核級管殼式換熱器密封墊片非線性分析研究

摘 要 采用有限元分析方法對核級管殼式換熱器法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)的密封性能進行了研究。考慮墊片的非線性材料特性，應(yīng)用ANSYS建立了有限元參數(shù)化模型，通過非線性分析提取密封墊片上的壓應(yīng)力，與墊片密封比壓和墊片系數(shù)比較，直觀地驗證結(jié)構(gòu)的密封可靠性。對影響墊片密封性能的墊片位置和墊片寬度等參數(shù)進行了敏感性研究，墊片位置趨于密封面內(nèi)側(cè)、墊片寬度減小，密封性能越好。

關(guān)鍵詞 管殼式換熱器 密封墊片 密封性能 非線性分析 有限元

中圖分類號 TQ051.5 " 文獻標(biāo)志碼 A " 文章編號 0254?6094（2024）04?0565?06

管殼式換熱器以封閉在殼體內(nèi)的管束壁面為傳熱面，管程和殼程中不同溫度的流體在管束壁面上進行熱交換，以實現(xiàn)對流體溫度的調(diào)節(jié)控制和熱量的交換。管殼式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價較低，能在高溫、高壓各種環(huán)境下使用，在石化行業(yè)中應(yīng)用廣泛［1，2］，同時也是核電廠中主要的核級換熱器設(shè)備。管程和殼程之間主要通過法蘭螺栓結(jié)構(gòu)與墊片進行連接和密封，由于密封失效導(dǎo)致介質(zhì)泄漏是這類結(jié)構(gòu)的主要失效形式［3～5］。實際核電廠中也存在諸多泄漏案例［6］，有必要對密封性能可靠性進行深入研究，探索可靠的設(shè)計方法和控制手段。

管程和殼程的法蘭面通過螺栓預(yù)緊力壓緊墊片實現(xiàn)強制密封，常規(guī)設(shè)計中一般考慮預(yù)緊密封和操作密封兩種密封條件。預(yù)緊密封條件主要實現(xiàn)管殼式換熱器的初始密封，設(shè)計參數(shù)為密封比壓（單位MPa）。從微觀上考慮，法蘭密封面即使經(jīng)過精加工，仍然凹凸不平，存在溝槽，可能成為密封面上的泄漏通道，因此需要施加螺栓預(yù)緊力，在墊片單位有效密封面積上產(chǎn)生足夠的壓緊力，使較弱的墊片表面嵌入到法蘭密封面的凹凸不平處，消除該泄漏通道。此單位面積上的壓緊力，即為墊片的密封比壓。操作密封條件主要保證工作時的持續(xù)密封狀態(tài)，設(shè)計參數(shù)為墊片系數(shù)。管殼式換熱器工作時，在內(nèi)壓力作用下會產(chǎn)生軸向力，使密封面產(chǎn)生分離趨勢，導(dǎo)致墊片與密封面之間的壓緊力減小而出現(xiàn)微縫隙，內(nèi)部介質(zhì)可能通過微縫隙產(chǎn)生泄漏。因此墊片和密封面之間需仍然保持足夠大剩余壓緊力以克服內(nèi)壓力，確保縫隙足夠小而不發(fā)生泄漏。該墊片單位有效面積上的剩余壓緊力與內(nèi)壓力的比值即為墊片的墊片系數(shù)。

密封比壓和墊片系數(shù)是墊片本身的特性參數(shù)，與墊片的材質(zhì)、形狀等相關(guān)。GB 150標(biāo)準(zhǔn)［7］和ASME規(guī)范［8］中根據(jù)預(yù)緊密封和操作密封兩種條件，確定了法蘭螺栓滿足密封所需的最小載荷和最小螺栓面積的計算公式。實際設(shè)計的法蘭螺栓面積大于所需最小面積，理論上可保證管殼式換熱器的密封性能，這主要是基于線彈性分析理論的經(jīng)驗公式。

目前核電工程項目上，對于核級管殼式換熱器以及其他設(shè)備的法蘭螺栓連接密封性能校核，主要采用這種方式。密封墊片除了常規(guī)金屬墊片，還包括多種非金屬墊片和混合材質(zhì)的墊片，如橡膠墊片、石墨墊片、聚四氟乙烯墊片及石墨金屬纏繞墊片等，其材料整體性能都是非線性的，具有不同的壓縮-回彈特性。因此，規(guī)范給出的經(jīng)驗公式并不能反映墊片的真實特性，會導(dǎo)致設(shè)計上過于保守。

筆者選擇某核級管殼式換熱器，考慮密封墊片實際的材料非線性，采用有限元分析軟件ANSYS，建立法蘭螺栓和墊片的三維有限元模型，開展預(yù)緊和加壓過程的非線性計算分析，研究法蘭密封面、墊片的變形與應(yīng)力狀況，為密封結(jié)構(gòu)的精細化設(shè)計提供參考。

1 有限元分析模型

以某核級管殼式換熱器法蘭螺栓連接區(qū)域為分析對象，進行參數(shù)化建模［9］?？紤]到結(jié)構(gòu)的對稱性，僅建立1/4幾何模型，包括殼程部分殼體、管程殼體與管程封頭、管板、部分管束、殼程法蘭、管程法蘭、連接螺栓以及法蘭與管板之間的密封墊片（圖1）。圖1b中管板與管程法蘭、殼程法蘭之間分別設(shè)有一個密封墊片，兩個法蘭盤由3顆螺栓連接，通過擰緊螺母施加螺栓預(yù)緊力，以實現(xiàn)密封作用。該換熱器有兩個密封面，需同時確保管程和殼程內(nèi)部的介質(zhì)不發(fā)生泄漏。

所采用的密封墊片類型為柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片，密封比壓為69 MPa，墊片系數(shù)為3。墊片通過在多層不銹鋼金屬帶之間填充柔性石墨后繞制而成，整體材料特性具有非線性特性。圖2為柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片壓縮-回彈性能曲線［10］，沿加載曲線加壓，然后在某一載荷點卸載，形成卸載曲線。由于墊片的非線性特性，卸載過程不能按原加載路徑卸載，具有明顯的滯后性。

對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，生成有限元網(wǎng)格模型［11，12］，如圖3所示。在螺栓中間截面上建立預(yù)緊單元，用于施加預(yù)緊力載荷。這些部件均為金屬材料，按線彈性材料考慮即可。

對于密封墊片，采用ANSYS中的INTER系列墊片單元，可以輸出墊片的壓縮變形和壓縮應(yīng)力結(jié)果。ANSYS材料庫中可選取墊片材料GASKET［5］，輸入墊片壓縮加載曲線和多條回彈卸載曲線，模擬柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的非線性行為。

2 約束與載荷

管殼式換熱器法蘭螺栓連接是一個多體裝配和緊密接觸的結(jié)構(gòu)，墊片與法蘭、墊片與管板、螺栓與法蘭、管束與管板之間的接觸面基本不變且相對固定，即使有微小滑移也不影響計算結(jié)果。因此為了簡化計算，摒除對計算結(jié)果的干擾因素，將螺栓與法蘭之間的接觸設(shè)置為綁定接觸，墊片與法蘭、墊片與管板、管束與管板之間的接觸采用單元共節(jié)點方式替代。殼程殼體底端約束豎直方向自由度，整體結(jié)構(gòu)1/4對稱面上施加對稱約束。單顆螺栓施加預(yù)緊力80 kN，殼程內(nèi)部壁面施加內(nèi)壓7.5 MPa，管程內(nèi)部壁面施加內(nèi)壓5.0 MPa。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力

對所有螺栓施加預(yù)緊力，完成第一步預(yù)緊密封計算，然后管程和殼程施加內(nèi)壓，進行第二步內(nèi)壓載荷計算，可得到整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，如圖4所示。法蘭錐頸處為結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，存在應(yīng)力集中，因此應(yīng)力較大。螺栓預(yù)緊后會發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生了較大的彎曲應(yīng)力。

3.2 墊片密封分析

密封墊片上的壓縮量和壓應(yīng)力大小決定了法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)是否能夠保持密封狀態(tài)。螺栓預(yù)緊過程中，管程、殼程與管板之間的墊片被同步壓縮，變形過程基本一致，如圖5、6所示。圓周方向上各截面分布情況相同，徑向方向上由于密封面外側(cè)靠近連接螺栓，因此墊片外緣受壓較多，墊片外緣（墊片徑向節(jié)點序號7）的壓縮量和壓應(yīng)力稍大于內(nèi)緣（墊片徑向節(jié)點序號1）的壓縮量和壓應(yīng)力?？傮w上，壓縮量和壓應(yīng)力變化趨勢一致，壓縮量在1.137～1.189 mm之間，壓應(yīng)力在85.5～90.7 MPa之間，大于墊片密封比壓，能夠保證法蘭螺栓連接的密封性。

施加內(nèi)部壓力后，預(yù)緊壓縮的墊片發(fā)生部分卸載并適當(dāng)回彈，墊片壓縮量和壓應(yīng)力均降低，如圖7所示。由于墊片材料非線性，回彈路徑滯后于加載路徑，與圖2所示的壓縮-回彈性能曲線吻合。

施加壓力時密封面從內(nèi)側(cè)開始趨于分離，墊片內(nèi)緣開始卸載回彈，其壓縮量和壓應(yīng)力進一步小于墊片外緣的壓縮量和壓應(yīng)力，若發(fā)生泄漏，換熱器內(nèi)部的介質(zhì)將從墊片內(nèi)緣侵入密封面，逐漸向外擴展。但由于管程和殼程內(nèi)施加的壓力不同，兩個密封墊片的回彈變化也有差異。以截面1為例，施加壓力后的墊片壓應(yīng)力變化如圖8所示，殼程壓力大于管程，所以殼程密封墊片回彈量更大，墊片壓應(yīng)力更小，殼程側(cè)更容易發(fā)生泄漏失效。由圖可知，管程壓應(yīng)力最大減小了9.4%，殼程壓應(yīng)力最大減小了28.1%。但密封面上剩余壓應(yīng)力尚有60 MPa以上，仍大于墊片系數(shù)與最大內(nèi)壓力的乘積，即22.5 MPa，因此能夠保證法蘭螺栓連接的密封性。

通過對管殼式換熱器法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)預(yù)緊和加壓過程的有限元非線性計算分析，可以了解密封墊片的詳細壓縮變形情況，直觀判斷出加載過程后的密封效果，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化和墊片選型提供有利參考。

4 密封性能影響因素的敏感性分析

影響管殼式換熱器法蘭螺栓密封性能的因素很多，如螺栓結(jié)構(gòu)尺寸、螺栓數(shù)量、預(yù)緊力大小、墊片材質(zhì)、墊片位置、墊片尺寸、使用環(huán)境以及內(nèi)壓施加方式等。文中考慮墊片位置和墊片寬度對密封性能的影響，基于墊片非線性特性，采用有限元分析法開展密封性能敏感性研究。

4.1 墊片位置對密封性能的影響分析

密封墊片的截面寬度尺寸選定后，還需確定不同的墊片直徑。選用的直徑不同，則墊片在密封面上的放置位置也不同。直徑越大，越靠近密封面外緣，直徑越小，則越靠近密封面內(nèi)緣。

文中選定墊片寬度12 mm，研究5種墊片直徑，對應(yīng)密封面上5種墊片放置位置，如圖9a所示，位置1墊片靠近密封面內(nèi)緣，位置5墊片靠近密封面外緣。對于每一個位置，左側(cè)為密封面內(nèi)緣，右側(cè)為密封面外緣。圖9b、c分別為不同放置位置下管程和殼程的墊片預(yù)緊和加壓后截面上的壓應(yīng)力變化曲線。由圖可知，各位置的墊片密封性能均能滿足使用要求，而且位置1墊片的壓應(yīng)力最大，位置5墊片的壓應(yīng)力最小，即表明墊片位置越靠近密封面內(nèi)側(cè)，密封效果越好。這是由于內(nèi)側(cè)墊片的直徑較小，密封所需要的壓緊力就變小，在當(dāng)前確定的螺栓預(yù)緊力作用下，墊片容易被壓得更緊，壓應(yīng)力也相應(yīng)增加。同時，殼側(cè)由于施加的壓力大，所以密封面分離趨勢大，殼程墊片壓應(yīng)力小于管程墊片壓應(yīng)力。

4.2 墊片寬度對密封性能的影響分析

墊片在密封面上的位置確定后，若墊片寬度尺寸不同，對密封性能也有影響。文中研究了3種墊片寬度下的密封情況，如圖10a所示，寬度1最小，寬度3最大。圖10b、c分別為不同寬度下管程和殼程的墊片預(yù)緊后截面上壓應(yīng)力的變化曲線。對于寬度1的墊片，預(yù)緊后管程和殼程的壓應(yīng)力大于密封比壓，足以滿足密封要求。對于寬度增大的其余兩種墊片，壓應(yīng)力快速降低，已經(jīng)小于密封比壓，無法滿足預(yù)緊密封要求。這是由于密封面積增大，當(dāng)前的螺栓預(yù)緊力已經(jīng)不足，無法再壓緊墊片，因此墊片壓應(yīng)力減小，甚至小于密封比壓?？梢妷|片寬度對密封性能的影響顯著，寬度過大，就需要更大的螺栓預(yù)緊力來實現(xiàn)預(yù)緊密封，這可能導(dǎo)致螺栓和法蘭變形失效，從而需要增大螺栓和法蘭結(jié)構(gòu)強度，增加設(shè)計成本。從計算趨勢看，墊片寬度變小，壓應(yīng)力增大，有利于達到更好的密封效果。但墊片寬度過小，又很容易被壓塌失去彈性，也會導(dǎo)致密封失效。文中的密封墊片非線性分析過程可為墊片的合理設(shè)計提供有效參考。

5 結(jié)論

5.1 應(yīng)用ANSYS建立核級管殼式換熱器法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，引入墊片的非線性材料特性，通過非線性計算得到密封墊片的壓應(yīng)力，與墊片密封比壓和墊片系數(shù)比較，可直觀驗證結(jié)構(gòu)的密封可靠性。

5.2 研究模型預(yù)緊后墊片壓應(yīng)力在85.5～

90.7 MPa之間，大于墊片密封比壓，加載后密封面上剩余壓應(yīng)力在60 MPa以上，大于墊片系數(shù)與最大內(nèi)壓力的乘積，能夠保證法蘭螺栓連接的密封性。

5.3 經(jīng)分析可知，密封墊片直徑越小，越靠近密封面內(nèi)側(cè)，墊片寬度越小，法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)的密封效果越好，通過優(yōu)化分析，可得到一個綜合的最佳密封設(shè)計方案。

5.4 本研究的有限元非線性分析方法直觀有效，可為核電廠管殼式換熱器密封優(yōu)化設(shè)計提供支持和借鑒。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-08-07，修回日期：2024-07-08）

Nonlinear Analysis of the Sealing Gasket of Nuclear

Shell?to?Tube Heat Exchanger

DU Kun1，2， LI Yan?qing1，2， ZHU Hao?jie1，2， WANG Xiao?feng1，2， HONG Chang3 ，

LI Zhen?hua3， LU Yong?hao3

（1. State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Technology and Equipment；

2. China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.；

3. National Center for Material Service Safety， University of Science and Technology Beijing）

Abstract " Making use of finite element analysis method to investigate sealing performance of the nuclear shell?tube heat exchanger’s flange?bolt?joint was implemented， including having the gasket’s nonlinear material characteristics considered and ANSYS adopted to establish a parameterized finite element model. Through nonlinear analysis， the sealing gasket’s compressive stress was extracted and the sealing reliability of the structure was verified after comparing the compressive stress with the sealing pressure ratio and gasket coefficient. The sensitivity factors of gasket position and gasket width which affecting the sealing performance were studied. The results show that， the sealing performance becomes better while the position of the gasket tends to the inside of the sealing surface. The width of the gasket decreases and the sealing performance becomes better.

Key words " shell?tube heat exchanger， sealing gasket， sealing performance， nonlinear analysis， finite element

基金項目：重大工程材料服役安全研究評價設(shè)施國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開放課題基金（批準(zhǔn)號：MSAF?2020?103）資助的課題。

作者簡介：杜坤（1975-），高級工程師，從事核電廠核級設(shè)備結(jié)構(gòu)力學(xué)分析工作，kun_du75927@163.com。

引用本文：杜坤，李彥青，朱昊杰，等.核級管殼式換熱器密封墊片非線性分析研究［J］.化工機械，2024，51（4）：565-

570.