水下卡箍式連接器熱力學(xué)分析與試驗研究.pdf

1、水下卡箍式連接器是海底管道工程中不可或缺的裝備。由于受到惡劣海底環(huán)境的影響，連接器在工作時會受到如外力載荷、振動及溫度載荷的綜合影響，如何保證在復(fù)雜環(huán)境下的工作可靠性就成為了研究工作的首要任務(wù)。通過對水下卡箍式連接器進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)及熱力學(xué)分析，研究水下卡箍式連接器在高溫高壓工況下的溫度場及應(yīng)力場分布規(guī)律，找出影響密封及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素，對于提高連接器可靠性具有重要的理論意義和研究價值。論文以設(shè)計研制的6英寸卡箍式連接器為研究對象，從卡箍

2、連接受力特性、溫度場及耦合場應(yīng)力分布特點、連接器性能三方面進(jìn)行了研究討論。
　　首先通過對國內(nèi)外水下卡箍式連接器結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)調(diào)研，確定卡箍連接器工作狀態(tài)下的受力特點。通過分析確定了密封所需軸向預(yù)緊力的大小，并對預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭、密封圈和卡箍爪等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了受力特性分析，推導(dǎo)出了各零部件間力學(xué)傳遞關(guān)系。通過有限元模型計算與分析，得到了預(yù)緊力及內(nèi)壓作用下密封接觸應(yīng)力和各零部件應(yīng)力變化情況，為熱——結(jié)構(gòu)耦合分析奠定基礎(chǔ)。
　

3、　基于熱力學(xué)基本理論，建立了法蘭與卡箍爪海水層、法蘭接合面海水層及卡箍外表面的傳熱學(xué)模型。根據(jù)卡箍連接結(jié)構(gòu)特點引入當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)及當(dāng)量換熱系數(shù)對卡箍連接熱量傳導(dǎo)方式進(jìn)行了簡化。結(jié)合彈性熱應(yīng)力理論及拉美（Lamè）公式推導(dǎo)出了穩(wěn)態(tài)時法蘭在內(nèi)壓、溫差和外載共同作用下的綜合應(yīng)力表達(dá)式，并將計算結(jié)果與仿真結(jié)果對驗證了理論分析的正確性。根據(jù)傅里葉定律推導(dǎo)得到瞬態(tài)時綜合應(yīng)力的近似表達(dá)式，并對應(yīng)力分布特點進(jìn)行了分析，為工程應(yīng)用時的風(fēng)險預(yù)判提供了理論依據(jù)

4、。
　　根據(jù)海洋環(huán)境特點，利用 ANSYS軟件建立了卡箍傳熱三維有限元模型，將分析得到的熱力學(xué)參數(shù)導(dǎo)入到海水層材料中。通過模擬得到了穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)時，卡箍式連接器溫度場分布云圖，對連接器溫升及冷卻階段溫度場變化特點進(jìn)行了分析。利用熱——結(jié)構(gòu)耦合分析方法，得到了外載及溫度載荷綜合影響下的應(yīng)力分布及密封接觸應(yīng)力變化規(guī)律。最后根據(jù)ASMEⅦ-2準(zhǔn)則對法蘭進(jìn)行了高頸應(yīng)力評定，評定結(jié)果全部合格，為實際工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)。
　　最后以水