硫化罐封頭法蘭剛度的有限元分析

趙常銘 金志浩 湯方麗 代立鵬

摘 要：根據ASME標準，法蘭剛度變化可由法蘭轉角反映。對某硫化罐進行分析，利用ANSYS有限元軟件進行有限元計算，對封頭法蘭端面定義路徑并由路徑上點位移換算成路徑轉角。通過改變尺寸參數，最終得到封頭法蘭端面不同位置剛度變化規律并指出硫化罐端蓋部分易發生泄漏位置。

關 鍵 詞：硫化罐;齒嚙式快開結構;法蘭剛度;有限元

中圖分類號：TQ 050.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1309-03

Finite Element Analysis of the Stiffness of Vulcanizing Boiler Head Flange

ZHAO Chang-ming， JIN Zhi-hao，TANG Fang-li，DAI Li-peng

（Shenyang University of Chemical Technology， Liaoning Shenyang 110142， China ）

Abstract： According to the ASME standard， the change of stiffness of flange can be reflected by the flange deflection angle. In this paper， the finite element computation of a vulcanizing boiler was carried out by using the finite element software ANSYS， the path on the end of head flange was defined， and point displacement on the path was converted into a path deflection angle. By changing the size parameter， change rule of rigidity of the end of head flange in different position was obtained， and the easy leakage location was pointed out.

Key words： Vulcanizing boiler; Tooth-locked quick closure institution; Tlange rigidity; Tinite element

硫化罐廣泛應用于橡膠制品的硫化，是橡膠工業的重要生產設備，由于大多橡膠制品的硫化過程均為間歇式操作，故硫化罐端蓋一般采用齒嚙式快開結構。齒嚙式快開結構是在外力作用下，將蓋門旋轉一定角度，達到快開功能的一種裝置。由于該結構形狀特殊、受力復雜，目前為止我國尚未出臺通用的齒嚙式快開裝置設計標準，通常是根據經驗設計，然后進行應力分析和強度校核[1]。這樣的結果較保守，造成了材料浪費，為此，國內外研究人員對該結構的應力分布情況進行了大量研究[2-4].隨著ANSYS軟件的廣泛應用，工程設計人員通過優化設計方法能夠得到結構尺寸更加合理且滿足強度要求的齒嚙式快開壓力容器。但是，設計人員在設計過程中通常只認識到強度失效的重要性，而齒嚙式快開結構法蘭剛度是否失效往往被忽視，因此可能存在由于剛度失效而引起泄漏失效的危險。

本文以某硫化罐為例，利用ANSYS軟件的APDL語言進行參數化建模，通過改變封頭、筒體法蘭的法蘭環高度，依次進行有限元分析，以得出硫化罐封頭法蘭端面的剛度變化規律。

1 硫化罐端蓋快開結構

硫化罐主要由端蓋、罐體、驅動裝置、安全聯鎖機構等部件組成。本文將重點研究硫化罐端蓋快開結構，硫化罐的端蓋主要由封頭法蘭、罐體法蘭組成。本文研究對象硫化罐基本設計參數為：公稱直徑DN=2 000 mm，設計壓力P=1.0 MPa，封頭、罐體法蘭材料為16MnⅡ，筒體及封頭材料Q345R.其結構簡圖見圖1。

圖1 硫化罐端蓋結構簡圖

Fig.1 The size diagram of the vulcanizing boiler end closure

2 有限元模型

本文采用APDL語言參數化建模，實現了模型的自動生成與網格自動劃分并施加約束條件。

2.1 有限元模型建立

由于模型較大，為了節省計算資源，將模型處理為廣義軸對稱問題。取相鄰兩對嚙合齒的各1/2以及一個完整齒間建模。當離開不連續處的距離（即圓筒的長度）超過 （R為圓筒半徑，δ為圓筒壁厚）時，邊緣應力的影響可以忽略不計，因此筒體長度應大于 [5]。具體建模方法如下：

首先利用*set命令定義參數并對其賦值，其次由下到上按照點、線、面順序繪制圖形，vrotat命令將面旋轉成體。最后利用Booleans操作得到實體模型，見圖2。

圖2 硫化罐端蓋部分有限元模型

Fig.2 The entity model of the vulcanizing boiler end closure

2.2 網格劃分及接觸對建立

本文選用實體單元SOLID95并對其進行網格劃分，Esize5命令控制網格精度，其中封頭部分采用自由劃分方式，其他部分采用映射網格劃分方式。在封頭法蘭齒與罐體法蘭齒嚙合處創建接觸對，模擬兩接觸面間相互作用、變形協調的過程。本文研究對象屬于面-面接觸類型，將罐體法蘭齒下表面定義為目標面，封頭法蘭齒上表面為接觸面。為了防止發生兩個接觸面過多的相互嵌入，同時使計算容易收斂，設定法向剛度系數FKN=2.1。

2.3 施加載荷及邊界條件

封頭、筒體及上下法蘭環內表面受到均布內壓作用，蓋頂法蘭下端面密封槽以內區域受均布內壓作用。同時根據廣義軸對稱特點，兩齒中面周向位移為零。球冠封頭頂端徑向位移為零。為防止整體軸向位移，筒體下表面軸向位移為零，見圖3。

圖3 位移邊界示意圖

Fig.3 Displacement periphery sketch map

3 法蘭剛度

3.1 剛度失效

壓力容器的失效形式大致可分為強度失效、剛度失效、失穩失效和泄漏失效四大類[6]。在壓力容器的設計過程中，僅僅考慮強度是否失效是不安全

的，還要避免其剛度失效而引起密封失效。由于法蘭剛度不足而產生過大的變形是大多數法蘭連接密封失效的主要原因之一。針對齒嚙式快開結構端蓋，主要體現為嚙合齒或法蘭環由于剛度不足而產生彎曲變形，造成嚙合齒的脫滑，也可能由于法蘭的過度變形引起泄露或密封力不足。

3.2 法蘭剛度校核

新的GB150中給出了法蘭剛度校核公式，即使系數J≤1[7]. 由GB150中給出的公式可以看出，壓力容器標準主要是從法蘭受力角度來校核法蘭剛度。但在ASME標準中對法蘭剛度校核方法與GB150中對法蘭剛度校核稍有不同，ASME標準中，給出了通過控制法蘭轉角來校核法蘭剛度。文獻[8]中對此進行研究，將法蘭大小端厚度轉換為上下厚度相等的圓柱殼來簡化計算，根據薄殼理論，計算在力矩下產生的轉角。即ASME要求， 錐頸在法蘭設計力矩作用下， 整體法蘭由邊界力矩引起的法蘭端面轉角應控制在0.3°以下。因螺栓連接法蘭與快開結構法蘭密封機理相似，故對于快開結構法蘭的剛度分析，亦采用通過法蘭端面旋轉角度來反應法蘭剛度的變化。

4 封頭法蘭有限元剛度分析

4.1 有限元剛度分析方法

對封頭法蘭進行剛度分析，只需得到封頭法蘭端面轉角即可。具體方法如下：

首先，一次有限元計算結束后，利用ANSYS軟件后處理功能在封頭法蘭端面定義7條路徑，見圖4。分別提取每條路徑上點在X軸Y軸方向位移變化，根據加載后的坐標計算出路徑轉角。

圖4 路徑示意圖

Fig.4 Schematic diagram of path

其次，修改命令流中的封頭、罐體法蘭的法蘭環高度參數，即圖1中L1、L2尺寸，重復計算路徑角度。通過路徑的轉角，即可分析出封頭法蘭端面剛度變化情況。

4.2 有限元剛度分析結果

按照表1修改尺寸參數，進行7組有限元計算，得出封頭法蘭不同位置路徑轉角，見圖5。

表1 尺寸參數

Table 1 The dimension parameters

圖5 不同法蘭環尺寸路徑轉角

Fig.5 The path deflection angle of different flange ring sizes

對7組不同法蘭環尺寸情況下的封頭法蘭轉角進一步分析，可得到最大轉角與最小轉角之差的變化規律，見圖6。

5 結 論

通過以上分析，可得出如下結論：

（1）封頭法蘭端面剛度變化并不一致，其中嚙合齒中心位置所對的密封面變形角度最大，故可認為當硫化罐工作時，嚙合齒處為易發生泄漏位置。

（2）不同法蘭環厚度的快開結構法蘭，其自身不同位置的剛度差異亦不相同，故對于法蘭環較厚且直徑較大的快開結構法蘭，應注意考慮使用回彈能力較強的墊片，以防止泄漏。

圖6 路徑最大與最小轉角差

Fig.6 The path of maximum and minimum deflection angle

參考文獻：

[1]王海英.對硫化罐設備設計的幾點體會[J].化工設備設計，1996，33（3）：15-18.

[2]鄭津洋，蘇文獻，徐平，等.基于整體有限元應力分析的齒嚙式快開壓力容器設計[J].壓力容器，2003，20（7）：20-24.

[3]金偉姬，陳冰冰，方德明，等.硫化罐卡箍結構的分析計算[J].壓力容器，2002，19（2）：18-20.

[4] 劉黎.齒嚙式蒸壓釜法蘭中的應力分析[J].壓力容器，1989，6（1）：48-50.

[5]黃進.帶橢圓形封頭的整體轉圈齒嚙式快開裝置強度及工程設計方法的研究[J].化工裝備技術，2000，19（4）：18-27.

[6]鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計[M].北京：化學工業出版社，2010：108-110.

[7]中國國家標準化管理委員會，GB150.1-150.4-2011，壓力容器[S].中國標準出版社，2011：197.

[8]桑如苞.美國ASME法蘭設計剛度計算方法分析[J].石油化工設計，2009，26（1）：1-5.