注劑式帶壓密封新型四等分夾具性能分析

雨飛

(吉林化工學(xué)院 吉林省吉林市 132022)

在國內(nèi)外石油化工等行業(yè)的運(yùn)行過程中，管道泄漏一直是一個無法避免的問題，目前我國解決管道泄漏應(yīng)用廣泛的技術(shù)是注劑式帶壓密封技術(shù)[1-2]。注劑式帶壓密封技術(shù)最早起源于美國，1920年美國人克萊·弗曼在紐波特的造船廠開發(fā)了在管道帶壓下泄漏密封的方法，并對其進(jìn)行了其他行業(yè)的擴(kuò)展[3-5]。我國帶壓密封技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，是利用帶壓補(bǔ)焊處理鋼鐵行業(yè)中的承壓設(shè)備泄漏[6]。但是，注劑式帶壓密封技術(shù)在我國化工行業(yè)中很長時間都是嚴(yán)禁使用的，直到20世紀(jì)80年代初該技術(shù)才得到開發(fā)與應(yīng)用[7]，并在國家“六五計劃”期間完成了對帶壓密封技術(shù)的模仿到技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展之路，隨后被列入了1986—1990年國家重點(diǎn)70個新技術(shù)推廣項(xiàng)目之一[8-9]。據(jù)報道，在我國該項(xiàng)技術(shù)已成功消除各類泄漏達(dá)50多萬起，挽回經(jīng)濟(jì)損失共達(dá)600多億元，社會和經(jīng)濟(jì)效益巨大[10-11]。2007年我國公布了世界上第一部國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20201-2007《帶壓密封技術(shù)規(guī)范》，其中夾具設(shè)計的新理論在國際上處于先進(jìn)水平[12]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，石油化工行業(yè)出現(xiàn)各種大管徑管道以及高壓力、高溫度的介質(zhì)運(yùn)輸，致使帶壓密封的夾具設(shè)計具有一定的難度。通用型夾具是二分體結(jié)構(gòu)，在大管徑、高壓力的工況下，制造出特大的二分體夾具非常困難，消耗的費(fèi)用也大大增加。因此，本文作者提出一種四分體夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，將夾具從二分體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆煮w結(jié)構(gòu)，在相同的工況下，既減小了夾具制造的難度和成本，又增加了夾具的承壓能力。同時，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，分析了通用型夾具和新型四等分夾具在不同壓力下的力學(xué)性能，研究結(jié)果對注劑式帶壓密封技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要的意義。

1 模型及材料參數(shù)

以突面對焊鋼制管法蘭泄漏作為研究對象，取中壓飽和蒸汽，其操作壓力分別為3.0、5.0、6.0 MPa。突面對焊鋼制管法蘭結(jié)構(gòu)如圖1所示。通用型夾具、新型四等分夾具及法蘭材料參數(shù)見表1。

圖1 鋼制管法蘭結(jié)構(gòu)尺寸

元件通用型夾具四等分夾具螺栓材料種類12Cr2Mo12Cr2Mo35CrMoA彈性模量E/GPa202202210泊松比0.30.30.285溫度t/℃200200200屈服強(qiáng)度σs/MPa280280735抗拉強(qiáng)度σb/MPa450450835許用應(yīng)力[σ]/MPa147147179

2 夾具模型及有限元分析

2.1 通用型夾具有限元模型

通用型帶壓密封夾具是二分體結(jié)構(gòu)，由2個半圓結(jié)構(gòu)組成，夾具兩端分別有2個吊耳并用螺栓連接[13]。當(dāng)夾具套在法蘭上時會受到一定的內(nèi)壓力，夾具受到的內(nèi)壓力可看成是均勻分布狀態(tài)。通用型夾具有限元模型如圖2所示。

圖2 通用型夾具有限元模型

2.2 通用型夾具有限元分析

將通用型夾具模型進(jìn)行ABAQUS有限元分析，并對其進(jìn)行賦予材料、設(shè)置參數(shù)、網(wǎng)格劃分、施加約束力等操作。設(shè)置參數(shù)如下：單元類型C3D8R,泊松比0.3，彈性模量202 GPa；對夾具內(nèi)壁分別施加均布壓力3.0、5.0、6.0 MPa，施加底端固支約束。分析得到的通用型夾具不同壓力作用下的周向拉應(yīng)力、螺栓拉應(yīng)力、夾具形變位移分別如圖3—5所示。

圖3 不同壓力作用下通用型夾具周向拉應(yīng)力

圖4 不同壓力作用下通用型夾具螺栓拉應(yīng)力

圖5 不同壓力作用下通用型夾具形變位移

2.3 新型四等分夾具設(shè)計及有限元模型

新型四等分夾具結(jié)構(gòu)是四分體結(jié)構(gòu)，由4個相同的1/4圓組成，每個1/4圓兩端有2個吊耳，將其組合在一起并用螺栓連接，構(gòu)成一個整體結(jié)構(gòu)[14]。

文中以泄漏管道外徑為105 mm，泄漏孔徑為3 mm為例進(jìn)行分析。由圖1所示結(jié)構(gòu)可知，法蘭副的連接間隙為2f加上墊片厚度，查GB/T 9115-2010知連接間隙b=7 mm。

夾具厚度計算公式為

(1)

式中：S為夾具壁厚，mm；D為泄漏法蘭的外徑，mm；p為夾具設(shè)計壓力，MPa；b為法蘭副連接間隙，mm；B為夾具寬度，mm；[σ]t為泄漏介質(zhì)溫度下夾具材料的許用應(yīng)力，MPa[7]。

由式(1)計算可得夾具厚度S=9.015 mm。結(jié)合實(shí)際工廠應(yīng)用，取夾具厚度S=14 mm；根據(jù)夾具設(shè)計要求，夾具寬度B=b+(12～25) mm，則可取夾具的寬度B=37 mm；密封空腔的寬度應(yīng)超過實(shí)際泄漏尺寸的20～40 mm，密封空腔的高度應(yīng)在6～15 mm之間[15]。文中以泄漏孔為3 mm為例，結(jié)合實(shí)際工廠應(yīng)用，可取密封空腔寬度為24 mm，高度為8 mm。

在泄漏發(fā)生時，根據(jù)管道泄漏介質(zhì)的不同，選取相應(yīng)的密封膠墊，并用強(qiáng)力黏合劑將其與內(nèi)壁凹槽黏合。將管道泄漏處周圍清理干凈，在泄漏點(diǎn)旁管道上用螺栓將密封夾具初步連接成型并微緊，慢慢向泄漏點(diǎn)移動，當(dāng)夾具完全蓋住泄漏點(diǎn)時，將螺栓全部夾緊，止住泄漏。新型四等分夾具有限元模型如圖6所示。

圖6 新型四等分夾具有限元模型

2.4 新型四等分夾具有限元分析

將新型四等分夾具進(jìn)行ABAQUS有限元分析，對其施加與通用型夾具相同的工況條件。分析得到的新型四等分夾具不同壓力作用下的周向拉應(yīng)力、螺栓拉應(yīng)力、夾具形變位移分別圖7—9所示。

圖7 不同壓力作用下新型四等分夾具周向拉應(yīng)力

圖8 不同壓力作用下新型四等分夾具螺栓拉應(yīng)力

圖9 不同壓力作用下新型四等分夾具形變位移

3 兩種夾具性能比較

從圖3可知：通用型夾具所受的拉應(yīng)力，兩端以中間為軸成中心對稱分布，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在兩端峰值處；周向拉應(yīng)力隨著壓力增大而增大，當(dāng)p=6.0 MPa時最大周向拉應(yīng)力值為87.50 MPa。從圖4可知：螺栓受到較大的拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中；隨著壓力的增大，應(yīng)力集中越明顯，當(dāng)p=6.0 MPa時最大拉應(yīng)力值達(dá)到166.52 MPa。從圖5可知：夾具的形變位移隨著壓力的增大而增大，而且兩端形變大于中間部分，最大位移值出現(xiàn)在兩端對稱峰值處，即p=6.0 MPa時，達(dá)到最大位移值4.678×10-2mm。

從圖7可以看出：新型四等分夾具所受周向拉應(yīng)力中間位置大于兩邊，最大拉應(yīng)力在夾具最中間峰值位置；當(dāng)p=6.0 MPa時，周向最大拉應(yīng)力為58.99 MPa。從圖8可知：螺栓受到拉應(yīng)力先緩慢增加又緩慢減小，隨后迅速增加到最大值并趨于平穩(wěn)狀態(tài)；隨著壓力的增大曲線的峰值也隨之變大，當(dāng)p=6.0 MPa時螺栓最大拉應(yīng)力值達(dá)到63.54 MPa。從圖9可以看出：新型夾具形變位移最大值在夾具中間，形變位移隨著壓力的增大而增大，當(dāng)p=6.0 MPa時，達(dá)到最大位移值4.381×10-2mm。不同壓力作用下夾具性能分析結(jié)果如表2所示。

表2 不同壓力下夾具力學(xué)性能對比

從表2可以清楚地看出：在相同工況下，新型四等分夾具螺栓所受拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于通用型夾具，夾具所受拉應(yīng)力明顯小于通用型夾具，而兩夾具在形變位移上幾乎相等。如當(dāng)p=6 MPa時，新型四等分夾具螺栓最大拉應(yīng)力值為通用型夾具的38.16%，夾具周向最大拉應(yīng)力值為通用型夾具的66.97%，形變位移為通用型夾具的93.65%。因此，新型的四等分夾具在承壓能力、應(yīng)力集中、形變位移等方面都優(yōu)于通用型夾具，在螺栓許用應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，新型四等分夾具能承受更高的壓力作用。

4 結(jié)論

在相同工況下，新型四等分夾具螺栓所受拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于通用型夾具，所受拉應(yīng)力明顯小于通用型夾具，夾具形變位移也稍低于通用型夾具。因而新型的四等分夾具在承壓能力、應(yīng)力集中等方面都優(yōu)于通用型夾具，在螺栓許用應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，新型四等分夾具能承受更高的壓力作用，使用壽命也更長。