硫化罐連接密封結構的可靠性分析①

武國義 廖延章 李長禧 廖東太

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.福建省三明雙輪化工機械有限公司)

硫化罐連接密封結構的可靠性分析①

武國義1廖延章2李長禧1廖東太1

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.福建省三明雙輪化工機械有限公司)

利用Ansys Workbench分析軟件對硫化罐連接處卡箍結構進行強度分析，同時對橡膠密封圈進行變形分析，確保硫化罐連接處強度和密封性能可靠。

硫化罐 卡箍 橡膠密封圈 接觸強度 變形

硫化罐是橡膠制品生產中的重要設備，橡膠在罐內一定溫度和壓力下硫化，因為工藝上需要頻繁的開啟和關閉，所以經過多年發展，其結構形式由螺栓上緊式逐漸演變為快開式。快開式結構只需通過旋轉端蓋與鎖緊件相對角度啟閉罐體，省時省力，易于通過液壓系統實現自動操作。針對快開的鎖緊結構又可分為兩件式連接和三件式連接，本文討論的設備選用三件式連接，通過旋轉活動齒圈開啟罐蓋，避免了旋轉罐蓋和密封圈直接摩擦，從而降低密封圈的磨損。密封結構則采用自緊式密封，通過設備內壓作用在密封圈上，使密封圈與上下法蘭緊密接觸從而達到阻止泄漏的效果。筆者通過Ansys Workbench軟件對卡箍連接結構進行了強度分析和疲勞分析，對橡膠密封圈進行了變形分析，從而保證設備結構的設計合理。

1 硫化罐連接密封結構

硫化罐設計壓力1.738MPa，循環載荷0.00～1.58MPa，循環次數29 200次，設計溫度200℃；筒體和封頭材料為Q345R，筒體法蘭和活動齒圈材料為16MnII鍛件；密封橡膠圈材料為邵氏硬度HA74的耐熱硅橡膠；介質為水蒸氣。

筒體平蓋、筒體法蘭與活動齒圈的連接(圖1)屬于非線性接觸，同時設備承受循環載荷需要疲勞分析，超出常規分析范疇，故采用有限元法，按JB 4732-1995對分析結果進行應力和疲勞評定。橡膠材料的應力-應變本構關系是非線性關系，工作狀態中的大變形以及與上下結構的接觸都會引起結構的非線性響應，故同樣采用有限元法來分析密封結構(圖2)的可靠性。

圖1 平蓋、法蘭和齒圈連接結構

圖2 橡膠墊片密封結構

2 連接結構的接觸強度分析

2.1 有限元分析模型

根據設備結構特點，選取1/12結構作為有限

元分析模型，Workbench默認實體單元類型選擇Solid186和Solid187，接觸對單元類型選擇為Conta174和Targe170。模型邊界條件載荷以及接觸區域分別如圖3、4所示。

圖3 邊界條件和載荷

圖4 接觸區域

2.2 結果分析

應力云圖如圖5所示，圖中顯示筒體平蓋與齒圈接觸部分的應力水平較高，其余部位應力水平低，為保證結構的合理性，應對高應力區進行線性化路徑處理和疲勞分析，分析接觸面表面壓力大小以及查看密封結構處的變形量。

圖5 應力云圖

2.2.1 應力強度評定

應力強度評定分析路徑如圖6所示，本結構筒體平蓋和齒圈接觸部位沒有受到徑向和轉角位移限制，故將此結構視為一次結構，應力評定結果見表1。本設備原有結構平蓋上加12片筋板增加強度，但經過分析計算，增加筋板對分析部位應力水平影響較小，不增加筋板結構滿足強度安全要求，故在設備設計中平蓋上未增加筋板。

圖6 應力分析路徑

應力分類強度校核評定結果局部薄膜應力強度SⅡ=92．8<1．5Smt=240MPa通過一次薄膜+一次彎曲應力強度SⅢ=218<1．5Smt=240MPa通過

2.2.2 疲勞強度評定

本設備承受0～1.738MPa的脈動載荷，設計疲勞曲線采用JB 4732-95中圖C-1極限抗拉強度不大于552MPa的曲線。疲勞分析結果顯示結構應力最大點許用循環次數為85 735次，大于設計循環次數29 200次，疲勞強度合格。

2.2.3 最大接觸壓力

經過分析，筒體平蓋與齒圈接觸部位接觸壓力最大，為419MPa，所選材料的許用接觸應力470MPa。實際接觸壓力小于材料許用接觸壓力，不會對材料表面造成破壞。

2.2.4 密封部位變形量

圖7中A線和B線是橡膠墊片接觸密封區域，平蓋和下法蘭的受力變形會造成密封區域的間隙增加，提取A線和B線的最大變形位移分別為0.61mm和0.18mm，故在下文中分析橡膠變形時將間隙由3mm改為4mm進行建模分析。

圖7 密封接觸部位A線和B線位置

3 橡膠密封圈變形分析

本設備所選密封圈結構特殊，通過計算密封橡膠的變形以及與上下法蘭的接觸進而優化密封槽結構。

3.1 橡膠材料的力學性能和本構關系

根據硫化罐工作環境溫度和密封圈抗硫化性能要求，密封圈選用硅橡膠材料，其力學性能如下：

邵氏硬度 HA74

伸長率 680%

拉伸強度 11.5MPa

耐壓縮形變 12%

摩擦系數 0.75

撕裂強度 45kN/m

使用溫度范圍 -100～300℃

本構模型選擇Mooney-Rivlin模型：

W(I1,I2)=C10(I1-3)+C01(I2-3)

其中，W(I1,I2)為應變能密度函數，C10、C01為材料常數，I1、I2分別為應變張量的第1、第2不變量。根據文獻[1]，邵氏硬度HA74的橡膠材料對應的C10和C01分別為1.099MPa和0.022MPa。

3.2 有限元分析模型

根據結構特性，視平蓋和下法蘭部位為剛性構件，建立二維軸對稱模型(圖8)，單元類型為Plane183，接觸單元和目標單元分別Conta172和Targe169。載荷狀況分預壓縮狀態和操作狀態，分兩步施加載荷，第1步在上構件施加沿Y軸負方向位移3mm，第2步在上構件施加沿Y軸正方向位移1mm，在橡膠件壓力側施加1.738MPa壓力。接觸區域如圖8所示，橡膠與凹槽及上平蓋接觸類型選擇為摩擦接觸。

圖8 接觸區域示意圖

3.3 分析結果

共進行了233次力收斂控制迭代計算，說明非線性問題的難收斂性。圖9顯示是預緊狀態下橡膠密封圈的變形結果，圖10為操作狀態下橡膠密封圈的變形結果。

圖9 預緊狀態下密封圈變形示意圖

圖10 操作狀態下密封圈變形示意圖

3.3.1 密封失效準則

根據密封理論，實現可靠密封的充要條件是密封圈與凹槽、封蓋連接界面上的接觸應力不小于被密封壓力，模擬得出橡膠圈與平蓋接觸壓力最大值為1.97MPa，橡膠圈與凹槽接觸壓力最大值為3.26MPa，均大于工作壓力(1.58MPa)，滿足判定條件，密封結構可靠。

3.3.2 密封結構凹槽和間隙的優化設計

考慮到過小的上、下法蘭間隙不利于硫化罐蓋體的組裝，應盡可能增大法蘭密封間隙。但密封間隙太大會導致密封圈擠出凹槽，故綜合考慮在結構設計時上、下法蘭間隙選擇3mm，由上文計算得知上、下法蘭密封面有0.79mm的變形量，故在橡膠圈密封結構分析模型中取間隙為4mm。

考慮到凹槽邊沿直角的剪切作用會影響橡膠密封圈的壽命，故對凹槽邊沿進行倒角處理，倒角半徑為2.5mm，模擬凹槽倒角處理后橡膠密封圈最大剪切應力值為2.71MPa，小于橡膠材料的抗剪切強度4.60MPa[2]，故不會對橡膠密封圈造成剪切破壞。

4 結束語

利用有限元方法對硫化罐連接結構強度進行分析，使結構設計更安全、合理、經濟；對密封結構的分析，使研究人員對橡膠密封圈在凹槽中的變形有更直觀的認識，有利于解決泄漏問題。本設備設計方案已交付用戶使用，效果良好。

[1] 胡殿印，王榮橋，任全彬，等．橡膠O形圈密封結構的有限元分析[J].北京航空航天大學學報，2005，31(2):255～260.

[2] 吳廣平，宋筆鋒，崔衛民．O形圈剪切破壞的可靠性分析[J].機械設計與制造，2009，(8):125～127.

AnalysisofSealingStructureReliabilityforVulcanizingTankConnection

WU Guo-yi1, LIAO Yan-zhang1, LI Chang-xi1, LIAO Dong-tai1

(1.TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.; 2.FujianSanmingDouble-WheelChemicalMachineryCo.,Ltd.)

Making use of Ansys Workbench to analyze the clamp strength at vulcanizing tank connection was implemented, including deformation analysis of the rubber seal ring to ensure reliable connection strength and sealing performance.

vulcanizing tank, clamp, rubber sealing ring, contact strength, deformation

武國義(1983-)，工程師，從事壓力容器設計工作，thkjwgy@126.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)01-0093-04

2016-01-28，

2016-12-26)