謝德虎

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

隨著石油化工的高速發(fā)展,壓力容器的壓力和溫度越來(lái)越高,規(guī)格尺寸大型化,導(dǎo)致壓力容器的法蘭和人孔密封越來(lái)越困難,按實(shí)際使用效果的經(jīng)驗(yàn),大部分高壓設(shè)備都采用焊接密封隔膜墊來(lái)密封法蘭和人孔,保證了密封的可靠性。

在國(guó)內(nèi),GB/T 150.3—2011《壓力容器》和JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))中引入了WATERS法力學(xué)模型,該力學(xué)模型的計(jì)算方法可以計(jì)算墊片預(yù)緊載荷和法蘭強(qiáng)度,但對(duì)焊接密封隔膜墊的墊片系數(shù)m和比壓力y取值沒(méi)有作出規(guī)定和說(shuō)明。HG/T 20582—2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中對(duì)焊接環(huán)形墊片密封的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了介紹,參照國(guó)際EN 13445—3:2014規(guī)范,規(guī)定了墊片系數(shù)m=0和比壓力y=0取值,考慮了適當(dāng)?shù)穆菟A(yù)緊力(10%的操作狀態(tài)下螺栓力),總體螺栓載荷按操作狀態(tài)下的螺栓力的1.1倍考慮。目前,通常按HG/T 20582—2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中的焊接環(huán)形墊片的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算焊接密封隔膜墊,并考慮設(shè)計(jì)裕量。

在國(guó)外,KBR、CASALE專(zhuān)利商對(duì)焊接密封隔膜墊的計(jì)算m和y取值和規(guī)格尺寸進(jìn)行了規(guī)定,與標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20582—2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中焊接環(huán)形墊片的設(shè)計(jì)計(jì)算存在差異。

筆者認(rèn)為,焊接環(huán)形墊片密封焊接結(jié)構(gòu)與焊接密封隔膜墊結(jié)構(gòu)是不同的,焊接環(huán)形墊環(huán)形頂部是自由、可以伸縮狀態(tài)(見(jiàn)圖1),隔膜墊邊緣頂部被法蘭限位槽頂住(見(jiàn)圖2),為不能向外伸、只能往里縮的狀態(tài)。

圖1 典型焊接環(huán)墊結(jié)構(gòu)

圖2 隔膜墊結(jié)構(gòu)

將焊接密封隔膜墊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算按標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20582—2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中焊接環(huán)形墊片設(shè)計(jì)計(jì)算不一定準(zhǔn)確?，F(xiàn)版SW6-2011V5.0針對(duì)焊接密封隔膜墊引入了殘余預(yù)緊載荷概念,并增加了隔膜墊殘余預(yù)緊載荷占比常溫下許用載荷的幾種取值選擇,后面筆者就從隔膜墊的結(jié)構(gòu)和具體的算例,采用不同取值方法進(jìn)行試算和對(duì)比,提出按SW6-2011V5.0中的某種取值會(huì)設(shè)計(jì)出更貼近實(shí)際應(yīng)用、可靠性強(qiáng)的隔膜墊,為隔膜墊的設(shè)計(jì)計(jì)算提供借鑒。

1 隔膜墊結(jié)構(gòu)介紹

如圖2所示,隔膜墊的主體功能就是其彈性補(bǔ)償作用。密封面有一定寬度,端部周?chē)枰芊夂附?密封面以外的中心局域都比密封面處要薄很多(或者中心局域?yàn)楣靶?。

隔膜墊承受的載荷包括:① 安裝時(shí),隔膜墊外邊緣與法蘭限位槽只有1 mm間隙,密封焊后的冷卻收縮力;② 操作時(shí),內(nèi)部升溫后隔膜墊拉力;③ 內(nèi)壓作用下隔膜墊平板拉力,隔膜墊拱形壓縮力;④ 內(nèi)壓作用下法蘭槽給隔膜墊邊緣的徑向壓縮力。

2 隔膜墊計(jì)算方法

目前,可參考的國(guó)內(nèi)外對(duì)隔膜墊的計(jì)算方法有以下幾種。

(1)在標(biāo)準(zhǔn)BS 5500《非直接火焊接壓力容器規(guī)范》中,隔膜墊按環(huán)形焊接密封墊考慮,即墊片系數(shù)m=0,比壓力y=0。

(2)在AD 2000規(guī)范《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中,隔膜墊按板式無(wú)墊片法蘭及帶O形圈空腔無(wú)墊片法蘭的墊片參數(shù)k0(y相當(dāng))、k1(m相當(dāng))均取0考慮。

(3) 在HG/T 20582—2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)中,引用EN 13445—3:2014標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定,即螺栓載荷僅考慮1.1倍內(nèi)壓引起的軸向力(及加大預(yù)緊力使操作狀態(tài)下密封焊接不至受拉伸),而不再考慮墊片參數(shù)(即墊片m、y取0)。

(4)在KBR專(zhuān)利商文件“Diaphragm cover”[MC3-DPH-M]規(guī)定中,隔膜墊按金屬墊考慮計(jì)算,即m=6.5,y=179.3 MPa。

(5)在現(xiàn)版SW6-2011V5.0,高壓容器計(jì)算模塊“封頭與筒體端部的平蓋密封結(jié)構(gòu)”21中,可以選擇焊接密封結(jié)構(gòu)的隔膜墊計(jì)算,引入了操作狀態(tài)下殘余預(yù)緊載荷占螺栓許用載荷的比例選擇框(見(jiàn)圖3),隔膜墊內(nèi)外徑示意見(jiàn)圖4。

圖3 SW6隔膜墊計(jì)算框

圖4 隔膜墊內(nèi)外徑示意

因隔膜墊結(jié)構(gòu)與焊接環(huán)形墊不一樣,主要體現(xiàn)在焊接環(huán)形墊環(huán)形頂部是自由的可以伸縮狀態(tài)(見(jiàn)圖1),而隔膜墊邊緣頂部已與法蘭限位槽緊緊地頂住,處于不能向外伸、只能往里縮的狀態(tài)。因此,隔膜墊存在預(yù)緊載荷在密封面處,預(yù)緊載荷值較難準(zhǔn)確計(jì)算出,但如不考慮,也是不合適的。BS 5500《非直接火焊接壓力容器規(guī)范》、AD 2000《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)都按無(wú)預(yù)緊載荷(m,y取0)去計(jì)算,不考慮預(yù)緊螺栓載荷與實(shí)際不符,用操作時(shí)螺栓載荷的設(shè)計(jì)裕量保證密封,如果螺栓載荷的設(shè)計(jì)裕量不足,存在無(wú)法保證密封的風(fēng)險(xiǎn)。而HG/T 20582—2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)中,螺栓載荷僅考慮1.1倍內(nèi)壓引起的軸向力的計(jì)算,而得到操作螺栓載荷值偏小,也存在無(wú)法保證密封的風(fēng)險(xiǎn)。若完全參考專(zhuān)利商KBR的規(guī)定,將隔膜墊按金屬墊(m=6.5,y=179.3 MPa)計(jì)算,得到的操作螺栓載荷值很大,導(dǎo)致螺栓圓直徑增大、法蘭蓋厚度增加,不夠經(jīng)濟(jì)合理。

3 隔膜墊的螺栓載荷計(jì)算實(shí)例比較

表1是筒體端部和平蓋的隔膜墊實(shí)例,對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的墊片系數(shù)(m,y)取值與SW6-2011V5.0中預(yù)緊載荷占比許用載荷的幾種不同情況(0%、10%、20%、30%)螺栓載荷值進(jìn)行比較。規(guī)格數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 隔膜墊計(jì)算實(shí)例參數(shù)

4 計(jì)算比較后的結(jié)論說(shuō)明

從表2中可以識(shí)別出:①當(dāng)殘余預(yù)緊載荷占比螺栓常溫下許用載荷為10%時(shí),操作狀態(tài)下需要的螺栓載荷值達(dá)到保守值(按金屬墊計(jì)算)75%左右,筆者認(rèn)為是較合理的,設(shè)計(jì)計(jì)算推薦可以采用;②當(dāng)殘余預(yù)緊載荷占比螺栓常溫下許用載荷為20%時(shí),操作狀態(tài)下需要的螺栓載荷值達(dá)到保守值(按金屬墊計(jì)算)90%左右,筆者認(rèn)為此時(shí)螺栓載荷不僅是合理的,且還有足夠裕量,推薦采用;③當(dāng)殘余預(yù)緊載荷占比螺栓常溫下許用載荷為30%時(shí),操作狀態(tài)下需要的螺栓載荷值比保守值(按金屬墊計(jì)算)更高,會(huì)使法蘭增大,法蘭蓋厚度增加,筆者認(rèn)為計(jì)算結(jié)果保守,不夠經(jīng)濟(jì)合理。按金屬墊計(jì)算的方法,計(jì)算結(jié)果同樣保守,只有當(dāng)項(xiàng)目是采用KBR專(zhuān)利商技術(shù)時(shí),為滿(mǎn)足專(zhuān)利商要求,隔膜墊的計(jì)算才按照這種方法計(jì)算,其他一般不推薦使用;④當(dāng)殘余預(yù)緊載荷占比螺栓常溫下許用載荷為0%時(shí),相當(dāng)于按HG/T 20582—2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn),螺栓載荷僅考慮1.1倍內(nèi)壓引起的軸向力的計(jì)算操作狀態(tài)下需要的螺栓載荷值,這與國(guó)外BS 5500《非直接火焊接壓力容器規(guī)范》、AD 2000規(guī)范《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)都按無(wú)預(yù)緊載荷(m,y取0)計(jì)算的操作狀態(tài)下需要的螺栓載荷值(4 329 418 N)相近,筆者認(rèn)為都有點(diǎn)冒進(jìn),預(yù)緊載荷為0或預(yù)緊螺栓載荷考慮偏小,操作螺栓載荷裕量不足時(shí),存在密封不可靠的風(fēng)險(xiǎn),不推薦使用該兩種方法計(jì)算設(shè)計(jì)。

表2 隔膜墊不同計(jì)算方法的結(jié)果對(duì)比

5 隔膜墊設(shè)計(jì)的其他規(guī)定

5.1 隔膜墊寬度

墊片寬度越寬,越不易壓緊。墊片寬度窄了,強(qiáng)度不夠,因此寬度要有一定的要求。國(guó)外專(zhuān)利商KBR隔膜墊片寬度要求與設(shè)計(jì)壓力和墊片直徑有關(guān)。KBR隔膜墊片最小寬度推薦值見(jiàn)表3。

筆者建議隔膜墊片寬度可參考表3要求,但不小于20 mm,可以向上圓整,分檔取值(20,22,25,28),如需減少墊片寬度,可參考KBR按直徑比例縮小,且相對(duì)固定一組寬度數(shù)值。

5.2 隔膜墊厚度

隔膜墊厚度一般分外環(huán)厚度和內(nèi)環(huán)厚度,KBR對(duì)內(nèi)、環(huán)都有最小厚度要求,外環(huán)最小厚度不小于10 mm,內(nèi)環(huán)最小厚度不小于6 mm。內(nèi)環(huán)一般為拱形,其厚度薄有利于隔膜墊的變形協(xié)調(diào),從應(yīng)力受力變形協(xié)調(diào)角度看,內(nèi)環(huán)是外環(huán)厚度的1/4時(shí),受力協(xié)調(diào)最好。隔膜墊內(nèi)環(huán)厚度還應(yīng)要求全真空的強(qiáng)度校核。因此,推薦在無(wú)特殊要求的前提下,外環(huán)厚度在15～20 mm,隔膜墊內(nèi)環(huán)厚度在滿(mǎn)足內(nèi)環(huán)全真空校核情況下盡可能取小值,但不小于6 mm。

5.3 隔膜墊密封焊腳高度

隔膜墊密封焊縫需應(yīng)力校核強(qiáng)度,校核工況包括設(shè)計(jì)工況、水試工況。焊接時(shí),預(yù)緊暫按緊固一半螺栓考慮,當(dāng)焊縫應(yīng)力水平較低時(shí),可適當(dāng)考慮減少焊接時(shí)預(yù)緊螺栓數(shù)量,方便易焊接,但要注意在焊接時(shí),預(yù)緊螺栓少會(huì)增加全部螺栓上緊后焊縫應(yīng)力。隔膜墊密封焊縫焊腳高度取強(qiáng)度計(jì)算厚度和6 mm的較大值,焊接時(shí)應(yīng)采用小電流短弧焊,盡量避免焊縫重復(fù)加熱,不采用多層焊。

5.4 組裝上緊

隔膜墊設(shè)計(jì)時(shí)考慮了部分預(yù)緊載荷,隔膜墊組裝時(shí)應(yīng)使用平蓋或輔助工裝工具安裝一半數(shù)量的螺栓先壓緊隔膜墊,螺栓采用專(zhuān)有上緊工具(如液壓拉伸器)按對(duì)稱(chēng)上緊程序均勻上緊,然后進(jìn)行小電流短弧焊密封焊接,待冷卻后將剩余一半螺栓安裝后,按對(duì)稱(chēng)均勻上緊程序進(jìn)行整體上緊,確保焊接密封的質(zhì)量。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程實(shí)際中遇到的隔膜墊沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算方法的情況,作者通過(guò)運(yùn)用實(shí)際工程算例對(duì)比國(guó)內(nèi)外和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相近的焊接密封墊螺栓載荷計(jì)算方法,并同現(xiàn)版SW6-2011V5.0軟件中引入的殘余預(yù)緊載荷占螺栓常溫下許用載荷4種不同比例的計(jì)算方法進(jìn)行了結(jié)果對(duì)比,評(píng)估出了推薦的隔膜墊計(jì)算方法,同時(shí)對(duì)隔膜墊寬度、厚度、密封焊、組裝上緊等方面進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明和推薦要求,全面地介紹和分析了焊接密封隔膜墊的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法,供設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)焊接密封隔膜墊時(shí)借鑒參考。