鋼制安全殼用大直徑法蘭及密封的設計

舒正誼　周新蓉　吳晨暉　蔡孟雷

摘 要：換料大直徑法蘭的結構形式和密封形式是急需探討的問題。為確保安全殼內發生嚴重事故時內壓要求，應按照ASME相關要求對安全殼法蘭和密封墊片進行設計，并進行有限元校核。

關鍵詞：大直徑法蘭；密封；金屬石墨復合墊片

中圖分類號：TH49；TB42 文獻標識碼：A

Abstract： The structural and sealed type for the large-diameter flange is a problem which needs to be solved urgently， to insuring the containment vessel can bear the inner pressure when it encounters severity accident， the designing of flange and gasket according to ASME and checking through finite element method is needed.

Keywords：large-diameter flange；seal；metal graphite composite gasket

0.概述

鋼制安全殼頂部封頭處設置了一個反應堆換料的通道，為了確保內部核設備發生嚴重事故時能承受內壓要求，圍欄與大直徑法蘭對焊焊接，法蘭與法蘭蓋之間加金屬石墨復合密封墊片采用雙頭螺柱連接緊固。

1.安全殼法蘭與墊片的設計輸入

1.1安全殼法蘭與墊片的結構形式

安全殼法蘭和密封墊片按照《ASME BPVC-Ⅲ 第1冊附錄》強制性附錄Ⅺ進行設計計算。安全殼法蘭和密封墊片結構形式如圖1所示。

1.2設計參數

2.法蘭強度計算

2.1基本幾何參數

2.2主要材料性能

2.3法蘭尺寸及符號說明

按照《ASME BPVC-Ⅲ 第1冊附錄》強制性附錄Ⅺ法蘭部分要求進行法蘭強度計算和剛度校核。符號說明來自于《ASME BPVC-Ⅲ 第1冊附錄》強制性附錄Ⅺ。

2.4墊片設計

墊片選取金屬石墨復合墊片。墊片系數m=3，最小設計密封應力y=69MPa，墊片寬度為50mm，b0=25mm，b=12.5mm，G=D外-2b=4200-2×12.5=4175mm。

2.5螺栓設計

螺栓數量及規格根據《ASME BPVC-Ⅲ 第1冊附錄》強制性附錄Ⅺ要求，取螺栓規格M56，螺栓數量n=60，根據螺栓最大間距來確定。

2.6法蘭應力校核

4.ANSYS應力校核

4.1建立有限元模型

利用ANSYS17.0，依據圖1的法蘭尺寸建立有限元模型。由于法蘭接頭是對稱結構，為減少計算工作量，取其1/4建立有限元模型進行分析。

4.2單元類型選擇

安全殼頂蓋及法蘭設計中涉及的材料有兩種：SA-738 B級鋼和金屬石墨復合墊片。在有限元模擬中，采用solid185單元模擬安全殼頂蓋、螺栓及法蘭材料，采用INTER195單元模擬墊片材料。

模型中需設置螺母與安全殼頂蓋及法蘭的接觸、安全殼頂蓋與墊片的接觸、法蘭與墊片的接觸，均采用面-面接觸單元TARGE170、CONTA174來描述，接觸面的摩擦系數取為0.2。螺栓預緊情況的模擬采用PRETS179單元實現。

4.3材料特性定義

安全殼頂蓋及法蘭螺栓材料假設為線彈性，其材料屬性見表4。

墊片的材料為非線性材料，其閉合曲線依據文獻[2]中的擬合曲線模擬。

4.4邊界條件設置及載荷施加

在對稱面上施加面對稱約束。在法蘭底面施加剛性約束。法蘭接頭有預緊和施加內壓兩種工況，先給螺栓施加預緊力，均分到每個螺栓上。然后鎖定預緊力，施加0.9MPa的內壓，內壓施加在安全殼頂蓋底面以及法蘭的內側面上。

4.5計算結果

對計算結果的評定依據ASME規范中的分析法設計，一次應力的限制為1.5S=277.2 MPa，二次應力的限制為3S=554.4 MPa。

圖2是施加內壓后法蘭的位移變形圖，最大位移發生頂蓋法蘭內圈上，大約為1.8mm，由內向外呈逐漸減小的趨勢。法蘭外圈也有約0.3mm的位移，這是由于預緊力的作用使得上下法蘭有靠攏的趨勢。

從圖4中可看出，最大應力發生在螺栓桿上，在預緊工況時，螺栓就已承受拉應力，在施加內壓后內側的螺栓桿上承受的彎曲應力增大，最大應力為283MPa，滿足ASME規范中二次應力限制要求。

圖5是操作工況下的墊片的法向應力分布圖，應力中的負號代表壓應力，最大應力為15.9MPa，該應力發生在墊片外圈處，越往內側，應力越小，墊片寬度范圍內大部分區域符合標準規定的最小壓緊力要求。

結論

通過有限元分析對ASME規范中理論計算進行驗證，法蘭強度和剛度滿足要求，可見ASME規范中理論計算是可靠的，也是偏安全的。

大直徑法蘭墊片的密封性需通過有限元校核，得出壓緊力數值和實際有效寬度，以便于后期密封的冗余設計和加強。

參考文獻

[1] ASME B&PVC規范， 第III卷， 第1冊[S].強制性附錄XI，2015.

[2]顧伯勤，時黎霞，陸曉峰.不銹鋼柔性石墨纏繞墊片的高溫性能研究[J].石油機械，2000，28（2）：13-16.endprint