硫化罐封頭法蘭剛度的有限元分析

趙常銘 金志浩 湯方麗 代立鵬

摘 要：根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，法蘭剛度變化可由法蘭轉(zhuǎn)角反映。對某硫化罐進(jìn)行分析，利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行有限元計算，對封頭法蘭端面定義路徑并由路徑上點(diǎn)位移換算成路徑轉(zhuǎn)角。通過改變尺寸參數(shù)，最終得到封頭法蘭端面不同位置剛度變化規(guī)律并指出硫化罐端蓋部分易發(fā)生泄漏位置。

關(guān) 鍵 詞：硫化罐;齒嚙式快開結(jié)構(gòu);法蘭剛度;有限元

中圖分類號：TQ 050.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1309-03

Finite Element Analysis of the Stiffness of Vulcanizing Boiler Head Flange

ZHAO Chang-ming， JIN Zhi-hao，TANG Fang-li，DAI Li-peng

（Shenyang University of Chemical Technology， Liaoning Shenyang 110142， China ）

Abstract： According to the ASME standard， the change of stiffness of flange can be reflected by the flange deflection angle. In this paper， the finite element computation of a vulcanizing boiler was carried out by using the finite element software ANSYS， the path on the end of head flange was defined， and point displacement on the path was converted into a path deflection angle. By changing the size parameter， change rule of rigidity of the end of head flange in different position was obtained， and the easy leakage location was pointed out.

Key words： Vulcanizing boiler; Tooth-locked quick closure institution; Tlange rigidity; Tinite element

硫化罐廣泛應(yīng)用于橡膠制品的硫化，是橡膠工業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)備，由于大多橡膠制品的硫化過程均為間歇式操作，故硫化罐端蓋一般采用齒嚙式快開結(jié)構(gòu)。齒嚙式快開結(jié)構(gòu)是在外力作用下，將蓋門旋轉(zhuǎn)一定角度，達(dá)到快開功能的一種裝置。由于該結(jié)構(gòu)形狀特殊、受力復(fù)雜，目前為止我國尚未出臺通用的齒嚙式快開裝置設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計，然后進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核[1]。這樣的結(jié)果較保守，造成了材料浪費(fèi)，為此，國內(nèi)外研究人員對該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了大量研究[2-4].隨著ANSYS軟件的廣泛應(yīng)用，工程設(shè)計人員通過優(yōu)化設(shè)計方法能夠得到結(jié)構(gòu)尺寸更加合理且滿足強(qiáng)度要求的齒嚙式快開壓力容器。但是，設(shè)計人員在設(shè)計過程中通常只認(rèn)識到強(qiáng)度失效的重要性，而齒嚙式快開結(jié)構(gòu)法蘭剛度是否失效往往被忽視，因此可能存在由于剛度失效而引起泄漏失效的危險。

本文以某硫化罐為例，利用ANSYS軟件的APDL語言進(jìn)行參數(shù)化建模，通過改變封頭、筒體法蘭的法蘭環(huán)高度，依次進(jìn)行有限元分析，以得出硫化罐封頭法蘭端面的剛度變化規(guī)律。

1 硫化罐端蓋快開結(jié)構(gòu)

硫化罐主要由端蓋、罐體、驅(qū)動裝置、安全聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)等部件組成。本文將重點(diǎn)研究硫化罐端蓋快開結(jié)構(gòu)，硫化罐的端蓋主要由封頭法蘭、罐體法蘭組成。本文研究對象硫化罐基本設(shè)計參數(shù)為：公稱直徑DN=2 000 mm，設(shè)計壓力P=1.0 MPa，封頭、罐體法蘭材料為16MnⅡ，筒體及封頭材料Q345R.其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 硫化罐端蓋結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.1 The size diagram of the vulcanizing boiler end closure

2 有限元模型

本文采用APDL語言參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)了模型的自動生成與網(wǎng)格自動劃分并施加約束條件。

2.1 有限元模型建立

由于模型較大，為了節(jié)省計算資源，將模型處理為廣義軸對稱問題。取相鄰兩對嚙合齒的各1/2以及一個完整齒間建模。當(dāng)離開不連續(xù)處的距離（即圓筒的長度）超過 （R為圓筒半徑，δ為圓筒壁厚）時，邊緣應(yīng)力的影響可以忽略不計，因此筒體長度應(yīng)大于 [5]。具體建模方法如下：

首先利用*set命令定義參數(shù)并對其賦值，其次由下到上按照點(diǎn)、線、面順序繪制圖形，vrotat命令將面旋轉(zhuǎn)成體。最后利用Booleans操作得到實(shí)體模型，見圖2。

圖2 硫化罐端蓋部分有限元模型

Fig.2 The entity model of the vulcanizing boiler end closure

2.2 網(wǎng)格劃分及接觸對建立

本文選用實(shí)體單元SOLID95并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Esize5命令控制網(wǎng)格精度，其中封頭部分采用自由劃分方式，其他部分采用映射網(wǎng)格劃分方式。在封頭法蘭齒與罐體法蘭齒嚙合處創(chuàng)建接觸對，模擬兩接觸面間相互作用、變形協(xié)調(diào)的過程。本文研究對象屬于面-面接觸類型，將罐體法蘭齒下表面定義為目標(biāo)面，封頭法蘭齒上表面為接觸面。為了防止發(fā)生兩個接觸面過多的相互嵌入，同時使計算容易收斂，設(shè)定法向剛度系數(shù)FKN=2.1。

2.3 施加載荷及邊界條件

封頭、筒體及上下法蘭環(huán)內(nèi)表面受到均布內(nèi)壓作用，蓋頂法蘭下端面密封槽以內(nèi)區(qū)域受均布內(nèi)壓作用。同時根據(jù)廣義軸對稱特點(diǎn)，兩齒中面周向位移為零。球冠封頭頂端徑向位移為零。為防止整體軸向位移，筒體下表面軸向位移為零，見圖3。

圖3 位移邊界示意圖

Fig.3 Displacement periphery sketch map

3 法蘭剛度

3.1 剛度失效

壓力容器的失效形式大致可分為強(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效和泄漏失效四大類[6]。在壓力容器的設(shè)計過程中，僅僅考慮強(qiáng)度是否失效是不安全

的，還要避免其剛度失效而引起密封失效。由于法蘭剛度不足而產(chǎn)生過大的變形是大多數(shù)法蘭連接密封失效的主要原因之一。針對齒嚙式快開結(jié)構(gòu)端蓋，主要體現(xiàn)為嚙合齒或法蘭環(huán)由于剛度不足而產(chǎn)生彎曲變形，造成嚙合齒的脫滑，也可能由于法蘭的過度變形引起泄露或密封力不足。

3.2 法蘭剛度校核

新的GB150中給出了法蘭剛度校核公式，即使系數(shù)J≤1[7]. 由GB150中給出的公式可以看出，壓力容器標(biāo)準(zhǔn)主要是從法蘭受力角度來校核法蘭剛度。但在ASME標(biāo)準(zhǔn)中對法蘭剛度校核方法與GB150中對法蘭剛度校核稍有不同，ASME標(biāo)準(zhǔn)中，給出了通過控制法蘭轉(zhuǎn)角來校核法蘭剛度。文獻(xiàn)[8]中對此進(jìn)行研究，將法蘭大小端厚度轉(zhuǎn)換為上下厚度相等的圓柱殼來簡化計算，根據(jù)薄殼理論，計算在力矩下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角。即ASME要求， 錐頸在法蘭設(shè)計力矩作用下， 整體法蘭由邊界力矩引起的法蘭端面轉(zhuǎn)角應(yīng)控制在0.3°以下。因螺栓連接法蘭與快開結(jié)構(gòu)法蘭密封機(jī)理相似，故對于快開結(jié)構(gòu)法蘭的剛度分析，亦采用通過法蘭端面旋轉(zhuǎn)角度來反應(yīng)法蘭剛度的變化。

4 封頭法蘭有限元剛度分析

4.1 有限元剛度分析方法

對封頭法蘭進(jìn)行剛度分析，只需得到封頭法蘭端面轉(zhuǎn)角即可。具體方法如下：

首先，一次有限元計算結(jié)束后，利用ANSYS軟件后處理功能在封頭法蘭端面定義7條路徑，見圖4。分別提取每條路徑上點(diǎn)在X軸Y軸方向位移變化，根據(jù)加載后的坐標(biāo)計算出路徑轉(zhuǎn)角。

圖4 路徑示意圖

Fig.4 Schematic diagram of path

其次，修改命令流中的封頭、罐體法蘭的法蘭環(huán)高度參數(shù)，即圖1中L1、L2尺寸，重復(fù)計算路徑角度。通過路徑的轉(zhuǎn)角，即可分析出封頭法蘭端面剛度變化情況。

4.2 有限元剛度分析結(jié)果

按照表1修改尺寸參數(shù)，進(jìn)行7組有限元計算，得出封頭法蘭不同位置路徑轉(zhuǎn)角，見圖5。

表1 尺寸參數(shù)

Table 1 The dimension parameters

圖5 不同法蘭環(huán)尺寸路徑轉(zhuǎn)角

Fig.5 The path deflection angle of different flange ring sizes

對7組不同法蘭環(huán)尺寸情況下的封頭法蘭轉(zhuǎn)角進(jìn)一步分析，可得到最大轉(zhuǎn)角與最小轉(zhuǎn)角之差的變化規(guī)律，見圖6。

5 結(jié) 論

通過以上分析，可得出如下結(jié)論：

（1）封頭法蘭端面剛度變化并不一致，其中嚙合齒中心位置所對的密封面變形角度最大，故可認(rèn)為當(dāng)硫化罐工作時，嚙合齒處為易發(fā)生泄漏位置。

（2）不同法蘭環(huán)厚度的快開結(jié)構(gòu)法蘭，其自身不同位置的剛度差異亦不相同，故對于法蘭環(huán)較厚且直徑較大的快開結(jié)構(gòu)法蘭，應(yīng)注意考慮使用回彈能力較強(qiáng)的墊片，以防止泄漏。

圖6 路徑最大與最小轉(zhuǎn)角差

Fig.6 The path of maximum and minimum deflection angle

參考文獻(xiàn)：

[1]王海英.對硫化罐設(shè)備設(shè)計的幾點(diǎn)體會[J].化工設(shè)備設(shè)計，1996，33（3）：15-18.

[2]鄭津洋，蘇文獻(xiàn)，徐平，等.基于整體有限元應(yīng)力分析的齒嚙式快開壓力容器設(shè)計[J].壓力容器，2003，20（7）：20-24.

[3]金偉姬，陳冰冰，方德明，等.硫化罐卡箍結(jié)構(gòu)的分析計算[J].壓力容器，2002，19（2）：18-20.

[4] 劉黎.齒嚙式蒸壓釜法蘭中的應(yīng)力分析[J].壓力容器，1989，6（1）：48-50.

[5]黃進(jìn).帶橢圓形封頭的整體轉(zhuǎn)圈齒嚙式快開裝置強(qiáng)度及工程設(shè)計方法的研究[J].化工裝備技術(shù)，2000，19（4）：18-27.

[6]鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：108-110.

[7]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，GB150.1-150.4-2011，壓力容器[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011：197.

[8]桑如苞.美國ASME法蘭設(shè)計剛度計算方法分析[J].石油化工設(shè)計，2009，26（1）：1-5.