耐壓試驗(yàn)筒快開蓋結(jié)構(gòu)的剛度分析

劉 剛，羅友高，曾 嶸，蔡天舒

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

在海洋深潛、石油勘探開發(fā)等領(lǐng)域，設(shè)備和儀器需在液面以下數(shù)百米甚至數(shù)千米工作，這就要求此類設(shè)備和儀器具備承受相應(yīng)外壓并在該壓力下可靠密封的能力。要保證承壓能力和密封能力，一方面需在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行全面的強(qiáng)度和剛度計(jì)算，另一方面需在模擬水深的試驗(yàn)裝置中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

耐壓試驗(yàn)筒就是用于檢驗(yàn)此類設(shè)備和儀器的耐壓性能及密封性能的基礎(chǔ)性試驗(yàn)設(shè)備，配套與之對(duì)應(yīng)的管路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，可根據(jù)需要模擬出不同的水深環(huán)境。耐壓試驗(yàn)筒實(shí)質(zhì)是一種壓力容器，其由專用鋼材構(gòu)成壓力邊界，內(nèi)部形成試驗(yàn)空間，通常利用水或者空氣的可壓縮性來(lái)建立需要的壓力。

為方便試驗(yàn)件的裝入和取出，耐壓試驗(yàn)筒在試驗(yàn)件的進(jìn)出口多采用快開蓋結(jié)構(gòu)，卡箍結(jié)構(gòu)就是一種常用的快開蓋結(jié)構(gòu)。目前，卡箍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要遵循GB150《鋼制壓力容器》的相關(guān)規(guī)定。

GB150《鋼制壓力容器》附錄G7從強(qiáng)度校核的角度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)卡箍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，在工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是該設(shè)計(jì)方法中沒有提及卡箍剛度的計(jì)算方法，而卡箍剛度不足會(huì)降低壓力試驗(yàn)筒的密封可靠性甚至導(dǎo)致密封失效。因此，在進(jìn)行卡箍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，特別是當(dāng)卡箍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)較高時(shí)，有必要考慮其剛度是否足夠。

本文利用有限元分析軟件對(duì)某個(gè)高參數(shù)耐壓試驗(yàn)筒的卡箍快開蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，選取與密封性能相關(guān)的參數(shù)作為衡量卡箍剛度的指標(biāo)對(duì)其剛度進(jìn)行了定量分析，并以此為基礎(chǔ)討論了卡箍各尺寸參數(shù)對(duì)其剛度的影響。

1 耐壓試驗(yàn)筒快開蓋結(jié)構(gòu)實(shí)例

圖1所示為某耐壓試驗(yàn)筒的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其快開蓋結(jié)構(gòu)主要由上法蘭、下法蘭、卡箍組成，上法蘭與上封頭相焊，下法蘭與筒體相焊，上、下法蘭之間通過橡膠O形圈實(shí)現(xiàn)密封。卡箍為分瓣結(jié)構(gòu)，各瓣卡箍可沿徑向運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)上法蘭與下法蘭的貼合和分離，緊固螺栓起到收緊各瓣卡箍的作用。

該卡箍結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)為:設(shè)計(jì)壓力12 MPa，設(shè)計(jì)溫度50℃，筒體內(nèi)直徑3200 mm;上封頭為球形封頭，選用Q345R鋼板制造，名義厚度90 mm;筒體選用13MnNiMoR鋼板制造，名義厚度120 mm;上、下法蘭選用20MnMoNb鍛件制造，其結(jié)構(gòu)形式和尺寸數(shù)值基本一致，見圖2;卡箍選用20MnMo鍛件制造，其各主要尺寸數(shù)值見圖3，法蘭與卡箍之間的接觸角取5°。

在進(jìn)行該卡箍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)按照GB150附錄G7規(guī)定的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了強(qiáng)度校核，強(qiáng)度校核結(jié)果見表1，可以看出該卡箍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是滿足強(qiáng)度校核條件的，且留有一定的強(qiáng)度裕量。

圖3 卡箍的主要尺寸數(shù)值Fig.3 Main dimensions of clamp

表1 卡箍結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核結(jié)果Tab.1 Strength check result of clamp structure

2 快開蓋結(jié)構(gòu)實(shí)例的有限元分析

2.1 簡(jiǎn)化處理

為便于分析，建模時(shí)作如下簡(jiǎn)化處理:

1)不考慮卡箍和法蘭上的圓角、倒角等細(xì)部結(jié)構(gòu);

2)不考慮下法蘭上的O形圈密封槽;

3)將卡箍作為1個(gè)整圓來(lái)考慮;

5)不考慮各個(gè)半卡箍上的連接板、吊耳、加強(qiáng)筋等工藝性結(jié)構(gòu)。

簡(jiǎn)化1)～4)基本不會(huì)對(duì)卡箍結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生影響，簡(jiǎn)化5)則會(huì)適當(dāng)減小卡箍結(jié)構(gòu)的剛度，使剛度計(jì)算偏于安全。

2.2 模型的建立

根據(jù)上述簡(jiǎn)化，并結(jié)合本壓力試驗(yàn)筒實(shí)例幾何形狀和載荷的對(duì)稱性，建立如圖4所示的二維有限元模型。

圖4 有限元分析模型Fig.4 Finite elenent analysis model

上封頭、法蘭、卡箍及筒體選用PLANE182二維平面單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3;上、下法蘭之間及上、下法蘭與卡箍之間的接觸面采用TARGE169、CONTA172接觸單元模擬接觸，接觸面相對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)取0.15。

在筒身的截?cái)喽耸┘虞S向固定約束，整個(gè)內(nèi)表面及密封圈以內(nèi)的接觸面上施加壓力載荷。

2.3 有限元分析結(jié)果

求解完成后，提取分析結(jié)果中的軸向位移如圖5所示?？梢钥闯?，在內(nèi)部介質(zhì)壓力的作用下，上、下法蘭接觸面之間出現(xiàn)了較大間隙。

圖5 有限元分析結(jié)果Fig.5 Finite element analysis result

由于相關(guān)資料上未對(duì)卡箍的剛度進(jìn)行定義，考慮到剛度主要影響密封性能，故本文提取法蘭內(nèi)徑處的間隙Δ1、法蘭外徑處的間隙Δ2及法蘭的張角θ作為卡箍結(jié)構(gòu)剛度的定量分析指標(biāo)。在上述設(shè)計(jì)實(shí)例中，Δ1=3.09 mm，Δ2=0.28 mm，計(jì)算得出 θ=0.488°，按此計(jì)算上、下法蘭在密封圈外側(cè)處的間隙為2.66 mm，該間隙較大，將對(duì)密封造成相當(dāng)不利的影響，很可能會(huì)造成密封失效。

由此可見，對(duì)于高參數(shù)的卡箍快開蓋結(jié)構(gòu)，僅按GB150附錄G7進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)是不夠的，還需通過有限元分析的方法對(duì)其剛度進(jìn)行計(jì)算，判斷其密封可靠性。

3 快開蓋結(jié)構(gòu)各參數(shù)對(duì)其剛度的影響

以下將在前面所述實(shí)例的基礎(chǔ)上通過改變部分參數(shù)的具體數(shù)值來(lái)分析各參數(shù)對(duì)卡箍快開蓋結(jié)構(gòu)剛度的影響。

3.1 上封頭的結(jié)構(gòu)形式對(duì)剛度的影響

大直徑容器常用球形封頭和橢圓形封頭，不考慮封頭的應(yīng)力水平，在球形封頭和橢圓形封頭壁厚相同(均為90 mm)的情況下，卡箍結(jié)構(gòu)剛度的有限元計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同結(jié)構(gòu)形式的封頭對(duì)應(yīng)的剛度Tab.2 Stiffness related to heads with different

表2的數(shù)據(jù)表明，與選用球形封頭相比，選用橢圓形封頭時(shí)法蘭內(nèi)徑處的間隙Δ1減小了0.3 mm(9.7%)，法蘭外徑處的間隙 Δ2增加了0.024 mm(8.5%)，法蘭的張角 θ減小了約0.057°(11.7%)，卡箍結(jié)構(gòu)的剛度有所提高。這是由于橢圓封頭在受內(nèi)壓作用時(shí)，封頭底部承受壓應(yīng)力，限制了法蘭的翻轉(zhuǎn)，從而提高了結(jié)構(gòu)的剛度。

由此可見，選用橢圓形封頭可以在一定程度上提高卡箍結(jié)構(gòu)的剛度。另外，在封頭應(yīng)力水平一致的情況下，橢圓形封頭比球形封頭更厚，這也會(huì)在一定程度上提高卡箍結(jié)構(gòu)的剛度。

由于地域的差異，廣告的推廣也是一個(gè)非常棘手的問題。廣告經(jīng)費(fèi)以及廣告能不能得到當(dāng)?shù)厝说恼J(rèn)可都是企業(yè)家需要考慮進(jìn)來(lái)的問題。不單單是在廣告方面，在企業(yè)下達(dá)命令和推廣服務(wù)方面也會(huì)有所欠缺，母公司革新的技術(shù)以及服務(wù)宗旨能否及時(shí)地到達(dá)分公司，能否在其它地區(qū)快速、準(zhǔn)確、有效地進(jìn)行，這也是連鎖經(jīng)營(yíng)中最重要的問題。

3.2 卡箍的軸向厚度和徑向厚度對(duì)剛度的影響

上述實(shí)例中，卡箍的軸向厚度是指如圖3所示的b-b截面的厚度，設(shè)計(jì)值為205 mm;徑向厚度是指如圖3所示的a-a截面的厚度，設(shè)計(jì)值為300 mm。不考慮卡箍厚度變化對(duì)其強(qiáng)度的影響，將卡箍的軸向厚度由120 mm增大到400 mm，將卡箍的徑向厚度由150 mm增大到600 mm，卡箍結(jié)構(gòu)剛度的有限元計(jì)算結(jié)果見圖6和圖7。

圖6所示曲線表明，隨著卡箍軸向厚度的增大，法蘭內(nèi)徑處的間隙Δ1減小，法蘭外徑處的間隙Δ2減小，法蘭的張角θ基本呈增大趨勢(shì)?？ü枯S向厚度由205 mm增大到 250 mm，Δ1減小量為 0.008 mm(0.26%)，Δ2減小量為0.017 mm(6%)，θ增大量為0.001°(0.2%)。

圖7所示曲線表明，隨著卡箍徑向厚度的增大，法蘭內(nèi)徑處的間隙Δ1減小，法蘭外徑處的間隙Δ2減小，法蘭的張角θ基本呈減小趨勢(shì)?？ü枯S向厚度由300 mm增大到 400 mm，Δ1減小量為 0.086 mm(2.8%)，Δ2減小量為 0.083 mm(2.7%)，θ減小量為0.001°(0.2%)。

由此可見，增大卡箍軸向厚度和徑向厚度對(duì)提高卡箍結(jié)構(gòu)的剛度有一定的作用，其中徑向厚度的增大帶來(lái)剛度的提高相對(duì)更加明顯一些，但總體來(lái)講效果均不顯著。

3.3 法蘭的尺寸數(shù)值對(duì)剛度的影響

主要討論法蘭環(huán)的軸向厚度(圖2所示b-b截面的厚度)和法蘭錐頸大端厚度(圖2所示a-a截面的厚度)對(duì)卡箍結(jié)構(gòu)剛度的影響。由于尺寸的關(guān)聯(lián)性，法蘭錐頸大端厚度的變化會(huì)導(dǎo)致卡箍徑向尺寸的變化，分析時(shí)為方便對(duì)比，卡箍直徑根據(jù)其與法蘭的配合關(guān)系進(jìn)行變化，卡箍的徑向厚度保持不變。

上述設(shè)計(jì)實(shí)例中，法蘭環(huán)軸向厚度的設(shè)計(jì)值為200 mm，法蘭錐頸大端厚度的設(shè)計(jì)值為270 mm，將法蘭環(huán)軸向厚度由125 mm增大到400 mm，將法蘭錐頸大端厚度由250 mm增大到480 mm，卡箍結(jié)構(gòu)剛度的有限元計(jì)算結(jié)果見圖8和圖9。

圖8所示曲線表明，隨著法蘭環(huán)軸向厚度的增大，法蘭內(nèi)徑處的間隙Δ1減小，法蘭外徑處的間隙Δ2增大，法蘭的張角θ減小。法蘭環(huán)軸向厚度由200 mm增大到250 mm，Δ1減小量為0.3 mm(9.7%)，Δ2增大量為0.094 mm(33.3%)，θ減小量為0.079°(16.2%)。

圖9所示曲線表明，隨著法蘭錐頸大端厚度的增大，法蘭內(nèi)徑處的間隙Δ1增大，法蘭外徑處的間隙Δ2減小，法蘭的張角θ增大。法蘭錐頸大端厚度由270 mm增大到 300 mm，Δ1增大量為 0.292 mm(9.4%)，Δ2減小量為0.01 mm(3.5%)，θ增大量為0.007°(1.4%)。

由此可見，增大法蘭環(huán)的軸向厚度對(duì)于提高卡箍結(jié)構(gòu)的剛度有相對(duì)較為明顯的作用，但是增大法蘭錐頸大端厚度反而會(huì)降低卡箍結(jié)構(gòu)的剛度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某耐壓試驗(yàn)筒的卡箍快開蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，并定義了結(jié)構(gòu)剛度的定量分析指標(biāo)，以此為基礎(chǔ)討論了卡箍結(jié)構(gòu)的各參數(shù)對(duì)剛度的影響，得出了如下結(jié)論:

1)在進(jìn)行高參數(shù)卡箍快開蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)其剛度進(jìn)行定量分析;

2)相比球形封頭，采用橢圓形封頭能在一定程度上提高卡箍結(jié)構(gòu)的剛度，但是提高幅度有限，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況決定封頭的結(jié)構(gòu)形式;

3)增大卡箍的軸向厚度和徑向厚度對(duì)提高卡箍結(jié)構(gòu)的剛度有一定作用，但是并不顯著，設(shè)計(jì)時(shí)不必通過增大卡箍的厚度來(lái)提高剛度;

4)增大法蘭環(huán)軸向厚度可以較為明顯地提高卡箍結(jié)構(gòu)的剛度，但是增大法蘭錐頸大端厚度反而會(huì)降低卡箍結(jié)構(gòu)的剛度，設(shè)計(jì)時(shí)可通過適當(dāng)增大法蘭環(huán)軸向厚度來(lái)提高剛度。

［1］GB 150-1998，鋼制壓力容器［S］.

［2］丁伯民，等.高壓容器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］ANSYS在機(jī)械與化工裝備中應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007.