螺栓法兰接头是石化、核能等工业广泛使用的连接装置,为提高法兰接头在高压工况下的密封性能,常使用卡箍式高压自紧式法兰,简称卡兰。为规范卡兰设计,提高卡兰接头密封性能,本文从计算方法、适用工况以及检测方法三方面对卡兰进行研究。论文根据ASME Ⅷ-3中法兰及卡箍件的设计方法,结合卡兰T形垫片的自紧密封原理,确定了卡兰的螺栓载荷和密封比压的计算方法。研究结果表明,密封比压与内压呈线性递增关系;密封面宽度越小,上下密封面距离越大,则卡兰的自紧密封效果越好;法兰与垫片支承面间的轴向间隙越大,密封面宽度越小,垫片横截面积越大,则预紧密封比压越大;此外,法兰与垫片的密封面接触形式也会影响自紧密封效果,当法兰锥面倾角略大于垫片倾角时自紧密封效果最好。论文建立了 2英寸的卡兰接头模型,运用ANSYS软件分析了卡兰在不同内压工况下的垫片密封比压,模拟值与理论计算结果相符。在此基础上,研究了内压、温度、弯矩工况对卡兰接头密封性能的影响。结果表明,常温下该规格卡兰的最大承压值为70MPa;温度对高压和中压工况密封性能的影响不同,中压下温度升高使密封比压增大,高压下温度升高则会使密封比压先减小后增大;弯矩作用使卡兰受拉侧垫片密封比压增大,受压侧密封比压先减小后增大,并使卡兰接管壁面应力迅速增大。通过分析确定了卡兰的危险截面主要位于管道内壁面以及法兰肩部与颈部交界处,并对卡兰接头进行优化设计,改善了危险截面的应力分布。为检测卡兰接头的密封性能,论文搭建了卡兰水压测试装置并进行试验,结果表明卡兰接头在50MPa内压工况下无明显泄漏,且15min内的压力降小于加载压力的5%,满足API 6A标准的密封要求。卡兰接头在服役条件下,螺栓力的变化决定了卡兰密封性能的变化。为检测卡兰接头的螺栓力,论文提出了高温下螺栓力的超声波声弹性测量方法。该方法采用导波杆为连接介质,可进行高温条件下的螺栓力在线检测。论文完成了 250℃以内螺栓力的标定试验,结果表明螺栓应力与超声波声时差呈线性关系。卡兰接头目前主要应用于核电、化工领域的高压容器连接,保证了高压容器的密封性,为石化、核能等工业的发展提供了技术支持,但目前卡兰连接件依赖国外进口,因此针对卡兰的研究是非常有必要的。