雙錐密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒲 弦

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分。通常的密封形式有強(qiáng)制密封，半自緊密封和自緊密封三種形式。

在低、中壓壓力容器中通常采用強(qiáng)制密封結(jié)構(gòu)，如法蘭連接結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是依靠上緊螺柱產(chǎn)生墊片預(yù)緊力，從而達(dá)到初始密封，當(dāng)壓力升高時(shí)，墊片能產(chǎn)生足夠的回彈力而達(dá)到操作工況下的密封能力。在高壓容器的密封結(jié)構(gòu)中，通常采用半自緊式密封，如雙錐密封，透鏡墊密封等，其原理類似于強(qiáng)制密封，在預(yù)緊時(shí)，通過螺柱的預(yù)緊達(dá)到墊片的預(yù)緊載荷形成初始密封，當(dāng)操作工況下的壓力上升時(shí)，由于螺柱呈拉伸趨勢，從而使墊片產(chǎn)生的軸向回彈力有減小趨勢，徑向方向由于壓力作用，產(chǎn)生向外擴(kuò)展趨勢并緊密貼合于密封面達(dá)到更好的密封；自緊式密封，通常用于超高壓設(shè)備中，如楔形墊密封結(jié)構(gòu)，隨著壓力的升高，密封面上的壓緊力隨之增大，密封更為可靠。

圖1 雙錐密封結(jié)構(gòu)

高壓設(shè)備的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的雙錐密封結(jié)構(gòu)形式，是典型的半自緊式密封系統(tǒng)。雙錐密封系統(tǒng)主要由筒體端部、雙錐環(huán)墊、非金屬軟墊或金屬軟墊、壓緊蓋、主螺柱、螺母組成，見圖1。

按新修訂的GB 150-2011標(biāo)準(zhǔn)，雙錐密封可適用的溫度范圍0～400℃,壓力為6.4MPa～35MPa,直徑為400mm～3200mm。相比GB150-98版，直徑范圍上限由2000mm變?yōu)?200mm，并對影響密封性能的徑向間隙g值的調(diào)整為(0.1%～0.075%)D1。對于0℃以下的操作工況可以參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，雙錐密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為雙錐密封結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)和主螺柱的設(shè)計(jì)。其中密封結(jié)構(gòu)尺寸包括雙錐環(huán)尺寸，端部及壓蓋結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)；主螺柱設(shè)計(jì)包含螺柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)和滿足液壓上緊裝置的設(shè)計(jì)。隨著設(shè)備的大型化，簡單的理論公式已不能完全滿足設(shè)計(jì)的需要，因此對于大型化的設(shè)備結(jié)構(gòu)，如大型的雙錐密封結(jié)構(gòu)等，通常采用有限元應(yīng)力分析設(shè)計(jì)來保證其可靠性。

以國內(nèi)某項(xiàng)目合成氨裝置中的DN2400氨合成塔為例，闡述采用有限元應(yīng)力分析方法進(jìn)行雙錐環(huán)密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，為后續(xù)按有限元方應(yīng)力分析方法和采用MSC.Patran & Nastran軟件進(jìn)行雙錐密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及非線性接觸問題分析提供參考。

本設(shè)備為采用我公司專有技術(shù)的氨合成塔外殼，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定

(1)密封結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)可按GB150標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)計(jì)算公式計(jì)算并圓整取值見上圖1，即雙錐環(huán)尺寸A=120mm,B=50mm,C=85mm,錐角按標(biāo)準(zhǔn)角度30°。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，本設(shè)備密封結(jié)構(gòu)尺寸也可以直接按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸參數(shù)。

(2)雙錐環(huán)與平蓋圓柱面之間的徑向間隙g的選取:g值按標(biāo)準(zhǔn)取值范圍為(0.1%～0.075%)D1,計(jì)算后圓整取值為g=2mm。

(3)設(shè)備主螺柱的確定包括下述幾個方面：規(guī)格、數(shù)量、中心圓直徑。其中規(guī)格及數(shù)量根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算確定，按預(yù)緊工況和操作工況分別計(jì)算出預(yù)緊載荷和操作載荷，并取其中較大載荷計(jì)算出需要的螺柱數(shù)量和規(guī)格大小，本設(shè)備經(jīng)初步計(jì)算需要44個M105X4的主螺柱：

預(yù)緊工況載荷按公式計(jì)算：

(1)

本文所有公式中符號含義按GB 150。

操作工況載荷按公式計(jì)算:

Wp=F+Fp+Fc

(2)

上述預(yù)緊工況的螺柱載荷需要同時(shí)符合下述要求，使螺柱產(chǎn)生足夠的壓緊力達(dá)到初始密封要求，并應(yīng)有足夠的壓緊力能消除雙錐環(huán)內(nèi)圓柱面與平蓋柱面之間的徑向間隙g。消除徑向間隙所需載荷可按Hook定律以及下述公式計(jì)算:

所需徑向壓縮力:

(3)

從而使雙錐環(huán)向外膨脹消除徑向間隙的螺柱載荷為：

(4)

通常情況下按式(1)中預(yù)緊工況下的計(jì)算所得的預(yù)緊力較大，故標(biāo)準(zhǔn)中直接采用此公式作為預(yù)緊力的載荷計(jì)算。

在壓力容器中超過M48的螺栓或螺柱一般需要采用液壓拉伸器，并按合適液壓上緊程序進(jìn)行預(yù)緊和緊固。因此主螺柱的中心圓直徑的確定還應(yīng)配合所選用的液壓拉伸器所需的最小上緊空間的結(jié)構(gòu)尺寸。該參數(shù)可按HG/T 21573.1-95標(biāo)準(zhǔn)選用合適的液壓拉伸器型號以及與之相匹配的相鄰螺柱中心最小間距參數(shù)。

(4)平蓋以及筒體端部的結(jié)構(gòu)尺寸按理論公式計(jì)算出相應(yīng)的厚度，端部結(jié)構(gòu)尺寸確定時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備主螺柱旋入的螺紋孔。平蓋的初步厚度計(jì)算公式：

在計(jì)算厚度基礎(chǔ)上根據(jù)雙錐密封面結(jié)構(gòu)參數(shù)和厚度附加量確定取用的名義厚度。

2 分析模型的建立

根據(jù)確定的密封尺寸和設(shè)備結(jié)構(gòu)的對稱性，分別取平蓋、雙錐環(huán)、部分筒體及端部、主螺柱、螺母建立1/44三維實(shí)體模型。模型中筒體的長度按圣維南原理，取超過邊緣應(yīng)力衰減范圍的長度即可。其中的軟墊片近似認(rèn)為與雙錐環(huán)為一體，對分析的結(jié)構(gòu)影響可以忽略。建立雙錐密封系統(tǒng)的有限元模型見圖2。

圖2 雙錐密封系統(tǒng)的有限元局部接觸模型

本模型采用MSC.Patran建立，分析坐標(biāo)系采用柱坐標(biāo)系；并采用MSC.Nastran提供的Hex8實(shí)體單元將幾何模型離散化為有限元模型。本雙錐密封系統(tǒng)模型為典型的非線性接觸分析模型，因此在各個接觸體相互接觸面的網(wǎng)格劃分應(yīng)做特殊的細(xì)化處理，否則在模型的解算過程中不易得到收斂的結(jié)果。模型的單元細(xì)化見圖3。

圖3 模型的力邊界，位移邊界條件

3 模型邊界條件的建立

有限元模型的邊界條件分為位移邊界條件、力邊界條件、溫度載荷邊界條件幾個部分。

3.1 位移邊界

本模型位移邊界條件按結(jié)構(gòu)的軸對稱性，以及柱坐標(biāo)系統(tǒng)的特性，約束模型軸向位移為0，且水平面內(nèi)的偏轉(zhuǎn)角度為0，即筒體下部端面固定，同時(shí)在水平截面內(nèi)無偏轉(zhuǎn)；限定兩個徑向截面的偏轉(zhuǎn)角度為0，即在徑向的垂直截面在垂直方向無偏轉(zhuǎn)。

3.2 力邊界

按設(shè)備的操作及設(shè)計(jì)條件和模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，力邊界條件分為以下幾個部分：內(nèi)壓力均布載荷、螺柱預(yù)緊的集中載荷、接觸對邊界條件。內(nèi)壓力載荷施加于內(nèi)壓作用面內(nèi)，螺柱預(yù)緊載荷采用MSC.Patran軟件提供的螺栓預(yù)緊載荷程序BoltPreload以及多點(diǎn)約束MPC進(jìn)行施加，以達(dá)到計(jì)算的精確性；接觸邊界條件的定義分為兩個部分，即先定義各個接觸體為變形體，再采用MSC.Patran軟件提供的“接觸對”設(shè)定表進(jìn)行“接觸對”的定義。

上述載荷在施加時(shí)應(yīng)注意矢量的方向性，以免產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。采用“接觸對”設(shè)定表進(jìn)行定義時(shí)，最好先對各個接觸體進(jìn)行編號。由于本模型各接觸體均為彈性接觸體,同時(shí)應(yīng)輸入各接觸體之間的摩擦系數(shù)。

3.3 溫度載荷邊界

本模型未考慮溫度的交變及熱應(yīng)力分析，故無溫度邊界條件。

上述邊界條件的施加見圖3。

4 材料特性

通常靜力學(xué)分析中，所需材料的主要特性有彈性模量以及泊松比。分別賦予材料在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量E和泊松比μ。

5 工況定義

本設(shè)備的分析工況為：預(yù)緊工況、設(shè)計(jì)工況、操作工況、耐壓試驗(yàn)工況。在工況定義中對各個工況下的位移邊界條件和力邊界條件進(jìn)行組合形成各個計(jì)算工況。

6 分析求解

由于有限元模型為非線性的接觸模型，在MSC.Patran中應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的Nastran解算器的設(shè)置，本解算器選用隱式非線性求解器SOL600。接觸問題是一個動態(tài)的過程，但按靜力學(xué)來分析處理，屬于模態(tài)分析。由此在解算器的設(shè)置中尤其應(yīng)注意相關(guān)參數(shù)的合理取值，比如小變形理論、合理的時(shí)間步長、迭代形式、接觸容限、收斂準(zhǔn)則等參數(shù)。通常按MSC程序的自適應(yīng)時(shí)間步長設(shè)置，能夠獲得收斂的計(jì)算結(jié)果。但是如果其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置的不合理將導(dǎo)致自適應(yīng)時(shí)間步長較小，從而迭代的次數(shù)增加，使計(jì)算的時(shí)間大為增加。因此非線性問題的求解中參數(shù)的選取非常重要。

7 分析結(jié)果處理

通用的有限元軟件一般都有前后處理器，比如在前處理器中進(jìn)行幾何模型的建立，有限元單元的劃分，邊界條件的施加，材料屬性的賦予以及載荷工況的組合；而后處理器則是專門用于處理分析的結(jié)果，如計(jì)算出來的節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力、單元應(yīng)力的提取和顯示、等值線的繪制、應(yīng)力云圖的顯示、位移變形圖的顯示等。圖4為部分工況的計(jì)算后的應(yīng)力云圖以及變形圖(時(shí)間步為Time=1.0)。可以直觀地顯示模型各個部位的應(yīng)力分布狀態(tài)以及變形情況，也能顯示出結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位。

應(yīng)分析結(jié)果中最重要的部分為應(yīng)力線性化處理和應(yīng)力評定。通過MSC.Patran軟件中二次開發(fā)的ASME線性化處理程序，按線性化處理路徑Curve線，依照J(rèn)B 4732標(biāo)準(zhǔn)的Tresca準(zhǔn)則提取出各個危險(xiǎn)截面的應(yīng)力值。

圖4部分工況的計(jì)算后的應(yīng)力云圖以及變形圖

8 應(yīng)力評定

在線性化處理的結(jié)果中，得到各截面的一次總體薄膜應(yīng)力Pm或局部薄膜應(yīng)力PL，一次彎曲應(yīng)力Pb，二次應(yīng)力Q，峰值應(yīng)力F。應(yīng)力評定準(zhǔn)則按JB 4732的規(guī)定進(jìn)行，本設(shè)備由于無疲勞操作工況，因此僅進(jìn)行靜強(qiáng)度的應(yīng)力評定，即限定SⅠ≤1.0KSm,SⅡ≤1.5KSm,SⅢ≤1.5KSm,SⅣ≤3.0Sm。

通過各工況的有限元接觸分析，所選取的危險(xiǎn)截面的應(yīng)力值按JB 4732應(yīng)力評定準(zhǔn)則，符合設(shè)計(jì)要求。

9 結(jié)語

該設(shè)備應(yīng)力分析的結(jié)果表明，雙錐密封系統(tǒng)中當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，雙錐環(huán)接觸面產(chǎn)生局部屈服，但絕大部分區(qū)域仍處于彈性變形范圍內(nèi)，因此局部的屈服引起的塑性變形對雙錐環(huán)的回彈能力影響不大。盡管如此設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)控制雙錐環(huán)本身的應(yīng)力水平，使其保持在彈性變形的范圍內(nèi)，并具有整體回彈能力，以保證其密封性能。雙錐環(huán)密封的徑向間隙以及自緊系數(shù)對其密封性能有較大影響，選取時(shí)應(yīng)予重視。本設(shè)備在裝置中運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)也驗(yàn)證了此雙錐密封系統(tǒng)的密封性能是符合設(shè)計(jì)要求的。

參 考 文 獻(xiàn)

1 GB 150-2011，壓力容器 [S].北京，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2011.

2 JB 4732-95 ，鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) [S].北京，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，1995.

3 張 永等.大型氨合成塔雙錐密封過程的數(shù)值模擬 [J].中氮肥，2006，(5):9-11.