李玉偉

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

溫差應(yīng)力作用下焊唇密封環(huán)有限元分析計(jì)算

李玉偉

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

就高壓容器的一種密封方法—焊唇密封環(huán)的結(jié)構(gòu)以及計(jì)算方法進(jìn)行闡述，并結(jié)合實(shí)際工程的設(shè)計(jì)算例，重點(diǎn)介紹了溫差應(yīng)力作用下焊唇密封環(huán)的熱固耦合有限元分析計(jì)算，同時(shí)對(duì)焊唇密封環(huán)的選材、結(jié)構(gòu)尺寸選取等方面做了簡(jiǎn)要介紹。

焊唇密封環(huán)；熱固耦合；溫差應(yīng)力；有限元分析

0 引 言

焊唇密封環(huán)主要應(yīng)用于，法蘭連接接頭不允許有微量泄露且高溫、高壓場(chǎng)合，如高真空輸送或者操作介質(zhì)為極度、高度危害的場(chǎng)合。由于其密封性能良好，目前已經(jīng)在高壓石化容器、電站輔機(jī)設(shè)備上廣泛應(yīng)用。但焊唇密封環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)僅能按照HG20530-1992《鋼制管法蘭用焊唇密封環(huán)》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)使用范圍有限，適用于公稱壓力范圍：1.0～16.0 MPa；結(jié)構(gòu)形式僅有平面型(FF型)以及帶輔助密封墊的凹凸型(MFM型)兩種。標(biāo)準(zhǔn)適用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足壓力容器高參數(shù)、大型化的發(fā)展趨勢(shì)，另高壓容器管法蘭密封采用的焊唇密封環(huán)結(jié)構(gòu)形式多為Ω形焊唇密封環(huán)，標(biāo)準(zhǔn)中并未涉及其計(jì)算方法，只能夠參照HG20530標(biāo)準(zhǔn)選型。在合成氨等大型石化裝置中，由于特殊的工藝流程，焊唇密封環(huán)往往應(yīng)用于有溫差應(yīng)力的場(chǎng)合，只進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，不能滿足密封要求，需進(jìn)行熱固耦合有限元分析。

1 有限元分析算例

某大型合成氨項(xiàng)目中的氨合成塔合成氣進(jìn)口接管密封形式為焊唇密封環(huán)結(jié)構(gòu)，由于該處特殊的工藝流程和內(nèi)件結(jié)構(gòu)，焊唇密封環(huán)連接處溫差應(yīng)力很大，導(dǎo)致此密封處應(yīng)力狀況惡化，嚴(yán)重影響密封性能，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不能忽視此處的溫差應(yīng)力，應(yīng)對(duì)該處進(jìn)行熱固耦合有限元分析，對(duì)溫度場(chǎng)和溫差應(yīng)力分布進(jìn)行詳盡的分析、評(píng)定。

目前進(jìn)行流固耦合有限元分析比較常用的分析軟件是ANSYS，該軟件提供的熱應(yīng)力計(jì)算方法主要有兩種：直接法和間接法，直接法使用的是位移自由度和溫度的耦合單元，同時(shí)得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和熱分析的功能；間接法是首先要進(jìn)行熱分析，然后將求解到的單元節(jié)點(diǎn)上的溫度值作為體載荷，施加到模型結(jié)構(gòu)中進(jìn)行有限元分析計(jì)算。間接法能夠使用全部熱分析功能以及結(jié)構(gòu)分析功能。文中以間接法進(jìn)行熱固耦合分析。間接法進(jìn)行熱固耦合分析的主要流程：首先建立有限元模型，進(jìn)行熱分析，得到模型的溫度場(chǎng)分布，然后再次進(jìn)入到前處理階段，進(jìn)行熱單元轉(zhuǎn)到相應(yīng)結(jié)構(gòu)單元的轉(zhuǎn)換，設(shè)定單元選項(xiàng)，并設(shè)置結(jié)構(gòu)分析時(shí)的材料屬性(包括導(dǎo)熱系數(shù)等)以及前處理的相應(yīng)細(xì)節(jié)；讀入熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度；進(jìn)行求解；最終進(jìn)入后處理。

1.1 焊唇密封環(huán)選材原則

算例中焊唇密封環(huán)材料為鎳基合金UNS N06600(ALLOY 600)，選用此材料的原則：

(1)由于設(shè)備檢修、維護(hù)時(shí)需要切割焊唇密封環(huán)，安裝時(shí)再焊接密封，為方便設(shè)備檢修和維護(hù)，焊唇密封環(huán)通常采用焊后不需要進(jìn)行熱處理的材料。顯而易見，碳鋼并不適用。所以焊唇密封環(huán)一般選用鎳基合金、不銹鋼等不需要做焊后熱處理的材料。

(2)焊接性能良好的材料。

(3)耐腐蝕性好的材料。

(4)設(shè)備焊唇密封環(huán)處操作溫度在400 ℃以上，溫度較高、熱膨脹差較大、溫差應(yīng)力也很大，從設(shè)備安全運(yùn)行保證密封性能等方便考慮，設(shè)計(jì)時(shí)選用鎳基合金，原因是鎳基合金本的線膨脹系數(shù)與基層材料相近。

1.2 焊唇密封環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

焊唇密封環(huán)中心環(huán)板厚度的選?。褐行沫h(huán)板的厚度不是滿足強(qiáng)度要求，而是保證密封性能，環(huán)板在內(nèi)壓作用下會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形，始環(huán)板完全貼合在相連零件上，此時(shí)內(nèi)壓通過環(huán)板傳遞到零件上，該工況下環(huán)板受力較小。盡管如此，并不是說隔膜板就越薄越好，過薄時(shí)會(huì)影響焊唇密封環(huán)本身的基本強(qiáng)度和剛度性能，容易造成制造、運(yùn)輸、安裝時(shí)產(chǎn)生變形。

因此中心環(huán)板厚度可參照HG20530選取，選取15 mm為宜。

R5圓角的設(shè)置是為了避免變形時(shí)應(yīng)力集中；R1、R2的取值除了滿足強(qiáng)度要求外，剛度還要滿足由于熱膨脹產(chǎn)生的彈性變形要求，因此該處尺寸不能只按照工程經(jīng)驗(yàn)選取，需按等效圓筒進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，當(dāng)存在較大溫差應(yīng)力時(shí)，需進(jìn)行熱固耦合有限元分析。焊唇密封環(huán)具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 焊唇密封環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 分析模型簡(jiǎn)圖

1.3 有限元模型結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)這個(gè)算例氨合成塔合成氣進(jìn)口接管處焊唇密封環(huán)結(jié)構(gòu)形式，力求施加的載荷及約束接近焊唇密封環(huán)真實(shí)受力，建立模型時(shí)選取部分筒身、底封頭、B/A1/A3接管、支撐環(huán)、底部管箱及焊唇密封環(huán)，分析模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，設(shè)備運(yùn)行工況及設(shè)計(jì)工況參數(shù)詳見表1和表2。

表1 設(shè)計(jì)工況

表2 操作工況

1.4 有限元模型及邊界條件

根據(jù)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 建立四分之一的有限元力學(xué)模型詳如圖3所示，同時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少計(jì)算量，不建裙座和內(nèi)件模型，將作用在裙座上的設(shè)備軸向約束及內(nèi)件重力等效施加。

在筒體上端部施加軸向約束，等效裙座的軸向約束作用，筒體高度的選取原則，避開由于筒體與底封頭焊接接頭不連續(xù)處產(chǎn)生局部應(yīng)力的影響區(qū)域，同時(shí)考慮內(nèi)件對(duì)設(shè)備整體受力的影響，將內(nèi)件重力作用等效載荷施加在支撐環(huán)處；焊唇密封環(huán)非焊接連接處采用接觸單元，進(jìn)行非線性接觸分析；A3法蘭處螺栓載荷施加在A3法蘭及A3管箱螺栓中心圓等效面上。設(shè)備有限元模型溫度場(chǎng)加載如圖4所示，具體參數(shù)見表3；機(jī)械場(chǎng)加載如圖5所示，具體參數(shù)見表4。

圖3 有限元力學(xué)模型

圖4 溫度載荷加載示意圖

圖5 機(jī)械載荷加載示意圖

表3 溫度場(chǎng)加載參數(shù)

表4 機(jī)械場(chǎng)加載參數(shù)

1.5 有限元分析結(jié)果

按照間接法進(jìn)行熱固耦合分析，首先進(jìn)行熱分析，按圖4和表3對(duì)模型施加溫度載荷，進(jìn)過得到模型的溫度場(chǎng)分布如圖6所示，由于底部A3法蘭溫差較大，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力及變形，與其相連接的焊唇密封環(huán)必然會(huì)隨著法蘭產(chǎn)生的溫差應(yīng)力而發(fā)送較大變形。

進(jìn)行熱分析得到溫度分布云圖后，再次進(jìn)入前處理，將熱單元轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，設(shè)定相應(yīng)單元選項(xiàng)等細(xì)節(jié)，導(dǎo)入熱分析的結(jié)果，按圖5和表4施加機(jī)械載荷，求解后得到模型熱固耦合應(yīng)力分布云圖如圖7所示，焊唇密封環(huán)應(yīng)力分布云圖如圖8所示。

圖6 溫度分布云圖

由圖8可知焊唇密封環(huán)應(yīng)力最大點(diǎn)位于焊唇環(huán)形圓內(nèi)表面，該處因溫差過大產(chǎn)生變形引起較大的溫差應(yīng)力，評(píng)定路徑選取經(jīng)過應(yīng)力最大點(diǎn)的厚度最短距離，由于路徑處主要是熱膨脹差引起的局部應(yīng)力，按應(yīng)力分類的方法主要為二次應(yīng)力，該路徑處應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定如下：

SⅣ=473.8<3Sm=3×161=483 MPa

式中：SⅣ為一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度， Sm為材料在操作工況下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；評(píng)定路徑處應(yīng)力分類如圖9所示。

圖7 熱固耦合應(yīng)力分布云圖

圖8 焊唇密封環(huán)應(yīng)力分布云圖

圖9 應(yīng)力評(píng)定路徑處應(yīng)力分類圖

2 焊唇密封環(huán)安裝要求

焊唇密密封環(huán)對(duì)Ω形環(huán)部分加工的要求非常嚴(yán)格，焊接安裝時(shí)更為嚴(yán)格，需要嚴(yán)格保證密封環(huán)對(duì)齊，相扣緊密。

3 結(jié)束語

(1)通過以上分析可知，采用間接法進(jìn)行焊唇密封環(huán)的熱固耦合有限元分析，能夠清晰得到焊唇密封環(huán)及相關(guān)零部件溫度場(chǎng)分布，通過機(jī)械載荷與溫度場(chǎng)的耦合計(jì)算，直觀給出溫差應(yīng)力作用下焊唇密封環(huán)的應(yīng)力分布云圖，對(duì)焊唇密封環(huán)的合理設(shè)計(jì)意義重大。

(2)有限元分析過程中發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整焊唇密封環(huán)中R1、R2、L(如圖2所示)尺寸，可以調(diào)節(jié)焊唇密封環(huán)在溫差應(yīng)力作用下的應(yīng)力分布，提高承載能力，使設(shè)計(jì)更加合理經(jīng)濟(jì)。

[1] JB4732-95(2005確認(rèn)), 鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 余偉煒,等.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用(第二版)[M]. 北京：中國水利水電出版社，2007.

[3] HG 20530-92, 鋼制管法蘭用焊唇密封環(huán)[S].

Finite Element Analysis for Welding Lip Seal Ring under Thermal Stress

LI Yu-wei

(Harbin Boiler Company Limited, Harbin 150046,China)

For one seal applied in high pressure vessel-welding lip seal ring, its structure and calculation were stated in this paper. Combined with practical engineering examples, focus on thermal stress under the action of welding lip seal ring thermo-solid coupling finite element analysis and calculation. At the same time the respects of material, structure size selection, etc of welding lip seal ring were briefly introduced.

Welding lip seal ring; Thermo-solid coupling; Thermal stress; Finite element analysis

2015-04-15

2015-05-10

李玉偉，男，工程師，從事壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)、SAD壓力容器的設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.06.004

TH49

B

1009-3230(2015)06-0018-05