高壓自緊式卡箍密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與密封機(jī)制分析

黃賢濱，單廣斌，邱 楓，徐 志

(1.中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 2660712.成都植源機(jī)械科技有限公司，四川成都 610000)

0 前言

法蘭是石化設(shè)備常用的連接方式，通過螺栓加載，使墊片材料變形以實(shí)現(xiàn)密封。法蘭承壓后，內(nèi)壓會導(dǎo)致密封面沿連接中心線方向松弛，高溫環(huán)境中，連接螺栓受熱將發(fā)生松弛，降低法蘭面密封性，同時法蘭連接兩端的熱膨脹和起伏不定的周期載荷都會造成法蘭面之間移動，影響法蘭密封性能，使法蘭的完整性受損，因此很難杜絕法蘭面跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象的發(fā)生[1]。隨著國家環(huán)保要求的提高，揮發(fā)性有機(jī)物泄漏成為大氣環(huán)境治理熱點(diǎn)，傳統(tǒng)法蘭結(jié)構(gòu)已越來越難以滿足安全環(huán)保對密封結(jié)構(gòu)和密封性能的要求[2]。

卡箍是一種替代法蘭的連接方式，由2個高頸環(huán)和2個半圓卡箍組成，與法蘭連接相比，具備重量輕，安裝空間小，密封安裝簡便等特點(diǎn)[3]。卡箍密封結(jié)構(gòu)的密封試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明，參照ASME VIII DII.1[4]、EN1591[5]、GB150[6]等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的卡箍密封結(jié)構(gòu)，可以承受更高的載荷，密封效果也遠(yuǎn)比法蘭結(jié)構(gòu)更為可靠[7]。傳統(tǒng)卡箍密封面位于2個連接端面之間，密封結(jié)構(gòu)與法蘭并無本質(zhì)區(qū)別，無法在高溫高壓系統(tǒng)應(yīng)用。為此利用卡箍在結(jié)構(gòu)緊固和雙錐密封在軸向密封的特點(diǎn)，出現(xiàn)了高壓自緊式卡箍密封結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)外石化裝置上得到了廣泛應(yīng)用。由于其密封結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，密封過程呈非線性變化，采用解析法結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析需要將卡箍結(jié)構(gòu)簡化成解析方程可以求解的理想模型，使得分析結(jié)果過于保守，無法得到各部位應(yīng)力狀況，難以明晰密封機(jī)制，無法對其安全使用提供指導(dǎo)。

1 高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)受力分析

為克服卡箍結(jié)構(gòu)和法蘭結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，高壓自緊式卡箍密封結(jié)構(gòu)由3部分組成：密封環(huán)a、卡箍c、兩個對焊接頭b，見圖1～圖3。

圖1 高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)組成

圖2 卡箍結(jié)構(gòu)

圖3 密封環(huán)結(jié)構(gòu)

高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)，密封環(huán)采用與管子相同材質(zhì)，與對焊接頭形成金屬密封，T形截面密封環(huán)置于兩個連接端面之間，采用預(yù)緊螺栓拉緊上下兩個夾環(huán)型卡箍，將螺栓預(yù)緊力轉(zhuǎn)化為壓緊密封環(huán)與連接端面的軸向力F，使連接端面與密封環(huán)形成初接觸(“就位”)；繼續(xù)加大螺栓預(yù)緊力，使連接端面與密封環(huán)產(chǎn)生適當(dāng)接觸力F1，形成初密封(“預(yù)緊”)；承壓后，內(nèi)壓P作用在密封環(huán)內(nèi)表面，進(jìn)一步壓緊密封環(huán)，形成自緊，如圖4所示。

2 有限元分析

高壓自緊式卡箍密封結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，自緊密封過程呈非線性變化，同時在密封過程中，材料也可能會發(fā)生一定塑性變形，難以采用解析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。為此，針對公稱直徑150 mm的高壓自緊式卡箍密封結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件ANSYS，建立力學(xué)模型，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析[8]。

圖4 高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 實(shí)體模型

對焊接頭內(nèi)側(cè)設(shè)計為一定長度的15°圓錐面。密封環(huán)設(shè)計為T形截面形式，T形兩臂為唇形結(jié)構(gòu)，與對焊接頭內(nèi)表面形成唇邊密封，構(gòu)成自緊密封，使得密封環(huán)有自由彈性變形余量，降低密封環(huán)和對焊接頭密封面損傷的可能性；T形支腿夾持在兩個連接端面中間，構(gòu)成高壓自緊式卡箍密封結(jié)構(gòu)的二次密封。卡箍與對焊接頭傳力面由傳統(tǒng)卡箍的110°增大到115°，降低卡箍內(nèi)轉(zhuǎn)角部位的應(yīng)力；卡箍中央增加泄荷槽，降低卡箍剛性，使卡箍受力協(xié)調(diào)、均勻。

2.2 有限元模型

建立有限元模型時，著重模擬結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)，接觸對的建立是高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)接觸分析的重要環(huán)節(jié)。高壓卡箍密封的過程是密封環(huán)與管接頭以及卡箍與管接頭逐漸接觸并緊密貼合的高度非線性過程，接觸區(qū)域隨著載荷、材料、邊界條件變化，同時還存在接觸面間的摩擦作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)存在兩個接觸面，一個是密封環(huán)與管接頭的接觸面，另一個是管接頭與卡箍的接觸面。初始狀態(tài)下，接觸面為密切的協(xié)調(diào)接觸，接觸面間無間隙。加載時由于卡箍與管接頭之間的接觸面以及管接頭與密封環(huán)之間的接觸面存在粘連和相對滑動，同時管接頭因卡箍承受壓緊力作用發(fā)生位移，屬于帶摩擦的面面接觸問題，創(chuàng)建兩個接觸對，即卡箍體與管接頭的接觸、管接頭與密封環(huán)的接觸，采用非對稱接觸算法，并對接觸表面采用標(biāo)準(zhǔn)法向單邊接觸[10]。因此采用ANSYS軟件中的3D面面接觸單元TARGE170、CONTECT172單元建立接觸對。主體部分考慮材料塑性，采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體元SOLID45。有限元模型如圖5所示。模型采用掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時為保證結(jié)果的精確性，對結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角部位、接觸面、密封環(huán)等部位的單元進(jìn)行加密，實(shí)體單元和接觸單元共劃分了21 488個節(jié)點(diǎn)，45 765個單元。

圖5 有限元模型

2.3 邊界條件

由于分析模型具有廣義軸對稱特點(diǎn)，設(shè)定了位移邊界條件和力的邊界條件。

a)位移邊界條件。密封環(huán)和卡箍X=0處，約束密封環(huán)和卡箍X向位移，而管道對焊接頭可以沿X向位移；密封環(huán)、管道對焊接頭和卡箍Z=0處，約束其Z向位移，使其不能延X軸自由轉(zhuǎn)動；密封環(huán)、管道對焊接頭Y=0處，約束其剖面位移，而卡箍可以在螺栓預(yù)緊力作用下沿Y軸產(chǎn)生位移[11，12]。

b)力的邊界條件。為保證結(jié)構(gòu)的密封性，需施加一定預(yù)緊力，本研究中在卡箍螺栓預(yù)緊面處施加螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的均布壓力1 MPa。在操作工況下高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)承受內(nèi)壓，這里在管道對焊接頭和密封環(huán)內(nèi)表面施加工作壓力30 MPa。

2.4 計算條件

密封環(huán)、管接頭和卡箍采用316L材質(zhì)，螺栓采用35CrMoA材料。各部件材料在300 ℃下的常數(shù)見表1，常溫(20 ℃)下的常數(shù)見表2[13]。

表1 材料在300 ℃下的常數(shù)

表2 材料在20 ℃下的常數(shù)

對于常規(guī)密封材料，密封是依靠密封材料的塑性變形實(shí)現(xiàn)密封，考慮密封環(huán)塑性變形的可能性，采用雙線性隨動強(qiáng)化模型BKIN，材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用計算溫度下材料的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.5 計算結(jié)果

圖6～圖9是高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)各部分的應(yīng)力分布和位移圖。圖10是密封環(huán)和管接頭接觸面的接觸壓力。

圖6 高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)整體Mises等效應(yīng)力分布

圖6和圖7為結(jié)構(gòu)的Mises等效應(yīng)力分布，可知結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力位于密封環(huán)上，由圖7(c)可知結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力位于密封環(huán)外側(cè)轉(zhuǎn)角處，最大值為208.572 MPa。密封環(huán)在此處幾何形狀突變，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，該區(qū)域?qū)儆诟邞?yīng)力分布區(qū)，此區(qū)域范圍很小，且應(yīng)力沿密封環(huán)厚度方向衰減很快，屬于峰值應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布和變形沒有顯著的影響[14,15]。遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，管接頭的應(yīng)力強(qiáng)度為101 MPa(圖7(b))，而根據(jù)第三強(qiáng)度理論，管接頭應(yīng)力強(qiáng)度可表示為下式：

(1)

式中：p——工作壓力，MPa；

D——管接頭公稱直徑，mm；

t——管接頭壁厚，mm。

圖7 高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)各部件Mises等效應(yīng)力分布

計算得管接頭的應(yīng)力強(qiáng)度為102.5 MPa，有限元計算值與理論值比較接近。由此表明，分析結(jié)果與理論情況相符。

圖8和圖9為高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)的位移，最小等效位移為0.300 3 mm，最大等效位移為0.308 7 mm；管接頭等效位移和等效應(yīng)力的分布均存在一定的不均勻性，但由于此不均勻性可以滿足密封的要求。高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)各部位變形協(xié)調(diào)，最大位移位于卡箍的螺栓緊固面上，這與實(shí)際吻合。

圖8 高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)總體位移

圖9 高壓卡箍密封結(jié)構(gòu)各部件位移

圖10(b)為密封環(huán)與管接頭接觸面的接觸壓力，可以看出，密封環(huán)和管接頭上在存在接觸力明顯高于其他區(qū)域的環(huán)向條帶區(qū)域，管接頭上的接觸壓力最大值為197.475 MPa，密封環(huán)接觸壓力最大值為316.551 MPa，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)法蘭結(jié)構(gòu)對于實(shí)心金屬平墊片和圓環(huán)墊片的密封比壓，因此可以起到可靠密封。同時從圖7(d)還可以開出密封環(huán)的T形支腿上也存在大于49.722 MPa的壓應(yīng)力，這個壓力應(yīng)力的存在，一方面阻止了密封環(huán)的過渡變形，另一方面也會起到二次密封作用。

圖10 密封環(huán)與管接頭接觸面的接觸壓力

卡箍變形圖可以看出，卡箍整體變形均勻合理；由卡箍的等效應(yīng)力(Von Mises)分布云圖可知卡箍的應(yīng)力分布較均勻，卡箍最大等效應(yīng)力位于卡箍卸荷槽根部，最大等效應(yīng)力值為174 MPa<1.5[σ]t=177 MPa，因此卡箍結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工作要求。此外，高壓卡箍式密封結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)中可通過圓角顯著減小該部位的應(yīng)力水平。對于緊固用螺栓，螺栓應(yīng)力為σ=F/A1=66.9 MPa<[σ]t=118 MPa，可知，該螺栓的實(shí)際應(yīng)力小于螺栓材料的許用應(yīng)力，該螺栓在其工況下安全可靠。

3 密封試驗(yàn)

采用氦氣，對其進(jìn)行了密封試驗(yàn)。高壓自緊式卡箍密封結(jié)構(gòu)安裝、清理后，抽真空至100 Pa以下，通入純度99.9%的氦氣，緩慢升壓至規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%，保壓5 min，進(jìn)行泄漏檢查，再繼續(xù)緩慢升壓至規(guī)定試驗(yàn)壓力的50%，如無異常現(xiàn)象，其后按每級為規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%的級差逐級升壓，達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力，保壓4 h后，采用氦質(zhì)譜儀XL300測量其密封性，試驗(yàn)表明，高壓自緊式卡箍密封結(jié)構(gòu)單點(diǎn)泄漏率最大值為6×10-5Pa·m3/s，試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)無變形；采用同樣試驗(yàn)方案，常規(guī)法蘭單點(diǎn)泄漏率最大值為1×10-4Pa·m3/s。

4 結(jié)論

對高壓自緊卡箍式密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封機(jī)制進(jìn)行了分析，得到結(jié)論如下。

a)高壓自緊式卡箍式密封結(jié)構(gòu)各部件變形協(xié)調(diào)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，密封環(huán)和管接頭接觸壓力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)法蘭結(jié)構(gòu)對于實(shí)心金屬平墊片和圓環(huán)墊片的密封比壓，密封更為可靠。

b)高壓卡箍式密封結(jié)構(gòu)，密封環(huán)的T形支腿部位存在一定壓應(yīng)力，形成了雙密封結(jié)構(gòu)，提升密封安全性同時降低了密封環(huán)過載損壞的可能。

c)高壓卡箍式密封結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力分析得到了各部位的應(yīng)力分布，明確結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，對于其結(jié)構(gòu)優(yōu)化、安裝施工和安全狀況監(jiān)檢測提供指導(dǎo)。