封件 工程陶瓷 氧化陶瓷、滑石瓷、金屬陶瓷、氧化硅、硼化鉻 金屬 有色金屬 銅、鋁、鉛、錫、金及其合金 墊片、

24、軟填充、機(jī)械密封、迷宮密封、硬填料、 浮環(huán)密封 黑色金屬 碳鋼、鑄鐵、不銹鋼、堆焊合金、噴涂粉末 墊片、硬填料、機(jī)械密封、活塞環(huán)、浮環(huán)密封、防塵密封、成型密封件 硬質(zhì)合金 鎢鈷硬質(zhì)合金、鎢鈷鈦硬質(zhì)合金 機(jī)械密封 4. 密封原理 如圖2.8所示，由于墊圈是不會產(chǎn)生塑性變形和彈性變形的，因此介質(zhì)很容易在界面的地方發(fā)生泄漏。將墊片放在密封件上時，由于受到擠壓力的作用，墊片就會發(fā)生變形，隨著壓力的不斷增加，密封壓力逐漸增大。墊片的變形，開始逐步墊表面變形，擠壓成致密的蓋槽，填滿山谷，阻止介質(zhì)滲透的界面。在墊片的作用下，在一定的塑性變形下，還具有一定的彈性變形，當(dāng)密封面受某些因素影

25、響時，間距變大，墊片具有回彈性和變厚，填充密封面變大，防止介質(zhì)從接口泄漏。 圖2.8 墊片的密封機(jī)理 Fig.2.8 Sealing mechanism of gasket + 第三章　異徑三通泄漏夾具的設(shè)計與計算 3.1 管道夾具簡介 3.1.1夾具的作用 為解決用法蘭連接螺栓腐蝕而產(chǎn)生泄漏的問題，一般采用的措施是將腐蝕的螺栓更換掉，然后再用卡蘭將法蘭兩邊固定，再拿下那些壞的螺栓，換成新的螺栓，最后用法蘭夾具和密封劑堵住泄漏

26、的地方，其實(shí)這樣做是十分不安全的。如果管道有較高的內(nèi)壓時，調(diào)換腐蝕螺栓易造成管道結(jié)構(gòu)爆裂，如果管道內(nèi)是有毒有害氣體、液體，或者管道是在高溫高壓的環(huán)境下，那么管道爆裂產(chǎn)生的后果將不堪設(shè)想。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國每年都會發(fā)生由于螺栓腐蝕堵漏所產(chǎn)生的人員傷亡事故。 為解決介質(zhì)泄漏問題，目前，帶壓密封技術(shù)是一種的有效方法措施。但是，在解決時候會遇到各種各樣的工況與繁瑣的問題，運(yùn)行中準(zhǔn)確地避免裝置泄露的問題，避免資源能源浪費(fèi)和安全事故出現(xiàn)是很必要的。但是，普通的法蘭夾具根本無法徹底根治腐蝕和泄露問題的。所以，設(shè)計該夾具，不僅安全可靠，還能夠在不更改原來密封原理的前提下，把泄露的部位成功地修復(fù)。隨著帶密封

27、技術(shù)的逐漸成熟與發(fā)展，夾具的設(shè)計就顯得尤為重要。而我研究的主要方向就是異徑三通管泄漏夾具。所以這里給大家介紹下異徑三通管道泄漏夾具的組成、結(jié)構(gòu)，并且通過現(xiàn)有的專業(yè)知識對其各參數(shù)進(jìn)行公式推導(dǎo)，來確定所需直管泄漏夾具的尺寸，為接下來的繪圖奠定基礎(chǔ)。 3.1.2夾具的組成 夾具又稱帶壓封堵，如圖3.1所示， 圖3.1 夾具的組成 Fig.3.1 The composition of jig 3.1.3腐蝕夾具結(jié)構(gòu)圖 圖3.2 夾具三維造型圖 Fig.3.2 3d modeling

28、 of fixture 圖3.3 夾具三維實(shí)體圖 Fig.3.3 Fixture 3d entity diagram 圖3.4 夾具局部放大圖 Fig.3.4 Fixture local enlarged drawing 圖3.5 夾具視圖 Fig.3.5 Fixture view 3.2 異徑三通泄漏夾具各參數(shù)的設(shè)計 3.2.1異徑三通泄漏夾具輪

29、廓尺寸的設(shè)計 1.主管管段夾具內(nèi)徑的確定 管道最外面的直徑就是泄漏管的外徑，這里用Da表示。注劑層的厚度，即夾具的空腔高度H，是設(shè)計者自己定的，一般取5到20。 介質(zhì)溫度和壓力均較低時，可取較小值；介質(zhì)溫度和壓力均較高時，可取較大值。如圖3.6所示，A處的尺寸就是主管管段夾具內(nèi)徑。計算內(nèi)徑D為： D=Da+2×H mm。 圖3.6 主管管段夾具內(nèi)徑 Fig.3.6 Supervisor section fixture diameter 2.夾具壁厚S的確定 如圖3.7所示 圖3.7 夾具的壁厚 Fig.3.7

30、The fixture of wall thickness (3.1) 式中：Pc---夾具設(shè)計壓力，單位：MPa [σ]t---在溫度作用下物體的許用應(yīng)力，單位：MPa Φ---夾具本體焊接系數(shù)； D---夾具本體計算直徑，單位：mm 若算出的數(shù)值小于14mm，則取14mm.若大于14mm，則取計算值，并取為整數(shù)。下面會具體介紹它的計算方法。 3.夾具外徑的確定 由圖3.6、3.7可知，夾具的外徑是泄漏管道的外徑加上2倍的壁厚S。 即D2 =D+2S

31、 (3.2) 4.夾具長度L的確定 夾具必須將泄露處包住，為了安裝方便，兩側(cè)都應(yīng)該留出適當(dāng)?shù)挠嗔?，一般端板?nèi)側(cè)距孔的邊緣不小于15mm，。再加上兩倍端封板厚度（端板厚度=1.3S~1.5Smm），夾具長度L就確定了。如圖3.8所示。 圖3.8 夾具的長度 Fig.3.8 The length of the clamp 5.端板上圓孔尺寸的確定 端板上圓孔的尺寸實(shí)際上就是泄漏管的外徑，如圖3.6所示，A出的直徑就是端板上圓孔外徑。如果取小了就會安裝不上。必須在不同的位置測量泄漏管的外徑，取其中最大尺寸作為端板的開孔尺寸。若還是相差比較大，就需要

32、在端板內(nèi)孔開槽，放入橡膠條或軟金屬條，來保證尺寸的精度。 6.夾具的軸向長度L 其軸向長度與夾具長度相等，這樣做主要是為了安裝方便，故應(yīng)焊有連接耳板，如圖3.9所示， 圖3.9 夾具的軸向長度 Fig.3.9 The length of the shaft of the fixture 7.注劑孔 為了使密封更加完善，必須設(shè)計組劑孔。根據(jù)夾具的尺寸結(jié)構(gòu)大小來設(shè)置注劑孔的數(shù)量，兩孔之間的距離應(yīng)小于100mm。如圖3.10所示， 圖3.10 注劑孔 Fig.3.10 Agent injection hole

33、 8.兩端板的外徑 一般情況下，兩端板的外徑就是夾具的外徑，也就是焊在最兩端外側(cè)的直徑。有些時候也可以是夾具內(nèi)徑，即焊在兩端內(nèi)側(cè)。如圖3.11所示，B出的直徑就是焊在最兩端外側(cè)。 圖3.11兩端板的外徑 Fig.3.11 The outer diameter of both sides 3.2.2異徑三通管道選取 根據(jù)表3.1異徑三通規(guī)格選取管道規(guī)格（摘自GB/T12459-1990）。這里我們選用的是25×25×15的規(guī)格。 表3.1 異徑三通管道選取 Table 3.1 Select reducing tee pi

34、pe 公稱通徑 DN 端 部 外 徑 中心至端面尺寸 D1 D2 C M A系列 B系列 A系列 B系列 20×20×15 26.9 25 21.3 18 29 29 25×25×20 33.7 32 26.9 25 38 38 25×25×15 33.7 32 21.3 18 38 38 32×32×25 42.4 38 33.7 32 48 48 32×32×20 42.4 38 26.9 25 48 48 32×32×15 42.4 38 21.3 18 48 48 40×40×

35、32 48.3 45 42.4 38 57 57 40×40×25 48.3 45 33.7 32 57 57 40×40×20 48.3 45 26.9 25 57 57 40×40×15 48.3 45 21.3 18 57 57 50×50×40 60.3 57 48.3 45 64 60 50×50×32 60.3 57 42.4 38 64 57 50×50×25 60.3 57 33.7 32 64 51 50×50×20 60.3 57 26.9 25 64 44

36、 3.2.3耳板厚度計算 1.應(yīng)用公式 （3.3） 式中：t---耳板厚度，單位：mm； 　L---耳板螺栓孔中心到夾具外表面距離，根據(jù)擺放的位置來確定，單位：mm 　C---密封空腔寬度，單位：mm； 　D---夾具計算直徑，單位：mm； 　b---耳板寬度，根據(jù)擺放的位置來確定，單位：mm；： 　[σ]t---溫度作用下材料許用應(yīng)力，單位：MPa。 2.耳板厚度設(shè)計 如圖3.12所示，t為耳板的厚度。 圖3.12 耳板厚度設(shè)計圖 Fig.3.13 The thicknes

37、s of the ear plate is shown 由材料力學(xué)基本公式，推導(dǎo)耳板厚度。 其彎曲力矩公式： M=F*L/2 單位：kg.cm （3.4） 式中：F---耳板作用力，其中F=CPcD，單位：N； L---彎曲作用力臂，其中L=L1，單位：cm； 耳板承受彎曲應(yīng)力為： （3.5） 式中：---彎曲應(yīng)力； M---彎曲力矩； Z---抗彎截面系數(shù)，如果截面形狀為矩形,則假設(shè)b為構(gòu)件寬度； t=構(gòu)件厚度，IZ=慣性矩

38、 整理得: (3.6) (3.7) (3.8) 式中：t---耳板最小厚度，單位：mm； 　　　C---密封腔寬度，當(dāng)管段采用夾具時，C為空腔寬度； 　　　Pc---設(shè)計壓力，單位：MPa； 　　　D---夾具計算直徑，當(dāng)管段采用夾具時， D為管道外徑+2倍空腔高度；當(dāng)采用法蘭夾具時，D

39、為法蘭外徑，單位：mm； 　　　b ---耳板寬度，單位：mm； 　　 L1 ----耳板螺孔中心至夾具最外面的間隔，單位：mm； 　　 [σ]t ----耳板所處溫度下的許用應(yīng)力，單位：MPa。 4.耳板的樣式 并列式，如圖3.13所示. 圖3.13 并列式雙螺栓耳板尺寸示意圖 Fig.3.13 Juxtaposition type double bolt ear plate size schematic

40、 （3.9） 4. 耳板螺孔設(shè)置 如圖3.14所示,一般情況下只設(shè)置兩個，特殊時候需要設(shè)置多個。 圖3.14 耳板螺孔設(shè)置圖 Fig.3.14 Ear plate screw hole setup 3.2.4連接螺栓 1.夾具的螺栓的要求 連接螺栓性能等級，需選用不低于8.8級的雙頭螺栓。如表3.2所示 表3.2 螺栓的分類 Table 3.2 The classification of the bolt 螺栓分類 普通螺栓 高強(qiáng)度螺栓 螺栓性能的

41、等級 3.6 4.8 5.6 6.8 8.8及以上 公稱抗拉強(qiáng)度 300Mpa級 400Mpa級 500 Mpa級 600 Mpa級 屈強(qiáng)比值 0.8 0.8 0.6 0.8 公稱屈服強(qiáng)度 240Mpa 320Mpa 300 Mpa 480 Mpa 螺栓性能等級是國際通用的標(biāo)準(zhǔn)，具有相同性能等級的螺栓。 材料和場地的差異不會影響其性能，只需設(shè)計的時候選用相應(yīng)的性能等級就可以了。以上的強(qiáng)度等級為6.8級和9.8級，就是指螺栓的抗剪切應(yīng)力等級（材料許用剪應(yīng)力）為8.8GPa和10.9GPa。 2.連接螺栓計算 (3.10)

42、 式中：d---連接螺栓的螺紋小徑，單位：mm； C---與耳板選用的密封腔寬度相同，單位：mm； Ck---剛度和預(yù)緊系數(shù)，Ck＝1.5； D---與耳板選用的計算直徑相同，單位：mm； n---夾具連接螺栓條數(shù)； [σ]t---溫度作用下材料的許用應(yīng)力，單位為：MPa；根據(jù)小徑d，查螺紋標(biāo)準(zhǔn)GB/T 196-2003得到。 圖3.15 螺栓連接示意圖 Fig.3.15 Bolt connection schematic 螺栓小徑的計算公式: (3.11) 式中：F---構(gòu)件承受的拉力，F(xiàn)=CDPcN S---單根螺栓截面積

43、，單位：mm2 ---材料的應(yīng)力,N/m2=Pa或N/mm2=MPa 帶入公式3.21的: (3.12) 式中：n---夾具連接螺栓數(shù)量 (3.13) (3.14) 將Ck=1.5帶入得 (3.15) 3.夾具連接螺栓小徑的計算 (3.16) 式中：d---螺栓小徑，單位：mm； C---密封腔寬度，單位：mm； Ck---剛度和預(yù)緊系數(shù)； n---螺栓條數(shù)； [σ]t ―螺栓處于溫度下的許用應(yīng)力； 如下表3.3所示，螺栓的選擇規(guī)格，這里選擇M12的規(guī)格。 表3.3 夾具連接螺栓與相關(guān)尺寸 單位：mm Table 3.3 F

44、ixture joint bolts and related dimensions Unit：mm 螺栓規(guī)格 螺孔直徑 墊圈直徑 墊圈半徑 螺母六角對角尺寸 L1取值 (不計坡口) 雙螺栓最小中心距 備注 M8 10 18 9 14.38 10 26 一般不用在夾具上 M10 12 22 11 17.77 12 30 一般不用在夾具上 M12 14 25 12.5 20.03 14 32 M14 16 28 14 23.36 16 36 M16 18 32 16 26.75 18 38

45、M20 22 38 19 32.95 22 46 M22 24 42 21 37.29 24 52 M24 26 45 22.5 39.55 26 56 3.3 異徑三通泄漏夾具及螺栓的計算與繪制 3.3.1泄漏點(diǎn)的工況參數(shù) 經(jīng)過上述各公式的推導(dǎo)與確定，我們便可以設(shè)計并確定出直管泄漏夾具的結(jié)構(gòu)。表3.4即為在現(xiàn)場測量出來的某管道的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來確定直管泄漏夾具的最終尺寸。 表3.4 管道夾具泄漏介質(zhì)參數(shù) Table

46、 3.4 The leak medium parameter of the pipe 介質(zhì)名稱 壓力/ＭPa 溫度/℃ 管道直徑mm 閃點(diǎn)/℃ 自燃/℃ 爆炸極限(v%) 水蒸汽 2 230 25×25×15 上限 下限 3.3.2異徑三通泄漏夾具相關(guān)尺寸的確定 如圖3.16所示,本體選用Q235-B鋼材，[σ]t=105MPa。設(shè)密封腔高度=10mm，螺栓選用35CrMoA，[σ]t=179MPa現(xiàn)場測量：主管外徑Da=25mm，支管外徑Db=18mm.；焊接系數(shù)Φ=1 設(shè)計壓力Pc=PL+5；Pc=2+5=7MPa。

47、 圖3.16 異徑三通管泄漏夾具示意圖 Fig.3.16 Different diameter three-way pipe leak fixture schematic (1)夾具的內(nèi)徑 主管夾具內(nèi)徑Da=25+2S=53mm，支管夾具內(nèi)徑Db=18+2S=46mm (2)夾具的外徑 夾具外徑為：D1=Da+2S=81mm ，D2=Db+2S=74mm (3)夾具的本體厚度 S 將P=7Mpa，Di= Da =53mm，=105，=1帶入得： 夾具最小厚度不小于14mm，取S=14mm (4)夾具的長度L 夾具的長度一定

48、要能包容泄漏點(diǎn)，并且兩側(cè)均有適當(dāng)?shù)挠嗔浚话愣税鍍?nèi)側(cè)距孔的邊緣不小于15mm。這樣，L的最小值就能確定了。 (5)夾具端板厚度Y Y=1.4×S=1.4×14=20mm (6)螺栓小徑d 將Ck=1.5，C=48mm，Pc=7Mpa，n=4，=179，帶入得： =6.89mm 從螺栓尺寸標(biāo)準(zhǔn)表查出，應(yīng)選4個M12的8.8級雙頭螺栓。 (7)耳板厚度t 將C=48，L=18mm，Pc=7Mpa，D=53，b=36，=105，帶入得： 取t=11mm. 3.3.3根據(jù)各數(shù)據(jù)繪制異徑三通泄漏夾具及裝配CAD 根據(jù)上一節(jié)

49、的數(shù)據(jù)，繪制CAD圖。 圖3.17 夾具主視圖 Fig.3.17 Master view of fixture 圖3.18 夾具左視圖 Fig.3.18 The left view of the fixture 圖3.19 夾具俯視圖 Fig.3.19 Jig top view 圖3.20 裝配主視圖 Fig.3.20 Assembly main view

50、 圖3.21 裝配左視圖 Fig.3.21 Assemble left view 圖3.22 裝配俯視圖 Fig.3.22 Assemble plan view 第四章　異徑三通泄漏夾具的建模與分析 經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎?，我們就可以繪制出該工況下的直管泄漏夾具的圖形。先通過UG繪制出其的三維模型，為了驗(yàn)證該泄漏夾具在現(xiàn)實(shí)中的可行性，我們在考慮溫度、壓力的情況下，對其進(jìn)行有限元分析，從而得出它的剛度圖與強(qiáng)度圖，判斷該泄漏夾具的實(shí)際可行性。 4.

51、1 UG的應(yīng)用 4.1.1UG簡介 UG（Unigraphics）是運(yùn)用數(shù)字建模和驗(yàn)證工具對Product Project提供一種處理方法，可以進(jìn)行以下分析：The Product Design（產(chǎn)品設(shè)計）和Manufacturing process（制造工藝），Virtual product design（虛擬產(chǎn)品的設(shè)計）和Process design（工藝設(shè)計）以及為UG用戶需求提供了有效的解決方法。UG就是一個用戶指南（User Guide）和通用語法（Universe Grammar）的縮寫。 作為一個能與CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）與CAM（計算機(jī)輔助制造）系統(tǒng)相互聯(lián)系的軟件，

52、對于各種復(fù)雜的物理建模(Physical Modeling)和建設(shè)(Physical Construction)都能完成。在三維設(shè)計軟件中，UG有著舉足輕重的地位，隨著PC硬件和個人用戶的不斷發(fā)展，PC上的應(yīng)用程序和模具工業(yè)都在迅速提升。 4.1.2UG繪制異徑三通泄漏夾具及其他部件 圖4.1 異徑三通管道圖 Fig.4.1 A three-way channel diagram 圖4.2 異徑三通泄漏夾具圖 Fig.4.2 A three-way leak fixture diagra

53、m 圖4.3 螺栓與螺母圖 Fig.4.3 drawings of Bolts and nut 圖4.4 注劑閥 Fig.4.4 Agent injection valve 圖4.5 異徑三通夾具密封圖 Fig.4.5 Reduced-diameter three-way clamp 4.2 ABAQUS的應(yīng)用 4.2.1ABAQUS的

54、簡介 ABAQUS作為一個多用途的工程有限元分析軟件，應(yīng)用范圍很廣，主要在機(jī)械、電子、土木工程的行業(yè)的結(jié)構(gòu)與場分析，它可以駕馭各種各樣難度大的非線性問題。ABAQUS擁有一個強(qiáng)大的材料模型庫，不僅可以模擬單元庫內(nèi)隨意一個幾何形狀，同時還可以將各種工程材料的用途進(jìn)行模擬。這些工程材料主要有金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等等。雖然只是一個簡單的模擬工具，但它卻解決了大量的應(yīng)力與位移上的問題，還能分析很多工程范圍內(nèi)的情況，比如熱傳導(dǎo)，熱耦合分析等等。 雖然目前有很多有限元分析軟件，但是，ABAQUS是一個唯一被大家認(rèn)同的。因?yàn)樗梢詫α慵牧W(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，尤其是對高難度的非線性問題的

55、仿真。由于ABAQUS具有很好的分析能力和對難度大的系統(tǒng)的正確的仿真能力，使其在我國各項(xiàng)工業(yè)和研究中得到很好的運(yùn)用。ABAQUS的出現(xiàn)對高科技的生產(chǎn)有了很大的幫助，推動了國家先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。 4.2.2強(qiáng)度與剛度 材料在外力作用下，所能承受破壞的能力稱為強(qiáng)度。一般情況下，強(qiáng)度的大小只跟材料本身的性質(zhì)和受力方式相關(guān)，與它的形狀無關(guān)。 材料在外力的作用下，抵抗變形能力稱為剛度，即材料由于變形所產(chǎn)生的力。剛度分為靜剛度和動剛度。一般來說，剛度的大小構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的截面形狀、材料本身的性質(zhì)有關(guān)。宏觀的來說，就是引起單位位移的力。剛度的倒數(shù)稱為柔度，單位力引起的位移。 抵抗塑性變形的能力稱為強(qiáng)度

56、，材料發(fā)生彈性變形的難易程度稱為剛度。這里以鋼材的應(yīng)力為例： 圖4.6 鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線圖 Fig.4.6 Strain diagram of steel stress 4.2.3異徑三通泄漏夾具的有限元分析 圖4.7 異徑三通泄漏夾具的強(qiáng)度圖 Fig.4.7 The strength diagram of a three-way leak fixture 圖4.8 異徑三通泄漏夾具的剛度圖 Fig.4.8 The stiffne

57、ss diagram of a three-way leak fixture  第五章　結(jié)論 5.1 項(xiàng)目成果 本項(xiàng)目研究對象為輸送水蒸氣的異徑三通封閉管道，該案例是對這個對象的密封效果。通過有限元分析異徑三通泄漏夾具，可以看出該方法主要是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為異徑三通管道提供一種安全可靠的泄漏夾具。設(shè)計本夾具能夠在不改變原密封結(jié)構(gòu)的前提條件，更加安全便捷的進(jìn)行密封。 5.2 項(xiàng)目的價值 要想解決用法腐蝕而產(chǎn)生泄漏的問題，一般采用的措施是將腐蝕的螺栓更換掉，然后再用卡蘭將法蘭兩邊固定，再拿下那些壞的螺栓，換成新的螺栓，最后用法蘭夾具和密封劑堵住泄漏

58、的地方，其實(shí)這樣做是十分不安全的。如果管道有較高的內(nèi)壓時，調(diào)換腐蝕螺栓易造成管道結(jié)構(gòu)爆裂，如果管道內(nèi)是有毒有害氣體、液體，或者管道是在高溫高壓的環(huán)境下，那么管道爆裂產(chǎn)生的后果將不堪設(shè)想。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國每年都會發(fā)生由于螺栓腐蝕堵漏所產(chǎn)生的人員傷亡事故。我們必須做好準(zhǔn)確的設(shè)計，避免安全事故的發(fā)生。 異徑三通夾具對管道起到很好的保護(hù)作用，當(dāng)往密封孔內(nèi)注入密封劑后能有效地避免螺栓由于強(qiáng)大的外力而被拉斷。還有就是，本項(xiàng)目研究涉及理論力學(xué)，材料力學(xué)有限元分析、壓力容器結(jié)構(gòu)與制造、金屬的腐蝕與防護(hù)、優(yōu)化設(shè)計等單元理論和方法。這項(xiàng)目對于機(jī)械專業(yè)學(xué)生來說，可以鞏固科學(xué)基礎(chǔ)知識，也能夠熟練運(yùn)用CAD、UG

59、等各種繪圖軟件，并能夠通過ABAQUS對模型可以進(jìn)行有限元分析，從而把理論知識應(yīng)用到實(shí)際問題上。 目前，帶壓密封技術(shù)是一種的有效方法措施。但是，在解決時候會遇到各種各樣的工況與繁瑣的問題，運(yùn)行中準(zhǔn)確地避免裝置泄露的問題，避免資源能源浪費(fèi)和安全事故出現(xiàn)是很必要的。但是，普通的法蘭夾具根本無法徹底根治腐蝕和泄露問題的。所以，設(shè)計該夾具，不僅安全可靠，還能夠在不更改原來密封原理的前提下，把泄露的部位成功地修復(fù)。隨著帶密封技術(shù)的逐漸成熟與發(fā)展，最主要的是夾具的設(shè)計。 參考文獻(xiàn) [1] 張驥，管道的泄漏及帶壓堵漏夾具的設(shè)計，《化工設(shè)備與管道》[J]，2005,?34(1):35

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62、及應(yīng)用》[M].北京：人民郵電出版社，2013 [12] 劉鴻文《材料力學(xué)》[M]5版.北京：高等教育出版社，2011 [13] 熊良山《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》[M]2版.華中科技大學(xué)出版社，2012 [14] 萬川 管道泄漏及帶壓堵漏夾具設(shè)計《中國高新技術(shù)企業(yè)》[M] 2016.14 [15] 姜繼海、宋錦春《液壓與氣壓傳動》[M]2版.北京：高等教育出版社，2009. 致　　謝 經(jīng)過幾月的奮戰(zhàn)，我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了。在此期間，得到了很多人的幫助，特別感謝朱培浩老師的細(xì)心指導(dǎo)，感謝曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)，正

63、是因?yàn)橛辛四銈兊膸椭抛屛也粌H學(xué)到了本次課題所涉及的新知識，更讓我感覺到了知識以外的東西，那就是團(tuán)結(jié)的力量。感謝學(xué)校給予我這樣一次機(jī)會，能夠獨(dú)立地完成這樣一個設(shè)計，作為檢驗(yàn)這些年來學(xué)習(xí)的成果,在這個過程當(dāng)中，能夠更多學(xué)習(xí)一些實(shí)踐應(yīng)用知識，增強(qiáng)了我們實(shí)踐操作和動手應(yīng)用能力，提高了獨(dú)立思考的能力。再一次對你們表示感謝。 在沒有做畢業(yè)設(shè)計以前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對這幾年來所學(xué)知識的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗(yàn)，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 總之，在整個設(shè)計學(xué)習(xí)和論文完成的過程中，我體會到的是實(shí)踐的艱辛和收獲的充實(shí)，感受到的是一種堅(jiān)持不懈、契而不舍的科研精神。對我以后的深造學(xué)習(xí)有重要的意義。 34