AIAS 2009 - 081
MODELLO DI TENUTA DELLA FLANGIA BULLONATA
SENZA GUARNIZIONE
PER COMPRESSORI CENTRIFUGHI
L. Bertini, M. Beghini, C. Santus
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università di Pisa
C. Cagnarini, P. Romanello
General Electric, Oil & Gas, Firenze
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Flange di grosse dimensioni senza guarnizione
Compressore centrifugo
Sigillante (silicone)
Metal-to-Metal
Flangia bullonata
senza guarnizione
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Obiettivo del lavoro:
- Modello di tenuta per prevedere la
pressione di perdita
(Meccanica della Frattura)
Validazioni:
- Modello EF
- Sperimentale in piena scala
- Sperimentale in scala ridotta
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Geometria della flangia bullonata
tV
dB
DV
PB
Passo
assiale dei
bulloni
dH
H
L
Z
W
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Condizione di perdita
Nessuna perdita:
Lo < L,
Perdita:
Lo = L
No contatto
Lo
L
Contatto
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Similitudine fra Flangia e Fessura parzialmente aperta
No trazione
Parziale
apertura
Lo
ao
a
L
x
Porzione
chiusa
Fessure parzialmente aperte :
Fattore di Intesificazione delleTensioni NULLO
K =0
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Weight functions (Funzione peso)
σ n ( x)
a
K
x
Distribuzione di tensione
"nominale''
Weight function
a
K = ∫ σ n ( x) h( x, a0 ) dx
0
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Applicazione al problema della flangia
σ n ( x)
h ( x, L )
x
σ n ( x) = ?
L
h ( x, L ) = ?
Formalizzazione della condizione di perdita:
K = 0, L0 = L
∫
L
0
σ n ( x ) h ( x , L ) dx = 0
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Componenti di tensione nominale
σ n ( x) = σ n,p ( x) + (generata dalla pressione interna)
σ n,B ( x)
(generata dal preserraggio dei bulloni)
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Approssimazione: schema piano
L
d 'H
dH
PB
x
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Tensione nominale generata dalla pressione interna
(trazione)
σ n,p (0)
σ n,p ( L)
Appr.:
distribuzione lineare
x
σ n,p ( x)
L
p
SV / 2
p × PB DV / 2
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Tensione nominale generata dal preserraggio dei bulloni
(compressione)
Larghezza della
Appr.:
distribuzione
lineare
F2
F1
FB
+
=
σ n,B1 ( L)
distribuzione,
maggiore della flangia
Distribuzione di pressione
equivalente alle due forze:
F1 , F2
σ n,B1 (0)
Distribuzione
risultante
x
L
FB
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Weight function, fessura in un semispazio
K 0 = 1.1215 σ 0 π a
p
σB
σn = σ0
distribuzioni
lineari
a
inf .
K1 = 0.6820 σ 1 π a
h ( x, a )
σ n = σ1
inf .
x
a
x
a
x
a
inf .
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Modello analitico
σ n,p (0)
σ n,p ( L)
σB
p
σ n,B ( L)
σ n,B (0)
K0
K1
x
∫0 σ n,p ( x) h( x) dx = ∫0 σ n,p (0) h( x) dx + ∫0 [σ n,p ( L) − σ n,p (0)] L h( x) dx
L
L
L
x
∫0 σ n,B ( x) h( x) dx = ∫0 σ n,B (0) h( x) dx + ∫0 [σ n,B ( L) − σ n,B (0)] L h( x) dx
L
L
L
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Modello analitico
σ n,p (0)
σ n,p ( L)
σ n,p ( x) = p × σ n,p1 ( x)
p
σ n,B (0)
σB
σ n,B ( L)
σ n,B ( x) = σ B × σ n,B1 ( x)
σ n,p1 (0)
σ n,p1 ( L)
σB =1
p =1
σ n,B1 (0)
σ n,B1 ( L)
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Modello analitico
σ n,p1 (0)
σ n,p1 ( L)
σB =1
p =1
σ n,B1 (0)
σ n,B1 ( L)
σ n,B1 (0) + 1.55 σ n,B1 ( L)
pL = −σ B
σ n,p1 (0) + 1.55 σ n,p1 ( L)
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Modello analitico
σ n,p1 (0)
p =1
− pn,B1 (0)
pL = σ B
σ n,p1 ( L)
σB =1
− pn,B1 ( L)
pn,B ( x) = −σ n,B ( x)
pn,B1 (0) + 1.55 pn,B1 ( L)
σ n,p1 (0) + 1.55σ n,p1 ( L)
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Validazione EF
Porzione di
geometria
modellata
Perdita
PB
Passo
assiale
Superficie di
interfaccia
della flangia
Incremento
della
pressione
interna p
Lo
Parziale
apertura
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Validazione EF
19/24
Prove di pressurizzazione su componenti in piena scala
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Validazione: prove in scala ridotta
manometro
trasduttore
digitale
p
R1
di pressione
R1
R2
Vref
R4
Vout
R3
(dummy)
(dummy)
R2
350 mm
p↑
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Validazione: prove in scala ridotta
Risultati preliminari
Test
Precarico
bullone
[ kN ]
Pressione di Pressione di
Errore
perdita*
perdita
percentuale
sperimentale
modello
[ bar ]
[ bar ]
63
59
6%
1
30.7
2
20.2
41
41
<1%
3
20.1
43
41
6%
4
20.4
41
41
<1%
5
30.5
57
61
7%
* Portata di perdita > 15×10-3 g/sec
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Linee guida di progetto
tV
dB
DV
PB
Passo
assiale dei
bulloni
dH
H
L
Z
W
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Sommario e Conclusioni
• È stato presentato un modello analitico per determinare
la pressione di perdita.
• Similitudine con la fessura parzialemente aperta,
Fattore di Intensificazione delle Tensioni NULLO.
• Validazione della posizione del fronte di apertura
mediante modello Elementi Finiti.
• Validazione definitiva mediante prove di pressurizzazione
in piena scala e in scala ridotta.
• Strumento di progetto della geometria della flangia.
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