田有良 劉慶榮 陳立軍 董 坤 張?jiān)鲕?/p>

（山東豪邁機(jī)械制造有限公司，濰坊 261500）

1 研究背景

T-Bolt活節(jié)螺栓O型圈密封快開(kāi)封頭常用于油氣行業(yè)壓力容器。為了減輕質(zhì)量且便于快速開(kāi)啟，它通常采用開(kāi)槽的支耳加活節(jié)螺栓的結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)的螺栓和螺母不需要完全拆卸，且O型圈形式為自緊式密封，密封性能良好，能夠多次重復(fù)使用。但是，該結(jié)構(gòu)一般用于壓力較低和直徑較小的場(chǎng)合。

失效模式有很多，如強(qiáng)度失效、剛度失效、泄漏失效等[2]。在壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，很多設(shè)計(jì)者往往只關(guān)注強(qiáng)度，卻忽視了剛度和密封問(wèn)題[3]。實(shí)際上，在很多情況下，結(jié)構(gòu)的失效往往不是因?yàn)閺?qiáng)度不足而是因?yàn)閯偠炔蛔闼?，且發(fā)生事故不是因強(qiáng)度破壞而是因泄漏所致[4]。壓力容器事故的主要原因是結(jié)構(gòu)的失效。GB 150—2011壓力容器規(guī)范提出以失效模式為基礎(chǔ)的壓力容器的設(shè)計(jì)理念，旨在引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員正確評(píng)估壓力容器在各個(gè)工況下的失效模式，以便針對(duì)不同的失效模式采取針對(duì)性的預(yù)防措施[5]。

GB 150.3—2011提出的法蘭剛度校核規(guī)定[6]，對(duì)于預(yù)防壓力容器的密封失效，不僅僅要保證強(qiáng)度，更重要的是要滿足剛度的需求。對(duì)于T-Bolt O型圈封頭結(jié)構(gòu)，由于封頭、螺栓支耳、法蘭、螺栓、筒體和O型圈是個(gè)復(fù)雜的變形系統(tǒng)[7]，任何一個(gè)零件的過(guò)度變形都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的變形產(chǎn)生影響，由此引起密封結(jié)合面的間隙變化。當(dāng)間隙超過(guò)一定的極限，O型圈在壓力的作用下被擠出損壞，導(dǎo)致發(fā)生泄漏[8]。

某項(xiàng)目一臺(tái)分離器，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME Ⅷ-1—2019，設(shè)計(jì)壓強(qiáng)達(dá)到8.9 MPa，水壓試驗(yàn)壓強(qiáng)為11.6 MPa， 采用T-Bolt活節(jié)螺栓O型圈密封的快開(kāi)封頭結(jié)構(gòu)，在未達(dá)到水壓試驗(yàn)壓強(qiáng)時(shí)即發(fā)生泄漏，遂對(duì)其展開(kāi)調(diào)查分析。

2 快開(kāi)封頭基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)

快開(kāi)封頭的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)分別如圖1和表1所示。

表1 快開(kāi)封頭基本參數(shù)

3 泄漏失效現(xiàn)象概述

對(duì)裝置進(jìn)行水壓試驗(yàn)的過(guò)程中，當(dāng)裝置壓強(qiáng)升至 3.6 MPa時(shí)，即會(huì)發(fā)生大量泄漏，且O型圈會(huì)從密封結(jié)合面處擠出。拆卸后，發(fā)現(xiàn)O型圈發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，如圖2所示。水壓試驗(yàn)期間，螺栓連接處發(fā)生異常金屬敲擊的聲響。初步判斷為螺栓的扭矩不足導(dǎo)致泄漏，于是增大螺栓扭矩后重新打壓，但再次發(fā)生泄漏。

4 原因分析

發(fā)生泄漏后，將封頭拆下，采用關(guān)節(jié)臂檢查密封面的平面度，檢查密封表面的粗糙度，以及密封槽的尺寸是否符合要求。封頭密封槽為焊后加工，經(jīng)測(cè)量，槽的尺寸及表面粗糙度均滿足設(shè)計(jì)要求。與封頭結(jié)合的短接在密封面加工后又與筒體進(jìn)行了焊接，經(jīng)測(cè)量其結(jié)合面的平面度為1.5 mm，粗糙度基本滿足要求。

對(duì)螺栓支耳與封頭焊縫位置進(jìn)行表面PT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分支耳在焊趾處存在疑似裂紋或者未融合的情況。查看結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析報(bào)告，各元件的最大應(yīng)力均在許用的應(yīng)力極限之內(nèi)，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。初步分析裂紋可能是未進(jìn)行焊接預(yù)熱及熱處理所致。于是，將支耳焊縫刨開(kāi)，重新進(jìn)行了焊接，再次焊接時(shí)保持預(yù)熱溫度不低于95 ℃，并將密封槽進(jìn)行了焊接填補(bǔ)。焊接完成后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，之后對(duì)密封槽重新進(jìn)行機(jī)械加工。重新加工時(shí)，筒體密封面采用鏜銑床重新加工，以保證其平面度。加工完成后重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中安裝測(cè)量位移的儀表，并通過(guò)視頻監(jiān)控觀察快開(kāi)封頭在升壓期間的變形和位移，以及結(jié)合面的變化和泄漏情況。

再次進(jìn)行水壓試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)試驗(yàn)壓強(qiáng)升至 5 MPa時(shí)，再次發(fā)生明顯泄漏。通過(guò)監(jiān)控視頻發(fā)現(xiàn)，升壓后密封結(jié)合面分離，拉開(kāi)間隙約2 mm，如圖3所示。泄壓后，結(jié)合面重新閉合，間隙消失。拆卸后，發(fā)現(xiàn)O型圈再次被擠出變形。由此判斷，泄漏原因可能是結(jié)構(gòu)的整體剛度不足，特別是支耳的剛度不足，從而在壓力的作用下產(chǎn)生過(guò)量的變形，導(dǎo)致O型圈結(jié)合面間隙超過(guò)分離極限。加之O型圈硬度較低，在壓力的作用下，O型圈膠料被擠壓變形，最終從密封結(jié)合面處擠出。

水壓期間的異常聲響初步判定為螺栓支耳在載荷作用下產(chǎn)生過(guò)度彎曲變形引起螺栓向外滑移摩擦所致，于是通過(guò)ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重構(gòu)并進(jìn)行了仿真分析，以求得在試驗(yàn)壓力下結(jié)構(gòu)的變形情況。

5 改善方案

5.1 結(jié)構(gòu)更改

原結(jié)構(gòu)支耳采用的是非整體結(jié)構(gòu)，螺栓支耳剛度嚴(yán)重不足，現(xiàn)擬改為整體法蘭環(huán)結(jié)構(gòu)，其中法蘭環(huán)與封頭采用全焊透結(jié)構(gòu)，封頭與法蘭間用拉筋加固，如圖4所示。

5.2 O型圈及密封槽更改

對(duì)于大直徑O型圈，原設(shè)計(jì)為18.3%的壓縮率偏小，不利于初始的密封，因此需適當(dāng)提高壓縮率，故將截面尺寸改為Φ8 mm，并將槽的尺寸進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，槽深改為5.7 mm，槽寬改為12.1 mm，此時(shí)O型圈的壓縮率為（8-5.7）/8=28.7%。另外，為了提高O型圈防擠出的能力，將其邵氏硬度調(diào)高為A90±5。

5.3 仿真分析

5.3.1 條件設(shè)置

結(jié)構(gòu)更改完成后，利用ANSYS Workbench進(jìn)行了仿真分析。仿真分析過(guò)程中，先采用六面體網(wǎng)格，1/12模型，將零件模型劃分為如圖5所示的網(wǎng)格模型，然后設(shè)置對(duì)稱邊界條件，并約束環(huán)向位移和筒體軸向位移，再將接觸面設(shè)為摩擦接觸，施加螺栓預(yù)緊力和壓力載荷，采用彈性應(yīng)力分析，分析設(shè)置條件分別如圖6～圖8所示。

5.3.2 分析結(jié)果

封頭和軸耳的當(dāng)量總應(yīng)力分布分別如圖9和圖10所示。求得當(dāng)量總應(yīng)力后，選取路徑，將封頭應(yīng)力線性化，如圖11所示。此時(shí)求得最大一次總體薄膜應(yīng)力Pm為92.75 MPa，最大一次局部薄膜應(yīng)力PL為138 MPa，最大薄膜加彎曲應(yīng)力PL+Pb=93.57 MPa。在不考慮峰值應(yīng)力的情況下，均小于許用總體薄膜應(yīng)力S（138 MPa）和許用局部薄膜應(yīng)力SPL（207 MPa）。

封頭的位移變形情況，如圖12所示。結(jié)合面槽邊裂開(kāi)間隙缺口最大為0.092 mm，如圖13所示。根據(jù)相關(guān)密封設(shè)計(jì)手冊(cè)，在試驗(yàn)壓力下，當(dāng)O型圈的邵氏硬度為A90時(shí)，最大允許擠出間隙約為 0.15 mm。分析結(jié)果表明，改善后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

6 實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)改善后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)，當(dāng)壓強(qiáng)上升至11.6 MPa時(shí)，試驗(yàn)無(wú)泄漏，且試驗(yàn)期間無(wú)可見(jiàn)變形，裝置未出現(xiàn)異常聲響，拆卸后觀察O型圈無(wú)任何損傷。另外，試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)焊縫進(jìn)行了表面PT檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)調(diào)查分析導(dǎo)致T-Bolt螺栓快開(kāi)封頭泄漏的原因，認(rèn)為泄漏主要是結(jié)構(gòu)剛度不足，從而產(chǎn)生過(guò)量變形，導(dǎo)致密封結(jié)合面被拉開(kāi)，O型圈壓縮密封應(yīng)力喪失，最終在壓力作用下，O型圈被擠出破壞所致。因此在設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)時(shí)，要確保其具有足夠的剛度，以使結(jié)合面的間隙不會(huì)超過(guò)允許的極限，必要時(shí)可采用分析的手段確定結(jié)構(gòu)尺寸。

對(duì)于高壓T-Bolt O型圈密封結(jié)構(gòu)，由于承受的載荷較大，應(yīng)對(duì)剛度提出較高的要求，因此不宜采用分散的螺栓支耳的形式，而應(yīng)采用整體法蘭的結(jié)構(gòu)。因?yàn)镺型圈的硬度是比較重要的性能指標(biāo)，硬度越大，其在壓力作用下越不容易被擠出，所以當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)，為了避免擠出，應(yīng)采用更高的硬度。但是，因?yàn)橛捕仍酱笤讲蝗菀装惭b，所以需要根據(jù)實(shí)際情況選擇硬度合適的O型圈。另外，O型圈的截面尺寸也是影響密封的重要因素，其內(nèi)徑越大，截面尺寸也應(yīng)該越大。較大的截面尺寸可以獲得更大的壓縮量，而壓縮量對(duì)于O形圈密封來(lái)說(shuō)是個(gè)關(guān)鍵因素。壓縮量不足，則不能獲得足夠的密封應(yīng)力，容易導(dǎo)致泄漏。