16" NB ANSI 2500LB 法蘭的環形接頭形狀分析 — Shell L09 專案
介紹
在與 Shell 簽訂的合約中，Welding Units 負責為該公司的 L09 專案提供管道法蘭，其中包括特殊的 16" 2500lb 焊接頸和旋轉環法蘭。在此之前，Welding Units 曾為其他 Shell 專案設計並供應同類法蘭。由於對於該尺寸沒有標準 ASME B16.5 設計可用，因此在當時使用的是 API 型 BX 墊圈和凹槽。
之前提供的所有法蘭均獲得良好的使用效果，但是 Shell 建議在未來供應類似法蘭時應採用 R 型墊圈和凹槽，因此需要對墊圈行為進行詳細研究。研究
Welding Units 開發了使用來自 16" 1500lb 法蘭的 R67 墊圈及凹槽的初始設計，但是我們認識到這只是一個初步設計，仍需要確認墊圈及凹槽能夠承受 2500lb 級法蘭所帶來的額外受力。我們使用有限元分析 (FEA) 來研究墊圈和凹槽在受到所需負載時的行為，但是由於找不到類似的分析及結果記錄，因此所獲得的結果難以解釋，且無法從中得出結論。Shell 對此表示理解並同意我們對焊接頸及旋轉環法蘭進行完整測試，以獲得真實資料並從中得出有關 R67 墊圈和凹槽是否適用的結論。
測試過程在預定階段對接頭實施螺栓預張緊，同時利用應變儀及其他測量設備進行監測。此外，還在測試前和測試後利用座標儀記錄施加負載期間發生的永久變形，對所有部件進行準確測量。
在法蘭和墊圈材料上執行的其他損毀性測試，為拉伸和壓縮確定了準確的壓力-應變曲線，以用於有限元分析。此外，還執行了 CTOD 測試，以提供測試樣品在斷裂點所受到的最大應變資料。
雖然工作仍在進行中，但初步結論令人鼓舞，正在使用的 R67 墊圈/凹槽可能仍然可用。實際測試顯示出預期的材料行為：由於高壓縮負載軟鐵墊圈顯示出明顯變形，但沒有直觀的斷裂痕跡或過度變形；凹槽（普通 F65 無塗覆）沒有顯示出可能會損壞未來元件的永久變形。有限元分析與測試所取得的實際結果完全吻合，因此適用情況從螺栓固定推廣到實際操作/水下測試條件。
有關適用性的最終結論取決於對墊圈材料的 CTOD 測試結果的解釋 — 確定墊圈在生命周期內預期的最大應變水平是否遠低於 CTOD 測試樣品在斷裂點上的應變。這將提供足夠的安全邊際，並促成最終批准。
