高壓設(shè)備用隔膜式密封盤結(jié)構(gòu)對比分析

李國龍 雷 勇 中國成達工程有限公司 成都 610041

1 概述

在我國的石油化工領(lǐng)域，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、大型化的發(fā)展，設(shè)備也朝著高溫、高壓方向發(fā)展。石化設(shè)備中的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計是防止設(shè)備泄露失效中的關(guān)鍵一環(huán)，采用焊接密封元件進行密封是一種對高參數(shù)及非間隙腐蝕介質(zhì)設(shè)備防止泄露的有效防范，一般有螺紋鎖緊環(huán)式、隔膜式密封盤和Ω 環(huán)式等密封形式。典型的高壓設(shè)備密封結(jié)構(gòu)見圖1。

圖 1 高壓設(shè)備密封結(jié)構(gòu)

經(jīng)過多年的工程實踐，隔膜式密封盤結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用于石化設(shè)備上，一般由平蓋、連接螺柱、螺母、加強端部、堆焊層和隔膜式密封盤等零部件組成。目前隔膜式密封盤有多種型式，常見的隔膜式密封盤結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 常見隔膜式密封盤密封結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)某項目中高溫高壓容器的設(shè)計條件，采用有限元分析方法對比不同結(jié)構(gòu)的隔膜式密封盤，并對結(jié)果進行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。

2 結(jié)構(gòu)及設(shè)計條件分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

隔膜式密封盤密封結(jié)構(gòu)是焊接密封的一種，它區(qū)別于一般的密封結(jié)構(gòu)，不需要通過螺栓預(yù)緊壓緊墊片實現(xiàn)初始密封，而是通過在密封盤外緣與加強端部處的密封焊實現(xiàn)密封，因此，在密封計算中僅需要考慮介質(zhì)的壓力載荷，此密封結(jié)構(gòu)簡單、實施方便，也規(guī)避了螺栓預(yù)緊時對螺栓力矩控制困難的問題，適用于不需要頻繁拆卸的場合。

平蓋承受壓力載荷時，力學模型為均勻受壓的圓平板，將發(fā)生撓曲變形，中心處撓度最大，隔膜密封盤的撓曲變形與平蓋的撓曲變形最終達到一致，在隔膜密封盤外緣處的轉(zhuǎn)角和位移主要受到平蓋和筒體端部的約束，此處結(jié)構(gòu)薄弱，為確保密封性能，需要對密封唇處的轉(zhuǎn)角進行控制，如：采用增加平蓋厚度的方式，能夠控制密封唇處的轉(zhuǎn)角，但考慮到圓平板主要承受一次彎曲應(yīng)力，經(jīng)濟性較差。

因此，密封盤本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對改善焊縫處的受力將起到至關(guān)重要的作用，在傳統(tǒng)凹槽式結(jié)構(gòu)（圖2（a））基礎(chǔ)上，開發(fā)出了環(huán)槽式（圖2（b））和球缺式（圖2（c））等結(jié)構(gòu)型式，以期解決上述問題。本文以某工程項目為例，通過有限元方法，對比三種隔膜密封盤的密封結(jié)構(gòu)，得出相應(yīng)的結(jié)論。

2.2 設(shè)計條件

設(shè)計條件表

3 有限元分析

3.1 幾何模型

為充分考慮螺柱螺母連接結(jié)構(gòu)對密封性能的影響，同時降低計算求解規(guī)模，建立7.5°幾何模型，在兩相鄰螺柱對稱面與螺柱對稱面之間建立局部幾何模型，包括平蓋、加強端部（考慮邊緣效應(yīng)，模型中考慮一定的筒體長度），隔膜式密封盤，螺柱和螺母，見圖3。

圖 3 幾何模型

圖示模型僅為其中一種隔膜密封盤模型，實際計算中，建立凹槽式密封盤結(jié)構(gòu)模型，簡稱模型A；環(huán)槽式密封盤結(jié)構(gòu)模型，簡稱模型B；球缺密封盤結(jié)構(gòu)模型，簡稱模型C。

3.2 有限元模型

3.2.1 分析方法介紹

本文采用ANSYS 軟件對密封結(jié)構(gòu)進行有限元建模和應(yīng)力分析，重點分析和考察在內(nèi)壓作用下不同結(jié)構(gòu)形式的密封盤的位移情況和密封唇處的轉(zhuǎn)角情況。有限元分析的基本思想是將復(fù)雜的幾何受力模型劃分為形狀簡單的單元，構(gòu)建單元的結(jié)構(gòu)方程，通過單元與單元之間的節(jié)點連接關(guān)系，得到結(jié)構(gòu)整體剛度方程，根據(jù)位移約束和受力狀態(tài)，處理邊界條件，進行求解。

考慮到模型A 和模型B 的結(jié)構(gòu)特點，采用小變形假設(shè)，材料模型為理想彈性材料，能夠確保計算結(jié)果的精確性。但對于模型C，由于球缺在內(nèi)壓作用下有較大的變形，如仍采用小變形假設(shè)，計算結(jié)果明顯不合理，因此，模型C 采用非線性理論計算，為理想彈性材料，此即模型C1；但考慮到在大變形條件下，球缺結(jié)構(gòu)此時已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，考慮到計算精確性和對比需要，模型C2 采用大變形假設(shè)，同時考慮材料為理想彈塑性材料。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

本設(shè)備密封結(jié)構(gòu)僅涉及靜力分析，為保證精度，采用三維實體二階單元建模。經(jīng)多次劃分網(wǎng)格對比計算結(jié)果，確定最佳的網(wǎng)格密度，最大限度降低網(wǎng)格劃分對計算精度的影響。消除了網(wǎng)格劃分對計算精度的影響的網(wǎng)格模型見圖4。

圖 4 有限元網(wǎng)格模型

3.2.3 載荷條件

本文主要討論不同隔膜式密封盤結(jié)構(gòu)的密封效果，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，在結(jié)構(gòu)分析中，在加強端遠端的筒體部位施加軸向位移約束，在兩個對稱面施加周向旋轉(zhuǎn)約束，在與內(nèi)部介質(zhì)接觸面施加壓力載荷邊界條件。螺栓考慮操作載荷110%的預(yù)緊載荷。

隔膜式密封盤與平蓋、平蓋與螺母、隔膜式密封盤與筒體端部等處設(shè)置接觸對，模擬實際結(jié)構(gòu)的相互作用。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 隔膜密封盤與平蓋接觸線處

隔膜密封盤與平蓋接觸線處的軸向位移和按照第四強度理論計算的應(yīng)力強度分別見圖5 和圖6。

圖5 隔膜密封盤與平蓋接觸線處的位移

圖6 隔膜密封盤與平蓋接觸線處的應(yīng)力強度

從圖5，6 中可以看出，對于模型A 和模型B采用小變形假設(shè)是恰當?shù)?，兩者的軸向位移相差不大；對于球缺式隔膜密封盤，應(yīng)采用幾何非線性假設(shè)，其軸向位移在密封唇靠設(shè)備中心線處稍有不同。實際上，由于密封盤的彎曲變形，在隔膜式密封盤與密封唇連接處均存在塑性應(yīng)變（見圖7），當塑性發(fā)生后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到了重新分配，此點可從應(yīng)力強度圖上看出，模型C1 由于采用理想彈性材料模型，在靠近密封唇處有虛假的高應(yīng)力存在，其應(yīng)力值達到了1883MPa；同時，可以注意到球缺模型C1 和C2 在中心區(qū)存在較大的應(yīng)力波動，原因是此時球缺在此區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了結(jié)構(gòu)的屈曲，如果需要準確捕捉此處的應(yīng)力，需采用雙非線性的模型和合適的求解算法，如弧長法，以精確獲得此處的后屈曲位移和應(yīng)力強度。

圖7 隔膜密封盤塑性應(yīng)變區(qū)域

3.3.2 密封唇處

隔膜密封盤密封唇與堆焊層接觸線處的軸向位移和按照第四強度理論計算的應(yīng)力強度分別見圖8和圖9。

圖8 隔膜密封盤密封唇處的軸向位移

圖9 隔膜密封盤密封唇處的應(yīng)力強度

由圖可知，三種密封結(jié)構(gòu)型式在密封唇處的軸向位移基本一致，由于C1 模型為理想彈性模型，剛度明顯偏大，導(dǎo)致此模型的軸向位移明顯偏小。從圖9 的應(yīng)力強度曲線上也可看出，模型C1 的應(yīng)力強度偏離實際情況較遠，模型C2 由于考慮的是材料的塑性變形，應(yīng)力水平明顯小于其他模型。

密封唇處的應(yīng)力強度等值線圖和位移變形見圖10，其中模型C1 的應(yīng)力強度等值線最大值較大，采用對數(shù)比例顯示，以堆焊層上表面為基準，密封唇的張角見圖11。

圖10 隔膜密封盤密封唇處應(yīng)力強度與變形圖

圖11 隔膜密封盤密封唇的張角

由圖10 與11 可知，當采用有解除轉(zhuǎn)角關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)時（如模型B 的環(huán)槽、模型C1，C2 的球缺），密封唇處的轉(zhuǎn)角基本不發(fā)生轉(zhuǎn)動，可在一定程度上緩解密封焊接接頭的密封壓力，而模型A 有較大的張角，壓力介質(zhì)可能直接作用到密封焊接接頭處，應(yīng)盡量不采用此結(jié)構(gòu)。

3.3.3 焊接接頭處

隔膜密封盤密封焊縫水平位置處的軸向位移和按照第四強度理論計算的應(yīng)力強度如見圖12 和圖13。

圖12 水平位置處的軸向位移

圖13 水平位置處的薄膜加彎曲應(yīng)力強度

模型C1 的密封焊縫軸向位移明顯偏小，應(yīng)為材料模型選擇導(dǎo)致；模型C2 由于考慮的是材料的塑性變形，使密封結(jié)構(gòu)各處剛度得到協(xié)調(diào)，從位移和應(yīng)力水平得到有效緩解。

隔膜密封盤密封焊豎直位置的徑向位移和按照第四強度理論計算的薄膜加彎曲應(yīng)力強度如圖14和圖15 所示。

圖14 豎直位置處的軸向位移

圖15 豎直位置處的薄膜加彎曲應(yīng)力強度

由于球缺結(jié)構(gòu)受力的特點，在受內(nèi)壓作用時，會向周向擠壓變形，導(dǎo)致模型C1 和C2 的密封焊縫徑向位移明顯偏大；而由于受內(nèi)壓時，模型A 和B 密封盤的結(jié)構(gòu)特點，使其徑向位移基本一致，模型B 由于環(huán)形槽的存在，徑向位移稍小于模型A。

4 結(jié)語

本文通過對某一典型高壓密封結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得到不同隔膜密封盤密封結(jié)構(gòu)下關(guān)鍵位置的位移分布、應(yīng)力強度分布，比較了不同結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力強度變化趨勢。通過計算和分析，得出以下結(jié)論：

（1）由于隔膜式密封盤與平蓋與筒體端部的連接結(jié)構(gòu)特點，其適用于高溫高壓等苛刻的非間隙腐蝕的操作工況。

（2）通過采用開槽，或者增加隔膜密封板中心部位的撓度，可有效緩解隔膜密封盤中心部位與密封唇處的轉(zhuǎn)角關(guān)聯(lián)，降低密封件的剛度，減小密封唇的軸向位移和密封焊接接頭處的應(yīng)力水平。

（3）對于球缺型隔膜密封板，球缺形狀的球半徑應(yīng)經(jīng)過精確計算。球半徑過大時，在受內(nèi)壓時變形較大，應(yīng)確保在受內(nèi)壓時在邊緣處的撓曲變形和轉(zhuǎn)角與密封唇處的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)，以減小密封唇和密封焊接接頭處的應(yīng)力水平。

（4）當對凹槽或環(huán)槽隔膜密封結(jié)構(gòu)進行分析時，小變形假設(shè)可以滿足工程計算要求；但對于球缺型隔膜密封板，應(yīng)采用大變形假設(shè)，且應(yīng)考慮材料的塑性變形引起的應(yīng)力重分布效果，以得到精確的結(jié)果。

（5）如希望利用密封唇達到一定的密封效果，應(yīng)避免采用模型A 的結(jié)構(gòu)。