陳　松， 劉金純， 楊宇峰， 景鵬飛， 謝禹鈞

(1.遼寧石油化工大學(xué) 研究生學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2.中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 沈陽 110167)

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加氫反應(yīng)器非標(biāo)八角墊密封性能有限元分析

陳松1， 劉金純2， 楊宇峰2， 景鵬飛2， 謝禹鈞1

(1.遼寧石油化工大學(xué) 研究生學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2.中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 沈陽 110167)

針對加氫反應(yīng)器頂部人孔法蘭處所使用的非標(biāo)八角墊，利用Ansys有限元分析軟件計算了其密封面在反應(yīng)器進(jìn)行液壓試驗(yàn)過程中的接觸應(yīng)力，分析了各個密封面上的不同接觸應(yīng)力的產(chǎn)生原因。結(jié)果表明，接觸應(yīng)力在試驗(yàn)壓力達(dá)到峰值的時刻降至低谷，墊片內(nèi)側(cè)兩面應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在遠(yuǎn)離墊片中心一側(cè)，外側(cè)情況則與之相反。分析所得墊片密封面接觸應(yīng)力的變化規(guī)律為同種非標(biāo)密封結(jié)構(gòu)的分析評定提供了參考依據(jù)。

非標(biāo)；八角墊；有限元分析；接觸應(yīng)力

八角截面的金屬墊片具有半自緊式密封、高溫環(huán)境下材料的彈性模量降低的特點(diǎn)，有利于高溫高壓條件下的密封，而加氫反應(yīng)器通常在高溫高壓下工作，操作條件苛刻；更重要的是在同等使用要求下，其它金屬墊片的加工制造更為復(fù)雜，質(zhì)量不穩(wěn)定，因此金屬八角墊通常是加氫反應(yīng)器首選的法蘭密封件[1]。

加氫反應(yīng)器的密封設(shè)計至關(guān)重要，任何泄露都會導(dǎo)致災(zāi)難性事故和嚴(yán)重的次生災(zāi)害。通常在升降壓過程中墊片密封面與法蘭密封面的接觸應(yīng)力將產(chǎn)生較大波動。該應(yīng)力的大小不僅影響密封效果，也影響設(shè)備法蘭密封面的完整性。在操作工況下，接觸應(yīng)力要維持墊片比壓在安全線以上，滿足密封條件。由于加氫反應(yīng)器封頭法蘭密封面鍍有不銹鋼堆焊層，如果接觸應(yīng)力過大，也會傷及法蘭密封面的堆焊層，破壞密封。盡管設(shè)計中用墊片材料與法蘭密封面材料的硬度差來保護(hù)法蘭密封面，但也要特別注意避免過大的接觸應(yīng)力對法蘭密封面造成永久的傷害。因此，該類設(shè)備中對密封件的設(shè)計、制造和使用操作提出了更高的要求，尤其是出廠前的液壓試驗(yàn)等環(huán)節(jié)[2-3]。

液壓試驗(yàn)用于檢驗(yàn)容器內(nèi)部缺陷是否會迅速發(fā)展造成破壞或開裂引發(fā)泄漏，并檢驗(yàn)密封處的密封性能，是制造過程中安全檢驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。液壓試驗(yàn)一般采用水或其它不會導(dǎo)致發(fā)生危險的液體作為介質(zhì)，對低合金鋼制容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)時，液體溫度不得低于15 ℃，本文所用的材料性能參數(shù)都以20 ℃時為準(zhǔn)[4]。

本文研究的加氫反應(yīng)器所需的液壓試驗(yàn)壓力為16.9 MPa、墊片的中徑為1 070 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中所提供的尺寸最大值。對于此類非標(biāo)八角墊，目前并沒有完善的理論分析，也沒有可供參考的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式和設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。作為特種設(shè)備，每個關(guān)鍵設(shè)計環(huán)節(jié)必須有可靠的數(shù)據(jù)支撐。研究該類工程結(jié)構(gòu)模擬實(shí)際工況的力學(xué)模型，對獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)具有重要意義。

1　結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)

計算所涉及的加氫反應(yīng)器為國內(nèi)一大型聯(lián)合加氫項目中的設(shè)備，其中八角墊位于反應(yīng)器頂部人孔法蘭處，見圖1(a)，其中詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸見圖1(b)。緊固件選擇M95雙頭螺柱及六角螺母，材料選用25Cr2MoV。

圖1　分析結(jié)構(gòu)位置及八角墊整體結(jié)構(gòu)尺寸

2　計算模型與載荷分析

計算過程中所涉及的載荷包括螺栓預(yù)緊載荷及內(nèi)壓載荷。結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此對附帶一組螺栓的1/24結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算，模型兩側(cè)施加對稱邊界條件，同時約束筒體下端軸向位移，以消除結(jié)構(gòu)的剛體位移[5]。在八角墊與墊片槽間建立四個接觸對，螺母與法蘭間建立兩個接觸對(螺栓為一整體結(jié)構(gòu))。根據(jù)工程實(shí)際，各接觸對間的摩擦系數(shù)取為0.25。

計算過程共分為4個載荷步：第一步施加螺栓載荷，第二步固定其位移，達(dá)到預(yù)緊目的，前兩步為預(yù)緊過程；第三步升壓，由0 MPa升至16.9 MPa，第四步降壓，由16.9 MPa降至0 MPa。實(shí)際上由于八角墊硬度低于墊片槽，這會使得墊片部分區(qū)域產(chǎn)生屈服。為了更好地模擬屈服現(xiàn)象，運(yùn)用非線性手段對八角墊進(jìn)行分析，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見下文。

計算過程中需要重點(diǎn)關(guān)注時間點(diǎn)和模型部位。時間點(diǎn)是反應(yīng)器在試驗(yàn)工況下試驗(yàn)壓力達(dá)到峰值的時刻，此時結(jié)構(gòu)在多種載荷的作用下會發(fā)生變形，使得墊片密封面比壓降至最低，容易出現(xiàn)泄漏問題。模型部位是墊片密封面及墊片槽與其接觸面，此處網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目過少會導(dǎo)致計算結(jié)果遠(yuǎn)小于實(shí)際值，而劃分?jǐn)?shù)目過多既不會進(jìn)一步提升計算結(jié)果的精確程度，又將大幅降低計算效率。因此，劃分?jǐn)?shù)目應(yīng)控制在一適中程度，經(jīng)反復(fù)試算，劃分為30份最為合適，這也決定了整個模型網(wǎng)格劃分的疏密分布情況[6]。

分析使用SOLID185八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，為施加螺栓載荷使用PRETS179預(yù)緊單元，目標(biāo)單元與接觸單元分別采用TARGE170單元和CONTA174單元。模型采用映射劃分方式，共產(chǎn)生26 880個單元，32 673個節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2　總體網(wǎng)格劃分

3　螺栓載荷計算與材料性能參數(shù)

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按式(1)計算[7]：

(1)

其中b=5.56 mm，y=179.3 MPa。向上取整后得Wa=3 351 111 N。

試驗(yàn)狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按式(2)計算：

(2)

本計算所用最小螺栓載荷W應(yīng)取Wa、Wp二者中的較大值，并除以螺栓總數(shù):

W=max(Wa,Wp)/n

其中n=24。向上取整后得W=804 254 N。

分析所用的材料性能參數(shù)如下：八角墊及堆焊層材料的彈性模量為195 000 MPa,法蘭及螺栓材料的彈性模量為204 000 MPa,泊松比均為0.3[8]。

另外，八角墊在外載作用下接觸面局部區(qū)域會出現(xiàn)不同程度的屈服現(xiàn)象，為保證計算結(jié)果更加符合真實(shí)情況，計算中墊片部分采用彈塑性分析，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示[9]。

圖3　八角墊材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

4　載荷工況與結(jié)果分析

對于模擬工況所涉及節(jié)點(diǎn)的選取原則如下：各密封面的接觸應(yīng)力梯度出現(xiàn)在徑向，既接觸應(yīng)力沿環(huán)向近似均勻分布，偏差不超過6%。偏于保守估計，首先選取各密封面應(yīng)力較小點(diǎn)，然后即可確定通過該點(diǎn)的經(jīng)線平面與此密封面的交線，最后從該線上選取全部31個節(jié)點(diǎn)，編號為1至31，分析對象選取及編號排列情況見圖4[10]。對于預(yù)緊工況接觸應(yīng)力分布(見圖6)涉及的節(jié)點(diǎn)分別為圖4所示面1、2的31號節(jié)點(diǎn)與面3、4的2號節(jié)點(diǎn)，共計4個。

圖4　分析對象示意圖

分析工況選取情況：接觸應(yīng)力與時間的關(guān)系可以呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)在不同載荷下不同的密封狀態(tài)，從中可以了解密封狀態(tài)較差的時刻，從而對該時刻進(jìn)行重點(diǎn)分析[11-12]。圖5反映了整個試驗(yàn)過程中接觸應(yīng)力隨不同載荷步的變化情況。預(yù)緊工況，即螺栓預(yù)緊力施加完畢的時刻；操作工況，即試驗(yàn)壓力達(dá)到峰值的時刻；圖6、圖7分別反映了在上述時刻4個密封面上接觸應(yīng)力的分布情況。

圖5　不同載荷步接觸應(yīng)力變化圖

圖6　預(yù)緊工況接觸應(yīng)力分布

圖7　操作工況接觸應(yīng)力分布

由圖5可知，接觸應(yīng)力與預(yù)緊力呈近似線性關(guān)系，隨預(yù)緊力的增加而增加，在預(yù)緊結(jié)束后迅速趨于穩(wěn)定；在容器升壓過程中接觸應(yīng)力隨內(nèi)壓的升高而減小，降壓過程中接觸應(yīng)力的變化與升壓過程相反，最后重新上升至升壓前的水平，因此內(nèi)壓達(dá)到最大值時墊片的密封性能相對較差[13]。

由圖6、7可以看出，在墊片內(nèi)側(cè)面1、3上，接觸應(yīng)力最大值分別位于遠(yuǎn)離墊片中心一端，而墊片外側(cè)面2、4上則分別位于靠近墊片中心一端；這符合結(jié)構(gòu)的變形影響：在內(nèi)壓與螺栓載荷作用下，結(jié)構(gòu)會外張，即產(chǎn)生翹曲變形。另由圖5可知，面2應(yīng)力受內(nèi)壓載荷變化的影響微小，可見內(nèi)壓對平蓋邊緣變形影響相對較小。

八角墊在內(nèi)外表面邊緣并不存在過渡圓角，這會引起較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而在各密封面的1號節(jié)點(diǎn)附近接觸應(yīng)力急劇增大(見圖6、7)。但在實(shí)際情況中，應(yīng)力集中現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在棱角附近極小的區(qū)域，會使得棱角產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，從而減緩應(yīng)力集中，并不會對密封面產(chǎn)生破壞；因此在下面的分析中均忽略了節(jié)點(diǎn)1附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于墊片外側(cè)受螺栓載荷的影響相對較強(qiáng)，同時容器內(nèi)壓對八角墊產(chǎn)生一個向外的推力，理論上這會使得墊片外側(cè)應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)；但考慮到螺栓預(yù)緊力的不均勻性會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不規(guī)則形變，從而進(jìn)一步影響到墊片，使其發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這樣從平均水平來看，應(yīng)力大小的實(shí)際情況是面1大于面2、面4大于面3。

經(jīng)圖6數(shù)據(jù)計算面1、2的平均接觸應(yīng)力分別為392.76、318.90 MPa，面3、4分別為327.53、379.02 MPa；由數(shù)據(jù)可知，八角墊的扭轉(zhuǎn)趨勢為上側(cè)向內(nèi)，下側(cè)向外，具體方向如圖4中T所示。

不計應(yīng)力集中，考慮每個面節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力的波動，4個面的波動幅度分別為273.16、351.62、420.49、274.46 MPa，這反映了面1、4的相對彎曲變形較小，因而接觸應(yīng)力較大，宏觀上看貼合更為緊密，從這點(diǎn)來看面1、4所起的密封作用相對較大。另外，預(yù)緊結(jié)束時，在4個密封面上共計有67.08%的區(qū)域進(jìn)入了屈服狀態(tài)，這些區(qū)域均處于密封面兩側(cè)，這對于緊密密封意義很大。

5　結(jié)論

(1) 接觸應(yīng)力在預(yù)緊結(jié)束后達(dá)到峰值，然后在試驗(yàn)壓力達(dá)到峰值的時刻降至低谷，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此時的密封狀態(tài)。加壓后受到結(jié)構(gòu)外張變形的影響，墊片內(nèi)側(cè)兩面應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在遠(yuǎn)離墊片中心一側(cè)，外側(cè)情況則與之相反。

(2) 在八角墊內(nèi)外表面邊緣處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得模擬所得接觸應(yīng)力虛高，但在實(shí)際情況中棱角將會鈍化，從而保證密封面不會受損。

(3) 螺栓載荷并不均勻致使八角墊發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從上半部分來看，扭轉(zhuǎn)方向由外向內(nèi)，扭轉(zhuǎn)使得外側(cè)下密封面與內(nèi)側(cè)上密封面接觸應(yīng)力值較大。

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(編輯王亞新)

Finite Element Analysis of Sealing Performance of Non-Standard Octagonal Gasket on Hydrotreating Reactor

Chen Song1, Liu Jinchun2, Yang Yufeng2, Jing Pengfei2, Xie Yujun1

(1.GraduateSchool,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China;2.LiaoningCompany,ChinaHuanqiuContracting&EngineeringCo.,ShenyangLiaoning110167,China)

Aiming at non-standard octagonal gasket used in hydrotreating reactor. Ansys was used to calculate the contact stress on the sealing surface during the hydrostatic pressure test, and the causes of the different contact stress on each sealing surface were analyzed. The results showed that the contact stress down to the trough when the test pressure was the highest, the maximum stress on the inner side of gasket was away from the center of gasket, and the outer situation was in contrast to it. Variation of gasket sealing surface contact stress provides a reference to the analysis and evaluation of other non-standard seal structure.

Non-standard; Octagonal gasket; Finite element analysis; Contact stress

1006-396X(2016)01-0072-04

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2015-08-28

2015-10-21

遼寧省自然基金資助(LS2010100)。

陳松(1991-)，男，碩士研究生，從事化工過程機(jī)械研究；E-mail:cs1194039411@163.com。

謝禹鈞(1960-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事化工過程機(jī)械、安全工程、工程力學(xué)等領(lǐng)域研究；E-mail:yjxie@lnpu.edu.cn。

TE951

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.01.014