鋼制安全殼用大直徑法蘭及密封的設(shè)計(jì)

舒正誼　周新蓉　吳晨暉　蔡孟雷

摘 要：換料大直徑法蘭的結(jié)構(gòu)形式和密封形式是急需探討的問題。為確保安全殼內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)內(nèi)壓要求，應(yīng)按照ASME相關(guān)要求對(duì)安全殼法蘭和密封墊片進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元校核。

關(guān)鍵詞：大直徑法蘭；密封；金屬石墨復(fù)合墊片

中圖分類號(hào)：TH49；TB42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The structural and sealed type for the large-diameter flange is a problem which needs to be solved urgently， to insuring the containment vessel can bear the inner pressure when it encounters severity accident， the designing of flange and gasket according to ASME and checking through finite element method is needed.

Keywords：large-diameter flange；seal；metal graphite composite gasket

0.概述

鋼制安全殼頂部封頭處設(shè)置了一個(gè)反應(yīng)堆換料的通道，為了確保內(nèi)部核設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)能承受內(nèi)壓要求，圍欄與大直徑法蘭對(duì)焊焊接，法蘭與法蘭蓋之間加金屬石墨復(fù)合密封墊片采用雙頭螺柱連接緊固。

1.安全殼法蘭與墊片的設(shè)計(jì)輸入

1.1安全殼法蘭與墊片的結(jié)構(gòu)形式

安全殼法蘭和密封墊片按照《ASME BPVC-Ⅲ 第1冊(cè)附錄》強(qiáng)制性附錄Ⅺ進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。安全殼法蘭和密封墊片結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1.2設(shè)計(jì)參數(shù)

2.法蘭強(qiáng)度計(jì)算

2.1基本幾何參數(shù)

2.2主要材料性能

2.3法蘭尺寸及符號(hào)說明

按照《ASME BPVC-Ⅲ 第1冊(cè)附錄》強(qiáng)制性附錄Ⅺ法蘭部分要求進(jìn)行法蘭強(qiáng)度計(jì)算和剛度校核。符號(hào)說明來自于《ASME BPVC-Ⅲ 第1冊(cè)附錄》強(qiáng)制性附錄Ⅺ。

2.4墊片設(shè)計(jì)

墊片選取金屬石墨復(fù)合墊片。墊片系數(shù)m=3，最小設(shè)計(jì)密封應(yīng)力y=69MPa，墊片寬度為50mm，b0=25mm，b=12.5mm，G=D外-2b=4200-2×12.5=4175mm。

2.5螺栓設(shè)計(jì)

螺栓數(shù)量及規(guī)格根據(jù)《ASME BPVC-Ⅲ 第1冊(cè)附錄》強(qiáng)制性附錄Ⅺ要求，取螺栓規(guī)格M56，螺栓數(shù)量n=60，根據(jù)螺栓最大間距來確定。

2.6法蘭應(yīng)力校核

4.ANSYS應(yīng)力校核

4.1建立有限元模型

利用ANSYS17.0，依據(jù)圖1的法蘭尺寸建立有限元模型。由于法蘭接頭是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算工作量，取其1/4建立有限元模型進(jìn)行分析。

4.2單元類型選擇

安全殼頂蓋及法蘭設(shè)計(jì)中涉及的材料有兩種：SA-738 B級(jí)鋼和金屬石墨復(fù)合墊片。在有限元模擬中，采用solid185單元模擬安全殼頂蓋、螺栓及法蘭材料，采用INTER195單元模擬墊片材料。

模型中需設(shè)置螺母與安全殼頂蓋及法蘭的接觸、安全殼頂蓋與墊片的接觸、法蘭與墊片的接觸，均采用面-面接觸單元TARGE170、CONTA174來描述，接觸面的摩擦系數(shù)取為0.2。螺栓預(yù)緊情況的模擬采用PRETS179單元實(shí)現(xiàn)。

4.3材料特性定義

安全殼頂蓋及法蘭螺栓材料假設(shè)為線彈性，其材料屬性見表4。

墊片的材料為非線性材料，其閉合曲線依據(jù)文獻(xiàn)[2]中的擬合曲線模擬。

4.4邊界條件設(shè)置及載荷施加

在對(duì)稱面上施加面對(duì)稱約束。在法蘭底面施加剛性約束。法蘭接頭有預(yù)緊和施加內(nèi)壓兩種工況，先給螺栓施加預(yù)緊力，均分到每個(gè)螺栓上。然后鎖定預(yù)緊力，施加0.9MPa的內(nèi)壓，內(nèi)壓施加在安全殼頂蓋底面以及法蘭的內(nèi)側(cè)面上。

4.5計(jì)算結(jié)果

對(duì)計(jì)算結(jié)果的評(píng)定依據(jù)ASME規(guī)范中的分析法設(shè)計(jì)，一次應(yīng)力的限制為1.5S=277.2 MPa，二次應(yīng)力的限制為3S=554.4 MPa。

圖2是施加內(nèi)壓后法蘭的位移變形圖，最大位移發(fā)生頂蓋法蘭內(nèi)圈上，大約為1.8mm，由內(nèi)向外呈逐漸減小的趨勢。法蘭外圈也有約0.3mm的位移，這是由于預(yù)緊力的作用使得上下法蘭有靠攏的趨勢。

從圖4中可看出，最大應(yīng)力發(fā)生在螺栓桿上，在預(yù)緊工況時(shí)，螺栓就已承受拉應(yīng)力，在施加內(nèi)壓后內(nèi)側(cè)的螺栓桿上承受的彎曲應(yīng)力增大，最大應(yīng)力為283MPa，滿足ASME規(guī)范中二次應(yīng)力限制要求。

圖5是操作工況下的墊片的法向應(yīng)力分布圖，應(yīng)力中的負(fù)號(hào)代表壓應(yīng)力，最大應(yīng)力為15.9MPa，該應(yīng)力發(fā)生在墊片外圈處，越往內(nèi)側(cè)，應(yīng)力越小，墊片寬度范圍內(nèi)大部分區(qū)域符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小壓緊力要求。

結(jié)論

通過有限元分析對(duì)ASME規(guī)范中理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，法蘭強(qiáng)度和剛度滿足要求，可見ASME規(guī)范中理論計(jì)算是可靠的，也是偏安全的。

大直徑法蘭墊片的密封性需通過有限元校核，得出壓緊力數(shù)值和實(shí)際有效寬度，以便于后期密封的冗余設(shè)計(jì)和加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] ASME B&PVC規(guī)范， 第III卷， 第1冊(cè)[S].強(qiáng)制性附錄XI，2015.

[2]顧伯勤，時(shí)黎霞，陸曉峰.不銹鋼柔性石墨纏繞墊片的高溫性能研究[J].石油機(jī)械，2000，28（2）：13-16.endprint