高壓設(shè)備用焊接密封元件的有限元分析

李　慧 ， 張文杰 ， 尹樹桂

(1.惠生工程(中國)有限公司 河南化工設(shè)計院分公司 ， 河南 鄭州　450018 ； 2.蒂森電梯有限公司 鄭州分公司 ， 河南 鄭州　450018)

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?設(shè)計與計算?

高壓設(shè)備用焊接密封元件的有限元分析

李慧1， 張文杰1， 尹樹桂2

(1.惠生工程(中國)有限公司 河南化工設(shè)計院分公司 ， 河南 鄭州450018 ； 2.蒂森電梯有限公司 鄭州分公司 ， 河南 鄭州450018)

摘要：為了研究焊接密封元件在高壓環(huán)境下的密封性能，本文應(yīng)用ANSYS軟件對圓形空腔式、焊環(huán)式和卵形空腔式焊接密封元件進(jìn)行有限元分析，得出如下結(jié)論：根據(jù)等效應(yīng)力值和應(yīng)變值，給出三種焊接密封元件的危險截面，且密封元件的應(yīng)力與密封元件的焊唇長度及焊環(huán)的密封焊位置密切相關(guān)；通過對三種焊接密封元件進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，可知三種密封元件均滿足強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：焊接密封元件 ； 等效應(yīng)力 ； 強(qiáng)度評定 ； 應(yīng)變

0前言

焊接密封元件，作為一種簡單、有效且經(jīng)濟(jì)的新型半可拆密封結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于工藝條件比較苛刻、密封要求較高而又不經(jīng)常拆卸的場合[1]。常見的密封元件有三種型式：圓形空腔式、焊環(huán)式和卵形空腔式。采用ANSYS軟件對上述三種密封元件進(jìn)行有限元分析，根據(jù)應(yīng)力值和變形量，評價密封元件的密封性能，為密封元件的工程設(shè)計奠定基礎(chǔ)和提供依據(jù)。

1焊接密封元件的工作原理

圖1為三種元件的密封形式，其工作原理為：將兩個密封元件的焊環(huán)分別焊在法蘭上，組裝時再把焊唇部分進(jìn)行密封焊接，形成一種無泄漏密封。操作時，密封元件與法蘭一起承受介質(zhì)的壓力[2]。

圖1　三種焊接密封元件的密封形式

2焊接密封元件的設(shè)計參數(shù)

2.1設(shè)計條件

設(shè)計壓力為16 MPa，設(shè)計溫度為160 ℃。圓形空腔式、焊環(huán)式和卵形空腔式焊接密封元件的材料均為16 Mn，該材料的彈性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力Sm=163.6 MPa。

2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)

依據(jù)HG/T 20582-2011中推薦的設(shè)計方法確定三種焊接元件的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖2所示。

考慮法蘭密封面尺寸限制，假設(shè)三種密封元件與法蘭接觸部分的剛性焊環(huán)尺寸(d2)相同，其他結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖2　三種焊接密封元件的結(jié)構(gòu)尺寸

結(jié)構(gòu)參數(shù)圓形空腔式焊環(huán)式卵形空腔式DL106010601020D01005995995d1940920920d2100510051005

3有限元模型

3.1建模

將整個密封元件作為研究對象，采用Solid186六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。同時，做如下假設(shè)[3]：①密封焊縫材料與母材相同；②不考慮焊腳影響；③忽略設(shè)備自重。

3.2邊界處理

位移邊界：①在密封元件與法蘭的接觸面施加軸向和環(huán)向約束；②在焊唇連接面施加軸向約束。

載荷邊界：①在密封元件的內(nèi)壁施加設(shè)計壓力p=16 MPa；②在在密封元件與法蘭的接觸面施加壓應(yīng)力F；③在焊唇連接面施加拉應(yīng)力N。

根據(jù)靜力學(xué)平衡方程可知，圓形空腔式：F=20.0 MPa，N=103.2 MPa；焊環(huán)式：F=5.72 MPa，N=22.33 MPa；卵形空腔式：F=7.14 MPa，N=23.23 MPa。

4計算結(jié)果分析

4.1應(yīng)力分析

圓形空腔式、焊環(huán)式和卵形空腔式焊接密封元件的結(jié)構(gòu)、載荷及約束均具有軸對稱性，故取三種焊接密封元件的任意橫截面，觀察等效應(yīng)力的分布情況，見圖3。

由圖3可知，在相同內(nèi)壓作用下，圓形空腔式焊接密封元件，最大等效應(yīng)力為331.89 MPa，危險截面位于焊環(huán)與焊唇的圓弧過渡段外表面；焊環(huán)式焊接密封元件，最大等效應(yīng)力為139.69 MPa，危險截面的位置與圓形空腔式大致相同；卵形空腔式焊接密封元件，最大等效應(yīng)力為71.63 MPa，危險截面位于焊唇的壓力腔內(nèi)壁。

圖3　焊接密封元件的等效應(yīng)力圖

經(jīng)分析，密封元件的應(yīng)力與密封元件的焊唇長度及焊環(huán)的密封焊位置密切相關(guān)。當(dāng)焊環(huán)的密封焊位置相同時，焊唇越長，內(nèi)壓引起的作用于法蘭內(nèi)徑截面上的軸向力就越大，因而密封元件的應(yīng)力也相應(yīng)較大；當(dāng)焊唇長度相同，焊環(huán)的密封焊位置靠近法蘭外側(cè)時，法蘭施加在密封元件上的壓應(yīng)力減小，導(dǎo)致密封元件的整體應(yīng)力值降低。

4.2強(qiáng)度評定

為了評價密封元件是否強(qiáng)度要求，采用“等效線性化”方法，將所受各類應(yīng)力加以細(xì)化和區(qū)分，根據(jù)不同應(yīng)力強(qiáng)度許用值進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定。通過ANSYS軟件的后處理功能，在圓形空腔式、焊環(huán)式和卵形空腔式焊接密封元件的危險截面位置自定義路徑。

危險截面位置自定義路徑見圖4。

圖4　自定義路徑

上述三種模型進(jìn)行應(yīng)力線性化處理后，可以得到局部薄膜應(yīng)力(SⅡ=PL)和一次加二次應(yīng)力(SⅣ=PL+Pb+Q)，相應(yīng)的評定標(biāo)準(zhǔn)為SⅡ≤1.5Sm；SⅣ≤3Sm。表2為圖示路徑下三種焊接密封元件的強(qiáng)度評定結(jié)果。

表2　三種焊接密封元件的應(yīng)力值

由表2可知，在相同設(shè)計壓力下，三種焊接密封元件均滿足強(qiáng)度要求。

4.3應(yīng)變分析

圖5為3種焊接密封元件的變形結(jié)果。

圖5　焊接密封元件的變形圖

由圖5可知，圓形空腔式、焊環(huán)式和卵形空腔式焊接密封元件的變形量分別為：0.022、0.017、0.003 mm。且三者發(fā)生變形的位置均在焊唇，其中圓形空腔式和卵形空腔式主要集中在焊環(huán)與焊唇連接的弧形過渡區(qū)，而焊環(huán)式密封元件的焊環(huán)與焊唇連接部分不存在弧形過渡，故變形發(fā)生在焊唇的中間部位。此外，這三種密封元件的焊環(huán)部分，由于自身剛度較大，故變形量幾近為0，可忽略不計。

5結(jié)論

在靜力學(xué)的基礎(chǔ)上，采用ANSYS軟件對圓形空腔式、焊環(huán)式和卵形空腔式焊接密封元件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，得到如下結(jié)論：

依據(jù)HG/T 20582-2011中推薦的焊接密封元件設(shè)計方法，在相同的設(shè)計壓力下，圓形空腔式焊接密封元件的等效應(yīng)力值最大，其后依次為焊環(huán)式和卵形空腔式。經(jīng)分析，密封元件的應(yīng)力與密封元件的焊唇長度及焊環(huán)的密封焊位置密切相關(guān)。同時，根據(jù)等效應(yīng)力云圖可確定三種密封元件危險截面的位置。

采用“等效線性化”方法，對三種密封元件進(jìn)行應(yīng)力細(xì)化和區(qū)分后可知：在承受內(nèi)壓時，焊接密封元件在整體范圍內(nèi)存在薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力，以及在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處產(chǎn)生的峰值應(yīng)力；此外，經(jīng)過應(yīng)力強(qiáng)度評定，三種焊接密封元件均滿足強(qiáng)度要求。

上述三種焊接密封元件最易發(fā)生變形的位置均在焊唇，其中圓形空腔式和卵形空腔式主要集中在焊環(huán)與焊唇連接的弧形過渡區(qū)，而焊環(huán)式密封元件則集中在焊唇的中間部位。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮秀,顧伯勤,陳曄.Ω環(huán)塑性極限載荷的確定[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,26(4):53-57.

[2]張文杰,李慧.焊接密封元件的設(shè)計與優(yōu)化[J].廣東化工,2015,42(3):111-112.

[3]柴西平,楊博雯,韓冰焱,等.焊接密封元件的應(yīng)力計算和強(qiáng)度分析[J].化學(xué)工程與裝備,2013(10):122-125.

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：李慧(1986-)，女，助理工程師，從事壓力容器設(shè)計工作，電話：15639256199。

中圖分類號：TQ050.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1003-3467(2016)06-0044-03