Stress analysis of bolted flange joints with different shell connections

Choulaei, Mohammad (2022). Stress analysis of bolted flange joints with different shell connections. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Pressure vessel piping components are widely utilized in a variety of industries, including oil and gas, as well as nuclear power and power plants. Due to the high-pressure and hightemperature conditions, the most critical issue concerning their applications is operational safety. Different shells are joined permanently by welded joints or temporarily by bolted flange connections, also known as bolted flange joints, in pressure vessels and piping systems. A critical task in the design process is to determine the stress concentration level at the point where the shell meets the flange ring. One of the most challenging tasks is the determination of the flange integrity of this junction. In the design process, it is beneficial to employ analytical and finite element techniques to model the general behavior of the bolted flange joint under various loading conditions. The results generated from the analytical solution will be validated by the finite element technique. Furthermore, the performance of various flange connection configurations is not comprehended well. However, the present ASME BPV Code flange design does not incorporate the leakage criteria or flexibility analysis to provide an accurate assessment of various parameters. The purpose of this research is to assess the integrity and leakage tightness of various types of shells connected to the flange ring.

This investigation examines various parameters such as flange rotation, gasket contact stress, and stress distribution at the flange-shell junction using multiple shell theories depending on the form and geometry. Several forms of shell connections have been compared together including cylindrical, spherical, dished, and conical. All shells are directly connected to a raised-face flange ring without a hub. Furthermore, the shell connections have been simulated using a general purpose finite element software to support the analytical method and validate the study. Another significant purpose of this study is to look into the influence of flange dimensions on the results by examining various sizes of flange connections. For this purpose, three different sizes of the flange, namely NPS 26, 48, and 60 ASME B16.47 series A, were modeled and simulated by the ANSYS software to make comparison between numerical and analytical results. It is worth noting that the numerical and analytical results compared well.

Titre traduit

Analyse des contraintes des joints à brides boulonnées avec différentes connexions de coque

Résumé traduit

Les composants de tuyauterie des récipients sous pression sont largement utilisés dans une variété d'industries, y compris le pétrole et le gaz, l'énergie nucléaire et les centrales électriques. En raison des conditions de haute pression et de haute température, le problème le plus critique concernant leurs applications est la sécurité de fonctionnement. Différentes coques sont reliées de manière permanente par des joints soudés ou temporairement par des raccords à brides boulonnées, également appelés assemblages à brides boulonnées, dans les récipients sous pression et les systèmes de tuyauterie. Une tâche critique dans le processus de conception consiste à déterminer le niveau de concentration de contraintes au point où la coque rencontre l’anneau de la bride. L'une des tâches les plus difficiles consiste à déterminer l'intégrité de cette jonction. Dans le processus de conception, il est avantageux d'employer des techniques d'analyse analytique et numérique par éléments finis pour modéliser le comportement général de l'assemblage à brides boulonnées sous diverses conditions de chargement. Les résultats générés par la solution analytique seront utilisés et validés la technique des éléments finis. De plus, les performances de diverses configurations de raccordement à bride ne sont pas bien comprises. Cependant, la conception actuelle des brides du code ASME BPV n'intègre pas de critères de fuite ni d'analyse de flexibilité pour fournir une évaluation précise des différentes paramètres. L'objectif de cette recherche est d'évaluer l'intégrité et l'étanchéité de différents types de coques reliées à la couronne de la bride.

Cette étude examine divers paramètres tels que la rotation de la bride, la contrainte de contact sur le joint et la répartition des contraintes à la jonction bride-coque en utilisant plusieurs théories de coque selon la forme et la géométrie. Plusieurs formes de connexions de coque ont été comparées, notamment cylindriques, sphériques, bombées et coniques. Toutes les coquilles sont directement reliées à l’anneau de bride à face surélevée sans la présence de la collerette. De plus, les connexions de coque ont été simulées à l'aide du logiciel d'éléments finis à usage général pour soutenir la méthode analytique et valider l'étude. Un autre objectif important de cette étude est d'examiner l'influence des dimensions des brides sur les ré+sultats en examinant différentes tailles d’assemblage à brides boulonnées. À cette fin, trois tailles différentes de la bride, à savoir NPS 26, 48 et 60 ASME B16.47 series A, ont été modélisées et simulées par le logiciel ANSYS pour faire une comparaison entre les résultats numériques et analytiques. Il convient de noter que les résultats numériques et analytiques sont très concordants.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 117-122).
Mots-clés libres:	assemblages à brides boulonnées, assemblages de coques, analyse des contraintes, rotation des brides, contraintes aux jonctions et sur le joint
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	12 oct. 2022 15:03
Dernière modification:	12 oct. 2022 15:03
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3083

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