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    双锥密封结构设计.pdf

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    双锥密封结构设计.pdf

    26 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,232 双锥密封结构设计 蒲弦 中国成达工程有限公司成都610041 摘要 用MSC.Patran&Nastran有限元分析软件建立三维分析模型对某氨合成塔的双锥密封系统进行应力 分析,阐述此类非线性接触分析的过程。 关键词 双锥环密封有限元接触分析 密封结构的设计是压力容器结构设计的重要 部分。通常的密封形式有强制密封,半自紧密封 和自紧密封三种形式。 在低、中压压力容器中通常采用强制密封结 构,如法兰连接结构,其特点是依靠上紧螺柱产 生垫片预紧力,从而达到初始密封,当压力升高 时,垫片能产生足够的回弹力而达到操作工况下 的密封能力。在高压容器的密封结构中,通常采 用半自紧式密封,如双锥密封,透镜垫密封等, 其原理类似于强制密封,在预紧时,通过螺柱的 预紧达到垫片的预紧载荷形成初始密封,当操作 工况下的压力上升时,由于螺柱呈拉伸趋势,从 而使垫片产生的轴向回弹力有减小趋势,径向方 向由于压力作用,产生向外扩展趋势并紧密贴合 于密封面达到更好的密封;自紧式密封,通常用 于超高压设备中,如楔形垫密封结构,随着压力 的升高,密封面上的压紧力随之增大,密封更为 可靠。 图1双锥密封结构 高压设备的密封结构设计中采用的双锥密封 结构形式,是典型的半自紧式密封系统。双锥密 封系统主要由简体端部、双锥环垫、非金属软垫 或金属软垫、压紧盖、主螺柱、螺母组成,见 图1。 按新修订的GB 1502011标准,双锥密封可 适用的温度范围0400℃,压力为6.4MPa一 35MPa,直径为400mm~3200mm。才目比GB150 98版,直径范围上限由2000mm变为3200mm,并 对影响密封性能的径向间隙g值的调整为0.1% ~0.075%D1。对于OqC以下的操作工况可以参 照标准进行设计。常规设计时,双锥密封系统的 设计主要分为双锥密封结构尺寸的设计和主螺柱 的设计。其中密封结构尺寸包括双锥环尺寸,端 部及压盖结构尺寸的设计;主螺柱设计包含螺柱 强度设计和满足液压上紧装置的设计。随着设备 的大型化,简单的理论公式已不能完全满足设计 的需要,因此对于大型化的设备结构,如大型的 双锥密封结构等,通常采用有限元应力分析设计 来保证其可靠性。 以国内某项目合成氨装置中的DN2400氨合成 塔为例,阐述采用有限元应力分析方法进行双锥 环密封系统的设计过程,为后续按有限元方应力 分析方法和采用MSC.PatranNastran软件进行双 锥密封结构设计以及非线性接触问题分析提供 参考。 本设备为采用我公司专有技术的氨合成塔外 壳,设计参数见表1。 蒲弦高级工程师。2002年毕业于沈阳化工学院化工机械专业。从事压力容器的常规设计和分析工作。联系电话 028 65530081.Emailpuxianchengda.corn。 蒲弦双锥密封结构设计 27 表1设计参数 名称 参数 名称 参数 设计压力 16.2MPa 操作压力 15MPa 设计温度 280℃ 操作温度 260CM_AX.外壳 平盖材料 14Crl MoIV 双锥环材料 15CrMoIV 端部材料 14CrlNo1V 软垫片材料 柔性石墨 1 结构尺寸参数的确定 1密封结构尺寸的设计可按GBI50标准中 相应计算公式计算并圆整取值见上图1,即双锥环 尺寸A120mm,B50mm,C85mm,锥角按标 准角度3O。。根据标准,本设备密封结构尺寸也可 以直接按标准选取尺寸参数。 2双锥环与平盖圆柱面之间的径向间隙g 的选取g值按标准取值范围为0.1%一 0.075%Dl,计算后圆整取值为g2mm。 3设备主螺柱的确定包括下述几个方面 规格、数量、中心圆直径。其中规格及数量根据 强度计算确定,按预紧工况和操作工况分别计算 出预紧载荷和操作载荷,并取其中较大载荷计算 出需要的螺柱数量和规格大小,本设备经初步计 算需要44个M105X4的主螺柱 预紧工况载荷按公式计算 1.57。 a-c, 本文所有公式中符号含义按GB 150。 操作工况载荷按公式计算 F 2 上述预紧工况的螺柱载荷需要同时符合下述 要求,使螺柱产生足够的压紧力达到初始密封要 求,并应有足够的压紧力能消除双锥环内圆柱面 与平盖柱面之间的径向间隙g。消除径向间隙所需 载荷可按Hook定律以及下述公式计算 所需径向压缩力 2rES 2D-GG 3 从而使双锥环向外膨胀消除径向间隙的螺柱 载荷为 ,’ ’,trES an p 4 通常情况下按式1中预紧工况下的计算所 得的预紧力较大,故标准中直接采用此公式作为 预紧力的载荷计算。 在压力容器中超过M48的螺栓或螺柱一般需 要采用液压拉伸器,并按合适液压上紧程序进行 预紧和紧固。因此主螺柱的中心圆直径的确定还 应配合所选用的液压拉伸器所需的最小上紧空间 的结构尺寸。该参数可按HG/T 21573.195标准 选用合适的液压拉伸器型号以及与之相匹配的相 邻螺柱中心最小间距参数。 4平盖以及简体端部的结构尺寸按理论公 式计算出相应的厚度,端部结构尺寸确定时应考 虑设备主螺柱旋人的螺纹孔。平盖的初步厚度计 算公式 ■ 一 √了 在计算厚度基础上根据双锥密封面结构参数 和厚度附加量确定取用的名义厚度。 2分析模型的建立 根据确定的密封尺寸和设备结构的对称性, 分别取平盖、双锥环、部分筒体及端部、主螺柱、 螺母建立1/44三维实体模型。模型中筒体的长度 按圣维南原理,取超过边缘应力衰减范围的长度 即可。其中的软垫片近似认为与双锥环为一体, 对分析的结构影响可以忽略。建立双锥密封系统 的有限元模型见图2。 图2双锥密封系统的有限元局部接触模型 本模型采用MSC.Patran建立,分析坐标系采 用柱坐标系;并采用MSC.Nastran提供的Hex8实 体单元将几何模型离散化为有限元模型。本双锥 密封系统模型为典型的非线性接触分析模型,因 此在各个接触体相互接触面的网格划分应做特殊 的细化处理,否则在模型的解算过程中不易得到 收敛的结果。模型的单元细化见图3。 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,232 图3模型的力边界。位移边界条件 3模型边界条件的建立 有限元模型的边界条件分为位移边界条件、 力边界条件、温度载荷边界条件几个部分。 3.1位移边界 本模型位移边界条件按结构的轴对称性,以 及柱坐标系统的特性,约束模型轴向位移为0,且 水平面内的偏转角度为0,即筒体下部端面固定, 同时在水平截面内无偏转;限定两个径向截面的 偏转角度为0,即在径向的垂直截面在垂直方向无 偏转。 3.2力边界 按设备的操作及设计条件和模型的结构特点, 力边界条件分为以下几个部分内压力均布载荷、 螺柱预紧的集中载荷、接触对边界条件。内压力 载荷施加于内压作用面内,螺柱预紧载荷采用 MSC.Patran软件提供的螺栓预紧载荷程序BohPre load以及多点约束MPC进行施加,以达到计算的 精确性;接触边界条件的定义分为两个部分,即 先定义各个接触体为变形体,再采用MSC.Patran 软件提供的“接触对”设定表进行“接触对”的 定义。 上述载荷在施加时应注意矢量的方向性,以 免产生错误的结果。采用“接触对”设定表进行 定义时,最好先对各个接触体进行编号。由于本 模型各接触体均为弹性接触体,同时应输入各接 触体之间的摩擦系数。 3.3温度载荷边界 本模型未考虑温度的交变及热应力分析,故 无温度边界条件。 上述边界条件的施加见图3。 4材料特性 通常静力学分析中,所需材料的主要特性有 弹性模量以及泊松比。分别赋予材料在设计温度 下的弹性模量E和泊松比 。 5 工况定义 本设备的分析工况为预紧工况、设计工况、 操作工况、耐压试验工况。在工况定义中对各个 工况下的位移边界条件和力边界条件进行组合形 成各个计算工况。 6分析求解 由于有限元模型为非线性的接触模型,在 MSC.Patran中应进行相应的Nastran解算器的设置, 本解算器选用隐式非线性求解器SOL600。接触问题 是一个动态的过程,但按静力学来分析处理,属于 模态分析。由此在解算器的设置中尤其应注意相关 参数的合理取值,比如小变形理论、合理的时间步 长、迭代形式、接触容限、收敛准则等参数。通常 按MSC程序的自适应时间步长设置,能够获得收敛 的计算结果。但是如果其他相关参数设置的不合理 将导致自适应时间步长较小,从而迭代的次数增加, 使计算的时间大为增加。因此非线性问题的求解中 参数的选取非常重要。 7分析结果处理 通用的有限元软件一般都有前后处理器,比 如在前处理器中进行几何模型的建立,有限元单 元的划分,边界条件的施加,材料属性的赋予以 及载荷工况的组合;而后处理器则是专门用于处 理分析的结果,如计算出来的节点位移、节点力、 单元应力的提取和显示、等值线的绘制、应力云 图的显示、位移变形图的显示等。图4为部分工况 的计算后的应力云图以及变形图时间步为Time 1.0。可以直观地显示模型各个部位的应力分 布状态以及变形情况,也能显示出结构的危险 部位。 应分析结果中最重要的部分为应力线性化处理

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