雙錐密封結構設計

蒲 弦

中國成達工程有限公司 成都 610041

密封結構的設計是壓力容器結構設計的重要部分。通常的密封形式有強制密封，半自緊密封和自緊密封三種形式。

在低、中壓壓力容器中通常采用強制密封結構，如法蘭連接結構，其特點是依靠上緊螺柱產生墊片預緊力，從而達到初始密封，當壓力升高時，墊片能產生足夠的回彈力而達到操作工況下的密封能力。在高壓容器的密封結構中，通常采用半自緊式密封，如雙錐密封，透鏡墊密封等，其原理類似于強制密封，在預緊時，通過螺柱的預緊達到墊片的預緊載荷形成初始密封，當操作工況下的壓力上升時，由于螺柱呈拉伸趨勢，從而使墊片產生的軸向回彈力有減小趨勢，徑向方向由于壓力作用，產生向外擴展趨勢并緊密貼合于密封面達到更好的密封；自緊式密封，通常用于超高壓設備中，如楔形墊密封結構，隨著壓力的升高，密封面上的壓緊力隨之增大，密封更為可靠。

圖1 雙錐密封結構

高壓設備的密封結構設計中采用的雙錐密封結構形式，是典型的半自緊式密封系統。雙錐密封系統主要由筒體端部、雙錐環墊、非金屬軟墊或金屬軟墊、壓緊蓋、主螺柱、螺母組成，見圖1。

按新修訂的GB 150-2011標準，雙錐密封可適用的溫度范圍0～400℃,壓力為6.4MPa～35MPa,直徑為400mm～3200mm。相比GB150-98版，直徑范圍上限由2000mm變為3200mm，并對影響密封性能的徑向間隙g值的調整為(0.1%～0.075%)D1。對于0℃以下的操作工況可以參照標準進行設計。常規設計時，雙錐密封系統的設計主要分為雙錐密封結構尺寸的設計和主螺柱的設計。其中密封結構尺寸包括雙錐環尺寸，端部及壓蓋結構尺寸的設計；主螺柱設計包含螺柱強度設計和滿足液壓上緊裝置的設計。隨著設備的大型化，簡單的理論公式已不能完全滿足設計的需要，因此對于大型化的設備結構，如大型的雙錐密封結構等，通常采用有限元應力分析設計來保證其可靠性。

以國內某項目合成氨裝置中的DN2400氨合成塔為例，闡述采用有限元應力分析方法進行雙錐環密封系統的設計過程，為后續按有限元方應力分析方法和采用MSC.Patran & Nastran軟件進行雙錐密封結構設計以及非線性接觸問題分析提供參考。

本設備為采用我公司專有技術的氨合成塔外殼，設計參數見表1。

表1 設計參數

1 結構尺寸參數的確定

(1)密封結構尺寸的設計可按GB150標準中相應計算公式計算并圓整取值見上圖1，即雙錐環尺寸A=120mm,B=50mm,C=85mm,錐角按標準角度30°。根據標準，本設備密封結構尺寸也可以直接按標準選取尺寸參數。

(2)雙錐環與平蓋圓柱面之間的徑向間隙g的選取:g值按標準取值范圍為(0.1%～0.075%)D1,計算后圓整取值為g=2mm。

(3)設備主螺柱的確定包括下述幾個方面：規格、數量、中心圓直徑。其中規格及數量根據強度計算確定，按預緊工況和操作工況分別計算出預緊載荷和操作載荷，并取其中較大載荷計算出需要的螺柱數量和規格大小，本設備經初步計算需要44個M105X4的主螺柱：

預緊工況載荷按公式計算：

(1)

本文所有公式中符號含義按GB 150。

操作工況載荷按公式計算:

Wp=F+Fp+Fc

(2)

上述預緊工況的螺柱載荷需要同時符合下述要求，使螺柱產生足夠的壓緊力達到初始密封要求，并應有足夠的壓緊力能消除雙錐環內圓柱面與平蓋柱面之間的徑向間隙g。消除徑向間隙所需載荷可按Hook定律以及下述公式計算:

所需徑向壓縮力:

(3)

從而使雙錐環向外膨脹消除徑向間隙的螺柱載荷為：

(4)

通常情況下按式(1)中預緊工況下的計算所得的預緊力較大，故標準中直接采用此公式作為預緊力的載荷計算。

在壓力容器中超過M48的螺栓或螺柱一般需要采用液壓拉伸器，并按合適液壓上緊程序進行預緊和緊固。因此主螺柱的中心圓直徑的確定還應配合所選用的液壓拉伸器所需的最小上緊空間的結構尺寸。該參數可按HG/T 21573.1-95標準選用合適的液壓拉伸器型號以及與之相匹配的相鄰螺柱中心最小間距參數。

(4)平蓋以及筒體端部的結構尺寸按理論公式計算出相應的厚度，端部結構尺寸確定時應考慮設備主螺柱旋入的螺紋孔。平蓋的初步厚度計算公式：

在計算厚度基礎上根據雙錐密封面結構參數和厚度附加量確定取用的名義厚度。

2 分析模型的建立

根據確定的密封尺寸和設備結構的對稱性，分別取平蓋、雙錐環、部分筒體及端部、主螺柱、螺母建立1/44三維實體模型。模型中筒體的長度按圣維南原理，取超過邊緣應力衰減范圍的長度即可。其中的軟墊片近似認為與雙錐環為一體，對分析的結構影響可以忽略。建立雙錐密封系統的有限元模型見圖2。

圖2 雙錐密封系統的有限元局部接觸模型

本模型采用MSC.Patran建立，分析坐標系采用柱坐標系；并采用MSC.Nastran提供的Hex8實體單元將幾何模型離散化為有限元模型。本雙錐密封系統模型為典型的非線性接觸分析模型，因此在各個接觸體相互接觸面的網格劃分應做特殊的細化處理，否則在模型的解算過程中不易得到收斂的結果。模型的單元細化見圖3。

圖3 模型的力邊界，位移邊界條件

3 模型邊界條件的建立

有限元模型的邊界條件分為位移邊界條件、力邊界條件、溫度載荷邊界條件幾個部分。

3.1 位移邊界

本模型位移邊界條件按結構的軸對稱性，以及柱坐標系統的特性，約束模型軸向位移為0，且水平面內的偏轉角度為0，即筒體下部端面固定，同時在水平截面內無偏轉；限定兩個徑向截面的偏轉角度為0，即在徑向的垂直截面在垂直方向無偏轉。

3.2 力邊界

按設備的操作及設計條件和模型的結構特點，力邊界條件分為以下幾個部分：內壓力均布載荷、螺柱預緊的集中載荷、接觸對邊界條件。內壓力載荷施加于內壓作用面內，螺柱預緊載荷采用MSC.Patran軟件提供的螺栓預緊載荷程序BoltPreload以及多點約束MPC進行施加，以達到計算的精確性；接觸邊界條件的定義分為兩個部分，即先定義各個接觸體為變形體，再采用MSC.Patran軟件提供的“接觸對”設定表進行“接觸對”的定義。

上述載荷在施加時應注意矢量的方向性，以免產生錯誤的結果。采用“接觸對”設定表進行定義時，最好先對各個接觸體進行編號。由于本模型各接觸體均為彈性接觸體,同時應輸入各接觸體之間的摩擦系數。

3.3 溫度載荷邊界

本模型未考慮溫度的交變及熱應力分析，故無溫度邊界條件。

上述邊界條件的施加見圖3。

4 材料特性

通常靜力學分析中，所需材料的主要特性有彈性模量以及泊松比。分別賦予材料在設計溫度下的彈性模量E和泊松比μ。

5 工況定義

本設備的分析工況為：預緊工況、設計工況、操作工況、耐壓試驗工況。在工況定義中對各個工況下的位移邊界條件和力邊界條件進行組合形成各個計算工況。

6 分析求解

由于有限元模型為非線性的接觸模型，在MSC.Patran中應進行相應的Nastran解算器的設置，本解算器選用隱式非線性求解器SOL600。接觸問題是一個動態的過程，但按靜力學來分析處理，屬于模態分析。由此在解算器的設置中尤其應注意相關參數的合理取值，比如小變形理論、合理的時間步長、迭代形式、接觸容限、收斂準則等參數。通常按MSC程序的自適應時間步長設置，能夠獲得收斂的計算結果。但是如果其他相關參數設置的不合理將導致自適應時間步長較小，從而迭代的次數增加，使計算的時間大為增加。因此非線性問題的求解中參數的選取非常重要。

7 分析結果處理

通用的有限元軟件一般都有前后處理器，比如在前處理器中進行幾何模型的建立，有限元單元的劃分，邊界條件的施加，材料屬性的賦予以及載荷工況的組合；而后處理器則是專門用于處理分析的結果，如計算出來的節點位移、節點力、單元應力的提取和顯示、等值線的繪制、應力云圖的顯示、位移變形圖的顯示等。圖4為部分工況的計算后的應力云圖以及變形圖(時間步為Time=1.0)。可以直觀地顯示模型各個部位的應力分布狀態以及變形情況，也能顯示出結構的危險部位。

應分析結果中最重要的部分為應力線性化處理和應力評定。通過MSC.Patran軟件中二次開發的ASME線性化處理程序，按線性化處理路徑Curve線，依照JB 4732標準的Tresca準則提取出各個危險截面的應力值。

圖4部分工況的計算后的應力云圖以及變形圖

8 應力評定

在線性化處理的結果中，得到各截面的一次總體薄膜應力Pm或局部薄膜應力PL，一次彎曲應力Pb，二次應力Q，峰值應力F。應力評定準則按JB 4732的規定進行，本設備由于無疲勞操作工況，因此僅進行靜強度的應力評定，即限定SⅠ≤1.0KSm,SⅡ≤1.5KSm,SⅢ≤1.5KSm,SⅣ≤3.0Sm。

通過各工況的有限元接觸分析，所選取的危險截面的應力值按JB 4732應力評定準則，符合設計要求。

9 結語

該設備應力分析的結果表明，雙錐密封系統中當內壓達到設計壓力時，雙錐環接觸面產生局部屈服，但絕大部分區域仍處于彈性變形范圍內，因此局部的屈服引起的塑性變形對雙錐環的回彈能力影響不大。盡管如此設計時仍應控制雙錐環本身的應力水平，使其保持在彈性變形的范圍內，并具有整體回彈能力，以保證其密封性能。雙錐環密封的徑向間隙以及自緊系數對其密封性能有較大影響，選取時應予重視。本設備在裝置中運行穩定，同時也驗證了此雙錐密封系統的密封性能是符合設計要求的。

參 考 文 獻

1 GB 150-2011，壓力容器 [S].北京，中國國家標準化管理委員會，2011.

2 JB 4732-95 ，鋼制壓力容器-分析設計標準 [S].北京，中國國家標準化管理委員會，1995.

3 張 永等.大型氨合成塔雙錐密封過程的數值模擬 [J].中氮肥，2006，(5):9-11.