新型鞍形密封圈快開盲板結構設計和分析

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(北京化工大學 機電工程學院， 北京 100029)

設計計算

新型鞍形密封圈快開盲板結構設計和分析

陳平，王昫心，周淑敏，李琪琪

(北京化工大學 機電工程學院， 北京 100029)

介紹一種新型鎖緊環式天然氣過濾器快開盲板密封結構及密封原理，該結構采用具有特定浮動功能的新型鞍形密封圈，使得結構快開功能及密封性能得到更好保證。基于GB 150—2011《壓力容器》，推薦了快開盲板結構，包括門蓋、高頸法蘭、鎖緊環整體強度計算方法，采用有限元分析軟件進行了橡膠密封圈密封性能分析。結合實際工程案例進行了新型快開盲板的結構設計和分析，并完成了樣機試制。試驗測試和有限元分析結果均表明新型鞍形密封圈快開盲板結構合理可靠，具有良好的工程應用前景。

鞍形密封圈； 快開盲板； 結構設計； 有限元分析

符號說明

A1～A3——高頸法蘭縱向截面面積，mm2

C2——腐蝕裕量，mm

Dc1——高頸法蘭截面c-c外直徑，mm

Dc2——高頸法蘭截面c-c內直徑，mm

Dc3——高頸法蘭截面c-c中徑，mm

Dfb——高頸法蘭截面b-b直徑，mm

Dfi——高頸法蘭內直徑，mm

Dfn——高頸法蘭中徑，mm

Dfo——高頸法蘭端部外徑，mm

Dg——密封圈外徑，mm

Di——筒體內徑，mm

Dla——門蓋a-a截面直徑，mm

Dlb——門蓋b-b截面直徑，mm

Dln——接觸面平均直徑，mm

Dlo——門蓋外徑，mm

Ds1～Ds4——鎖緊環各直徑，mm

Hg——筒體端部法蘭軸向總長度，mm

hfb——筒體端部法蘭b-b截面高度，mm

L1、L2——筒體端部法蘭c-c截面力臂，mm

Ic——筒體端部法蘭總截面慣性矩，mm4

Jc——筒體端部法蘭總截面形心坐標，mm

K——接觸壓力傳遞系數

F——內壓引起的總軸向力，N

FD——內壓引起的軸向力，N

pc——工作壓力，MPa

δ——筒體壁厚，mm

δc——門蓋厚度，mm

δs——鎖緊環a-a截面高度，mm

δfa——高頸法蘭截面a-a厚度，mm

δfb——高頸法蘭截面b-b厚度，mm

δfc——高頸法蘭截面c-c厚度，mm

δlo——蓋邊緣厚度，mm

δlp——門蓋中心厚度，mm

δla——門蓋a-a截面厚度，mm

δlb——門蓋b-b截面厚度，mm

δn——筒體厚度，mm

σ——名義應力，MPa

σm——彎曲應力，MPa

σo——等效應力，MPa

σa——拉伸應力，MPa

τ——切應力，MPa

φ——焊接接頭系數

天然氣過濾器是天然氣長輸管線上的必要設備之一，為了方便清洗和更換內部濾芯，一般在過濾器的端部均安裝有快開式盲板。隨著國內“西氣東輸”等工程的大規模建設，天然氣過濾器快開盲板的需求量將越來越大，且朝著大直徑、高壓力方向發展。目前此類產品大部分由國外進口，但最近幾年國產化步伐正在加快。

目前，國內天然氣管網應用最多的是英國GD工程公司開發的直徑可收縮、形狀為錐形的鎖緊環式快開盲板[1]，法國PT型剖分環式快開盲板以及德國KEMLOCK型快開盲板也有少量應用[2]。國內開發制造天然氣快開盲板較早的有江蘇盛偉過濾器設備公司等單位[3，4]，其產品也成功應用于國內天然氣管線。但在各類進口和國產快開盲板實際使用后拆卸過程中，普遍存在鎖緊環被卡在鎖緊環槽中的現象，導致門蓋啟閉困難，無法實現要求的快開設計功能。研究表明，現有密封圈密封面間隙窄、工作環境較差(風沙和雨水腐蝕作用)、使用維護不到位等因素是上述問題發生的主要原因。隨著天然氣管線直徑和設計壓力的增大，盲板結構將更加龐大，其設計及制造難度也在增大，尤其是拆卸問題將面臨更大考驗。

2012年開始，北京化工大學和江蘇盛偉過濾器設備有限公司聯合參與了國內某大型石油天然氣公司進行的大型鎖緊環式快開盲板國產化的試制研發，筆者針對現有快開盲板主要結構存在的問題，在比較優化的基礎上，提出采用一種具有特殊浮動功能的鞍形密封圈替代目前應用最多的C形環等密封圈，旨在改善快開盲板結構的拆卸性能，提高密封可靠性等。

1 新型鎖緊環式快開盲板結構原理

1.1結構

新型鎖緊環式快開盲板主要包括高頸法蘭、門蓋、鎖緊環、鞍形橡膠密封圈、鎖緊機構、安全聯鎖機構和門鉸鏈等部件，見圖1。與傳統鎖緊環快開盲板相比，主要區別是采用鞍形橡膠圈替代了C形密封圈[5-11]。

傳統C形橡膠密封圈通常要求高頸法蘭和門蓋之間的密封面間隙為1～2 mm，間隙過大容易導致橡膠擠出，卸載后不易回復，造成鎖緊環處卸載后仍處于壓緊狀態，間歇太小也會增加鎖緊環開閉阻力。由于目前精加工完成的盲板部件后續還要與過濾器筒體對接焊，因此實際間隙大小受焊接變形影響，沿周向會出現大小不均現象，密封圈使用后間隙大的部位橡膠容易被擠出，間隙小的部位橡膠又會壓緊壓實。另外，使用過程中C形密封圈腔體內部一般會有粉塵堆積堵塞，最終造成C形環不易回彈，卸載后門蓋和高頸法蘭密封圈仍處于擠緊狀態。如果鎖緊環處還受風、砂、雨水侵蝕等因素作用，就會造成卸載時轉動鎖緊環所需的力過大，無法正常采用機構上設置的扳手將鎖緊環收縮移動到指定位置，導致開門困難。

圖1 新型快開盲板結構示圖

鞍形密封圈是一種完全自緊式密封圈，防橡膠擠出部分可以是內置鋼制彈簧圈或外嵌金屬環，其截面形狀見圖2。

圖2 內置彈簧圈橡膠密封圈

使用該密封圈后，密封面間距允許比C形圈間距增大1倍，即間隙達到3～4 mm。采用鞍形密封圈可以實現在介質內壓建立的初期，借助內壓作用將密封圈頂向門蓋，達到完全自緊密封，卸載過程中，無需多大反向力作用，密封圈即可回復原位，鎖緊環就能在無阻力下打開，可以有效避免現有鎖緊環使用后開門困難的問題。

1.2浮動密封原理

鞍形密封圈浮動密封原理見圖3。

圖3 鞍形密封圈密封原理

步驟A：進行初次裝配時，首先將鞍形密封圈安裝至密封槽內，密封圈外側翹腳緊貼密封槽的外側，當門蓋板關閉到位之后，密封圈上側翹腳部分貼在門蓋底面，鎖緊環旋至閉合狀態，升壓即可實現初始密封。

步驟B：在密封槽的底部沿周向方向均布有3～4個通氣孔，內壓加載初始，通過通氣孔密封圈的內腔也得到升壓。在壓力軸向力的作用下，在平衡了兩側面的摩擦力之后,鞍形密封圈整體向上移動，最終緊貼在門蓋底面，從而實現任意壓力狀態下的可靠密封。

步驟C和步驟D：內壓卸載后，一般鎖緊環可直接打開。為增加使用可靠性，可在高頸法蘭上設計一組下壓螺釘，使鎖緊環、門蓋和密封圈同時沿軸向向內移動1～2 mm。

步驟E和步驟F：此時鎖緊環已經與筒體端部法蘭分離，可以實現無阻力收緊鎖緊環，進而順利打開門蓋。

2 新型鎖緊環式快開盲板的結構強度計算[12-14]

2.1門蓋

門蓋的相關尺寸及危險截面見圖4，對3個危險截面進行應力計算。

圖4 門蓋基本尺寸及危險截面

門蓋厚度δc：

內壓引起的軸向力：

縱向截面彎曲應力：

a-a截面彎曲應力、切應力和等效應力分別按以下公式進行計算：

b-b截面彎曲應力、切應力和等效應力分別按以下公式進行計算：

2.2高頸法蘭

高頸法蘭相關尺寸及4個危險截面見圖5，對4個危險截面進行應力計算。圖5d中O1為A1截面形心，O2為A2截面形心，O3為A3截面形心，O為法蘭截面形心。

圖5 高頸法蘭尺寸模型

a-a截面的拉伸應力、彎曲應力和等效應力分別按照以下公式計算：

σoa=σma+σa

b-b截面的彎曲應力、切應力和等效應力分別按照以下公式計算：

c-c截面的彎曲應力、拉伸應力、切應力和等效應力分別按照以下公式計算：

縱向截面因子Zg、縱向截面模量M和縱向截面彎曲應力σm為：

2.3鎖緊環

鎖緊環相關尺寸見圖6。

圖6 鎖緊環尺寸模型

鎖緊環壓應力：

a-a截面的切應力、彎曲應力和等效應力分別按照以下公式進行計算：

3 工程應用設計案例

國內某擬建大型高參數天然氣長輸管網設計壓力12.6 MPa，工作壓力范圍 0～12.6 MPa，設計溫度-35～60 ℃，水壓試驗壓力 19 MPa，筒體內徑1 550 mm。因直徑大、壓力高，故選用新型快開盲板。盲板門蓋和法蘭材料為16MnDⅢ，鎖緊環材料為S22253，密封圈材料為丁晴橡膠，部分部件材料參數見表1。

表1 快開盲板部分部件材料參數

按文中規則進行設計計算，并采用JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準(2005年確認)》[15]進行有限元校核。

3.1規則設計

采用文中基于GB 150—2011得到的公式進行危險截面的應力計算，按滿足各部件所有強度要求計算得到的快開盲板基本尺寸見圖7。

圖7 快開盲板結構計算尺寸

3.2有限元分析

由于快開盲板整體結構及受力情況可近似為軸對稱，所以建立了一個簡化的1/36模型，網格劃分見圖8。

圖8 快開盲板有限元網格劃分

對于遠離高頸法蘭端部的筒體下端軸向位移進行約束，在錐形鎖緊環接觸處建立2個面接觸對，接觸處摩擦因數取0.2。腔體內部作用12.6 MPa的內壓力。

采用有限元分析軟件ABAQUS計算得到快開盲板的應力、應變及位移大小和分布狀態，其中應力強度等值線見圖9。為了校核強度，在危險截面處設置線性化路徑，見圖10。基于文獻[15]的應力分類進行強度校核，結果表明，所有路徑的強度均能滿足要求。

圖9 快開盲板應力強度等值線云圖

圖10 快開盲板應力強度線性化路徑

3.3鞍形橡膠密封圈密封性能仿真分析

鞍形密封圈材料丁腈橡膠為超彈性材料，其彈性變形最高可達1 000%，能很好地填充密封間隙，阻止密封介質通過。為防止橡膠在間隙處過度擠出，在密封圈拐角處內置彈簧鋼圈以增加局部剛度，彈簧鋼材料選06Cr19Ni10。

密封面的接觸壓力必須足夠大，以防止內部介質泄漏。目前一般使用的橡膠圈密封失效準則是最大接觸壓力理論，即如果密封面處的接觸壓力比密封介質壓力大，則可以保證密封，否則密封失效。橡膠材料一般承受拉應力和剪切應力能力較弱，而承受壓應力及其變形能力相對較好。在新型快開盲板結構中，鞍形密封圈主要承受的應力是壓縮應力。

利用ABAQUS軟件對鞍形密封圈的密封性能進行詳細的仿真分析，具體分析建模等參考文獻[10]，有限元模型簡化為對稱的1/240模型(圖11)，分析中采用目前較為常用的Mooney-Rivlin分析模型。仿真分析計算過程分3個加載步：①加載使組件B向右移動，擠壓鞍形密封圈側面翹腳，以模擬密封圈初始安裝于密封槽的過程。②加載使組件A向下移動，擠壓鞍形密封圈上方的翹腳，用來模擬門的關閉過程。③加壓到工作壓力12.6 MPa及水壓試驗壓力19 MPa。

圖11 鞍形密封圈有限元模型

鞍形密封圈接觸應力分布云圖見圖12。可以看出，鞍形密封圈最大接觸應力大于介質壓力，鞍形密封圈的密封可以得到良好保證。

圖12 鞍形密封圈應力計算云圖

3.4樣機試制和密封性能試驗

基于理論分析與設計，1臺內徑1 550 mm的鞍形密封圈快開盲板樣機由江蘇盛偉過濾器設備有限公司加工完成，并進行了工作壓力下的密封性能試驗和水壓試驗，試驗全過程進行了應力、應變測試。試驗測試結果驗證了鞍形密封圈的浮動性是有效的，門蓋裝拆容易，試壓過程沒有發生泄漏，鞍形密封圈密封性能良好。

設計壓力和水壓試驗壓力下快開盲板應力對比見表2，可見實測應力數據與有限元計算結果比較吻合，相對誤差在15%內，表明快開盲板使用新的鞍形密封圈是合理可行的。

表2 設計壓力和水壓試驗壓力下快開盲板應力對比

4 結語

介紹了一種新型鞍形密封圈鎖緊環式快開盲板結構，對快開盲板關鍵部件的強度計算，推薦采用基于GB 150建立的設計方法。經內徑1 550 mm、設計壓力12.6 MPa工程樣機的測試表明，新型鞍形密封圈具有有效的浮動特性，有利于鎖緊環式盲板門蓋的快速啟閉，有效防止使用后卡死現象發生，密封圈密封性能良好。采用ABQUAS軟件對密封圈密封性能進行了仿真分析，試驗驗證和有限元分析均表明采用新型鞍形密封圈的快開盲板結構合理可靠，在天然氣等工程中將有良好的應用前景。

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(張編)

StructuralDesignandAnalysisofQuickOpeningEndClosurewithImprovedSaddle-shapedSealingRing

CHENPing，WANGXu-xin，ZHOUShu-min，LIQi-qi

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China)

A kind of locking band type quick opening end closure is introduced，with improved saddle-shaped rubber sealing ring having the feature of floatability，in order to be well both in the feature of quick opening and the seal performance. Meanwhile，based on the existing Chinese national standards，the structural strength calculation method is recommended，the structure design and analysis are carried out with the actual engineering case，and the structural trial and performance test are completed. In addition，the numerical simulation was conducted by using the finite element analysis software to research the seal performance of the rubber sealing ring. In summary，this structure has a bright engineering application prospect.

saddle-shaped rubber sealing ring； quick opening end closure； structural design； finite element analysis

TQ050.3； TH49

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.004

1000-7466(2017)03-0014-07①

2016-12-06

陳 平(1963-)，男，浙江開化人，副教授，博士，從事高壓容器及其密封技術以及一般化工設備的研究與開發。