橢圓形內(nèi)伸自緊密封高壓快開(kāi)人孔可行性分析

高炳軍，孫少南，杜招鑫，李凱麗

（河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130）

橢圓形內(nèi)伸自緊密封高壓快開(kāi)人孔可行性分析

高炳軍，孫少南，杜招鑫，李凱麗

（河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130）

橢圓形自緊密封快開(kāi)人孔用于高壓疲勞設(shè)備超出現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍，對(duì)其進(jìn)行可行性分析十分必要．采用有限元方法對(duì)橢圓形自緊密封快開(kāi)人孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，考察了人孔內(nèi)伸長(zhǎng)度對(duì)密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)在最佳內(nèi)伸長(zhǎng)度下，橢圓形墊片上、下表面的接觸壓力分布最為均勻，且平均接觸壓力值較大，具有良好的密封效果，可滿足密封要求．同時(shí)在合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，橢圓形人孔可滿足抗垮塌、安定性、抗疲勞以及穩(wěn)定性要求．研究表明，橢圓形內(nèi)伸自緊密封快開(kāi)人孔可用于高壓疲勞設(shè)備．

高壓；橢圓形人孔；內(nèi)伸；自緊密封；疲勞；分析設(shè)計(jì)

0 引言

橢圓形內(nèi)伸自緊人孔在鍋爐汽包等中低壓設(shè)備中已有應(yīng)用，與外伸式人孔結(jié)構(gòu)相比，橢圓內(nèi)伸人孔裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：不需設(shè)置外部連接法蘭，外伸長(zhǎng)度減少，改善空間結(jié)構(gòu)，可降低設(shè)備投資；憑借介質(zhì)壓力形成密封，降低螺栓預(yù)緊力；方便密封元件的拆裝等[1-2]．JB/T 2190-1993中對(duì)于橢圓形人孔結(jié)構(gòu)有詳細(xì)介紹，但其僅適用于壓力低于3.82 MPa的設(shè)備．在某些高壓快開(kāi)設(shè)備中，由于工藝需要，也需采用橢圓形內(nèi)伸人孔結(jié)構(gòu)，依靠介質(zhì)高壓形成自緊密封．但橢圓形開(kāi)孔由于其非軸對(duì)稱特性，會(huì)導(dǎo)致人孔筒節(jié)上同時(shí)存在軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力和徑向彎曲應(yīng)力，使得密封部位壓緊力不均勻，影響密封效果[3]．人孔筒節(jié)與容器連接區(qū)會(huì)存在較大的應(yīng)力集中，且在橢圓長(zhǎng)軸兩端應(yīng)力最大，導(dǎo)致連接部分極易發(fā)生破壞[4]．本文采用有限元法對(duì)橢圓形內(nèi)伸自緊人孔的密封性能、極限承載能力、安定性以及抗疲勞特性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，考察該結(jié)構(gòu)在高壓設(shè)備中使用的可行性．

1 有限元計(jì)算模型

某盛裝壓縮空氣的高壓儲(chǔ)氣罐，設(shè)計(jì)壓力P=25MPa，循環(huán)載荷0～25MPa，循環(huán)次數(shù)2 200次，設(shè)計(jì)溫度T=50℃，材料為Q345R（正火），彈性模量E=1.97×105MPa，泊松比=0.3，設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm=181MPa．應(yīng)用分析設(shè)計(jì)方法對(duì)球封頭內(nèi)徑進(jìn)行優(yōu)化[5]，確定最佳封頭內(nèi)徑R2=583mm，厚度T2=45mm．筒體直徑D1=1 100mm，筒體壁厚T1=88mm，人孔長(zhǎng)軸a=200mm，b=170mm，壁厚T3=40mm墊片采用金屬平墊片，材料為軟黃銅,彈性模量E=1.17×105MPa，泊松比=0.3．建立1/4實(shí)體模型進(jìn)行有限元計(jì)算，有限元模型如圖1所示，考慮邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度[6]，取有限元模型中筒體長(zhǎng)度L=1 000mm．

采用SOLID185單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，墊片上下表面設(shè)置接觸對(duì)，考察墊片上下表面的接觸壓力分布，借此來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的密封性能，其中，目標(biāo)單元采用 TARGE170，接觸單元采用 CONTA174，接觸摩擦系數(shù)取0.3．在筒體、封頭、人孔以及平蓋等于介質(zhì)接觸的表面施加均布載荷25 MPa；筒體下端面約束軸向位移，兩個(gè)對(duì)稱面施加對(duì)稱約束．網(wǎng)格剖分及載荷約束狀況如圖2所示．

圖1 有限元模型Fig.1 The finiteelementmodel

圖2 網(wǎng)格剖分及邊界條件Fig.2 Meshing and boundary conditions

2 密封性能評(píng)價(jià)

2.1 墊片表面接觸壓力分布規(guī)律

內(nèi)伸長(zhǎng)度為120 mm時(shí)墊片上、下表面的接觸壓力分布云圖如圖3、圖4所示．沿墊片徑向由外向內(nèi)有13個(gè)節(jié)點(diǎn)，沿周向0°～90°有91個(gè)節(jié)點(diǎn)．云圖中看出墊片上表面內(nèi)側(cè)接觸壓力較大，向外逐漸減小，外側(cè)有最小值，接觸壓力變化平緩．墊片下表面接觸壓力在墊片0°～20°外側(cè)處有最小值，70°～90°內(nèi)側(cè)處有最大值．沿墊片周向求取接觸壓力平均值，作出平均接觸壓力沿墊片徑向的變化規(guī)律如圖5．外壁面處的接觸壓力值較小，其余部分的接觸壓力均在100MPa以上，文獻(xiàn)指出只要接觸壓力值峰值大于內(nèi)部介質(zhì)壓力，就可以保證墊片的密封性能[7]，因此結(jié)構(gòu)可以保證良好的密封效果．

圖3 墊片上表面接觸壓力分布Fig.3 Thecontactpressuredistributionofgasketuppersurface

圖4 墊片下表面接觸壓力分布Fig.4 The contactpressure distribution of gasket lowersurface

沿墊片徑向求平均值，作出平均接觸壓力沿墊片周向的分布規(guī)律如圖6所示．上表面接觸壓力無(wú)明顯變化，基本維持在130MPa左右．下表面接觸壓力隨著角度的增加逐漸增長(zhǎng)，在0°～15°和75°～90°范圍內(nèi)增速較為緩慢，在15°～75°范圍內(nèi)增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯，0°處有接觸壓力最小值，此時(shí)接觸壓力為101 MPa．由周向分布結(jié)果亦能評(píng)定此結(jié)構(gòu)能保證較好的密封效果．

圖5 墊片表面徑向接觸壓力分布規(guī)律Fig.5 The contactpressure distribution along the radial direction of gasketsurface

圖6 墊片表面周向接觸壓力分布規(guī)律Fig.6 Thecontactpressuredistributionalong thecircum ferential direction of gasketsurface

2.2 人孔內(nèi)伸長(zhǎng)度對(duì)密封性能的影響

橢圓形人孔的內(nèi)伸部分在容器內(nèi)部屬于受壓元件，平蓋和筒節(jié)在壓力作用下，會(huì)發(fā)生一定的翹曲變形，使得壓緊面處接觸壓力分布不均勻，位移夸大云圖如圖7所示；人孔的內(nèi)伸長(zhǎng)度對(duì)壓緊端面變形量有著較大的影響，因此需對(duì)于人孔內(nèi)伸長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化．改變內(nèi)伸長(zhǎng)度，分別提取墊片上、下表面所有節(jié)點(diǎn)的接觸壓力，首先求取接觸壓力的周向平均值，再求取其平均值、最大值和最小值，以此研究?jī)?nèi)伸長(zhǎng)度對(duì)密封性能的影響，圖8、圖9分別為墊片上、下表面接觸壓力在不同內(nèi)伸長(zhǎng)度下的分布規(guī)律．

圖7 位移云圖Fig.7 Displacementcontour

圖8 不同內(nèi)伸長(zhǎng)度墊片上表面接觸壓力Fig.8 The contactpressure distributionof gasketupper surface w ith diffrrent in-truding length

圖9 不同內(nèi)伸長(zhǎng)度墊片下表面接觸壓力Fig.9 The contactpressure distribution of gasketlower surface w ith diffrrent in-truding length

平均接觸壓力在不同的內(nèi)伸長(zhǎng)度下較為接近，但最大值和最小值具有較大幅度的波動(dòng)．隨著內(nèi)伸長(zhǎng)度的增加，最大接觸壓力先降后增，內(nèi)伸長(zhǎng)度為120mm時(shí)有最小值，200mm時(shí)有最大值；最小接觸壓力波動(dòng)先增后減，在160～200 mm范圍內(nèi)有著較小的值．計(jì)算可知，在內(nèi)伸長(zhǎng)度100～120 mm時(shí)，最大、最小接觸壓力差較小，墊片表面接觸壓力分布均勻，密封效果較好．內(nèi)伸長(zhǎng)度在160 mm以上時(shí)，最大接觸壓力雖然較大，但最小接觸壓力值偏小，此時(shí)接觸壓力分布欠均勻，相對(duì)于120mm時(shí)密封效果較差．從提取的節(jié)點(diǎn)接觸壓力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)伸長(zhǎng)度大于140mm時(shí)，墊片上表面最外側(cè)接觸壓力為0；當(dāng)內(nèi)伸長(zhǎng)度大于180mm時(shí)，墊片下表面最外側(cè)處的接觸壓力也出現(xiàn)0值，說(shuō)明壓緊結(jié)構(gòu)變形較大，不利于結(jié)構(gòu)的密封．

從不同內(nèi)伸長(zhǎng)度下墊片上、下表面接觸壓力分布狀況可以看出，當(dāng)內(nèi)伸長(zhǎng)度為120mm時(shí)，具有最佳的密封效果．

3 強(qiáng)度評(píng)價(jià)

依據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行應(yīng)力分類，封頭人孔連接處一次局部薄膜應(yīng)力及一次加二次應(yīng)力需要進(jìn)行評(píng)定．由于球形封頭的橢圓形人孔是一種非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不便直接對(duì)一次局部薄膜應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，JB 4732-1995規(guī)定當(dāng)給定載荷不超過(guò)結(jié)構(gòu)塑性極限載荷的2/3時(shí)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)是滿足抗垮塌要求[8]，故采用極限載荷法評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗垮塌性能．一次加二次應(yīng)力仍根據(jù)安定性準(zhǔn)則按應(yīng)力分類法進(jìn)行評(píng)定．此外，壓縮空氣罐存在交變載荷，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)定．

3.1 抗垮塌評(píng)價(jià)

取材料的屈服極限ReL=325MPa，并給定一較大的壓力值P=100MPa進(jìn)行大變形非線性求解．內(nèi)伸長(zhǎng)度為120mm時(shí)，應(yīng)變強(qiáng)度云圖如圖10所示，最大應(yīng)變強(qiáng)度點(diǎn)位于人孔與封頭連接區(qū)橢圓長(zhǎng)軸外壁面處．該點(diǎn)應(yīng)變強(qiáng)度與載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖11所示，數(shù)值計(jì)算不收斂載荷即結(jié)構(gòu)的塑性極限載荷為Plim=44.792MPa，許用載荷為

因此，該結(jié)構(gòu)在工作壓力下不會(huì)發(fā)生垮塌破壞．

圖10 應(yīng)變強(qiáng)度Fig.10 Strain intensity

圖11 載荷-應(yīng)變強(qiáng)度曲線Fig.11 The load and strain intensity curve

3.2 安定性評(píng)價(jià)

依據(jù)線性化處理方法對(duì)封頭人孔連接部位的一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定．評(píng)定準(zhǔn)則為

由有限元計(jì)算應(yīng)力云圖可以看出在連接區(qū)人孔長(zhǎng)軸內(nèi)壁面處應(yīng)力強(qiáng)度最大，封頭內(nèi)壁面處應(yīng)力強(qiáng)度也較大，在此兩處位置處定義兩條應(yīng)力評(píng)定線L1和L2如圖12所示．

當(dāng)內(nèi)伸長(zhǎng)度為120mm時(shí)，對(duì)于路徑L1，PL+Pb+Q=411.4MPa，對(duì)于路徑L2，PL+Pb+Q=225.2MPa，允許值為543MPa，均滿足式 (2)要求．

3.3 疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)

在內(nèi)壓作用下，最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)發(fā)生在封頭人孔連接區(qū)人孔長(zhǎng)軸內(nèi)壁面處，應(yīng)力強(qiáng)度值為423.107MPa，如圖12所示．對(duì)應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度幅為211.55MPa，允許循環(huán)次數(shù)N=14 820次，可滿足工作循環(huán)數(shù)2 200次的要求．

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

由于人孔內(nèi)伸部分承受外壓，有必要進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)內(nèi)伸長(zhǎng)度為120mm的橢圓形筒節(jié)施加25MPa的外壓進(jìn)行特征值屈曲分析，失穩(wěn)模態(tài)如圖13所示，屈曲載荷系數(shù)為147.03MPa，臨界壓力為3675.8MPa，利用統(tǒng)一屈曲模態(tài)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大變形屈曲分析，臨界壓力為2 657.6MPa，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不成問(wèn)題．

圖12 應(yīng)力強(qiáng)度Fig.12 Stress intensity

圖13 橢圓管失穩(wěn)模態(tài)Fig.13 Bucklingmodeof elliptical tube

5 結(jié)論

對(duì)某高壓壓縮空氣罐的橢圓形內(nèi)伸自緊人孔進(jìn)行了有限元計(jì)算，考察了人孔內(nèi)伸長(zhǎng)度對(duì)自緊密封效果的影響，發(fā)現(xiàn)在最佳人孔內(nèi)伸長(zhǎng)度下，橢圓形墊片上下表面的接觸壓力分布最為均勻，且平均接觸壓力值較大，具有最佳的密封效果．同時(shí)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，橢圓形人孔可滿足抗垮塌、安定性、抗疲勞以及穩(wěn)定性要求．因此，橢圓形人孔應(yīng)用于高壓疲勞設(shè)備是可行的．

[1]齊昆，張馳群．橢圓形內(nèi)開(kāi)自緊式人孔的強(qiáng)度計(jì)算方法探究 [J]．化工設(shè)備與管道，2012，49（1）：15-17，32．

[2]吳國(guó)榮．壓力容器內(nèi)置橢圓人孔的設(shè)計(jì) [J]．石油化工設(shè)備，1987，16（4）：18-24．

[3]甄志強(qiáng)，龍華，王彩虹．橢圓形人孔強(qiáng)度和剛度的有限元分析 [J]．機(jī)械，2009，36（4）：28-30．

[4]馬新旭，葉偉文．CAE在壓力容器檢驗(yàn)中的應(yīng)用 [J]．中國(guó)特種設(shè)備安全，2011，27（6）：21-24．

[5]杜雅飛，崔靜，高炳軍．加氫反應(yīng)器球形封頭內(nèi)徑的確定 [C]//2004年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2004：1．

[6]陸明萬(wàn)，徐鴻．分析設(shè)計(jì)中若干重要問(wèn)題的討論（一）[J]．壓力容器，2006，23（1）：15-19．

[7]陳國(guó)定，Haiser H，HaasW，等．O形密封圈的有限元力學(xué)分析 [J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，19（5）：740-741，744．

[8]JB 4732-1995，鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）[S]．

[責(zé)任編輯 田 豐 夏紅梅]

A study on the feasibility elliptical intruding and self-sealing quick-openingmanholeunderhigh-pressure

GAO Bingjun，SUN Shaonan，DU Zhaoxin，LIKaili

(Schoolof Chem ical Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

Since The elliptical intruding and self-sealing quick-openingmanhole used in fatigue equipmentunder highpressure isbeyond theexisting design standard,the feasibility study isnecessary.The finiteelementmethod hasbeenused to analyse the sealing capability by changing the intruding length.The results show that,w ith the best intruding length, the contactpressureon gasketsurface isevenly distributed and theaverage contactpressure is relatively higher,which can ensure thisstructuremeetthesealing requirement.Meanwhile,themanhole canmeetanti-collapse,stability,fatigueand buckling requirements.Thisstudy indicates thattheellipticalmanholeused in high-pressure fatigueequipmentis feasible.

high-pressure;the ellipticalmanhole;intruding;self-sealing;fatigue;design by analysis

TQ050.3

A

1007-2373(2016)02-0050-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.02.009

2015-06-30

河北省自然科學(xué)基金（E2011202044）

高炳軍（1966-），男（漢族），教授．

數(shù)字出版日期：2016-04-26 數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160426.0941.006.htm l