高壓設(shè)備用隔膜式密封盤結(jié)構(gòu)對比分析

李國龍 雷 勇 中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

1 概述

在我國的石油化工領(lǐng)域，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、大型化的發(fā)展，設(shè)備也朝著高溫、高壓方向發(fā)展。石化設(shè)備中的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計是防止設(shè)備泄露失效中的關(guān)鍵一環(huán)，采用焊接密封元件進(jìn)行密封是一種對高參數(shù)及非間隙腐蝕介質(zhì)設(shè)備防止泄露的有效防范，一般有螺紋鎖緊環(huán)式、隔膜式密封盤和Ω 環(huán)式等密封形式。典型的高壓設(shè)備密封結(jié)構(gòu)見圖1。

圖 1 高壓設(shè)備密封結(jié)構(gòu)

經(jīng)過多年的工程實踐，隔膜式密封盤結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用于石化設(shè)備上，一般由平蓋、連接螺柱、螺母、加強(qiáng)端部、堆焊層和隔膜式密封盤等零部件組成。目前隔膜式密封盤有多種型式，常見的隔膜式密封盤結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 常見隔膜式密封盤密封結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)某項目中高溫高壓容器的設(shè)計條件，采用有限元分析方法對比不同結(jié)構(gòu)的隔膜式密封盤，并對結(jié)果進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。

2 結(jié)構(gòu)及設(shè)計條件分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

隔膜式密封盤密封結(jié)構(gòu)是焊接密封的一種，它區(qū)別于一般的密封結(jié)構(gòu)，不需要通過螺栓預(yù)緊壓緊墊片實現(xiàn)初始密封，而是通過在密封盤外緣與加強(qiáng)端部處的密封焊實現(xiàn)密封，因此，在密封計算中僅需要考慮介質(zhì)的壓力載荷，此密封結(jié)構(gòu)簡單、實施方便，也規(guī)避了螺栓預(yù)緊時對螺栓力矩控制困難的問題，適用于不需要頻繁拆卸的場合。

平蓋承受壓力載荷時，力學(xué)模型為均勻受壓的圓平板，將發(fā)生撓曲變形，中心處撓度最大，隔膜密封盤的撓曲變形與平蓋的撓曲變形最終達(dá)到一致，在隔膜密封盤外緣處的轉(zhuǎn)角和位移主要受到平蓋和筒體端部的約束，此處結(jié)構(gòu)薄弱，為確保密封性能，需要對密封唇處的轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，如：采用增加平蓋厚度的方式，能夠控制密封唇處的轉(zhuǎn)角，但考慮到圓平板主要承受一次彎曲應(yīng)力，經(jīng)濟(jì)性較差。

因此，密封盤本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對改善焊縫處的受力將起到至關(guān)重要的作用，在傳統(tǒng)凹槽式結(jié)構(gòu)（圖2（a））基礎(chǔ)上，開發(fā)出了環(huán)槽式（圖2（b））和球缺式（圖2（c））等結(jié)構(gòu)型式，以期解決上述問題。本文以某工程項目為例，通過有限元方法，對比三種隔膜密封盤的密封結(jié)構(gòu)，得出相應(yīng)的結(jié)論。

2.2 設(shè)計條件

設(shè)計條件表

3 有限元分析

3.1 幾何模型

為充分考慮螺柱螺母連接結(jié)構(gòu)對密封性能的影響，同時降低計算求解規(guī)模，建立7.5°幾何模型，在兩相鄰螺柱對稱面與螺柱對稱面之間建立局部幾何模型，包括平蓋、加強(qiáng)端部（考慮邊緣效應(yīng)，模型中考慮一定的筒體長度），隔膜式密封盤，螺柱和螺母，見圖3。

圖 3 幾何模型

圖示模型僅為其中一種隔膜密封盤模型，實際計算中，建立凹槽式密封盤結(jié)構(gòu)模型，簡稱模型A；環(huán)槽式密封盤結(jié)構(gòu)模型，簡稱模型B；球缺密封盤結(jié)構(gòu)模型，簡稱模型C。

3.2 有限元模型

3.2.1 分析方法介紹

本文采用ANSYS 軟件對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模和應(yīng)力分析，重點(diǎn)分析和考察在內(nèi)壓作用下不同結(jié)構(gòu)形式的密封盤的位移情況和密封唇處的轉(zhuǎn)角情況。有限元分析的基本思想是將復(fù)雜的幾何受力模型劃分為形狀簡單的單元，構(gòu)建單元的結(jié)構(gòu)方程，通過單元與單元之間的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系，得到結(jié)構(gòu)整體剛度方程，根據(jù)位移約束和受力狀態(tài)，處理邊界條件，進(jìn)行求解。

考慮到模型A 和模型B 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用小變形假設(shè)，材料模型為理想彈性材料，能夠確保計算結(jié)果的精確性。但對于模型C，由于球缺在內(nèi)壓作用下有較大的變形，如仍采用小變形假設(shè)，計算結(jié)果明顯不合理，因此，模型C 采用非線性理論計算，為理想彈性材料，此即模型C1；但考慮到在大變形條件下，球缺結(jié)構(gòu)此時已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，考慮到計算精確性和對比需要，模型C2 采用大變形假設(shè)，同時考慮材料為理想彈塑性材料。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

本設(shè)備密封結(jié)構(gòu)僅涉及靜力分析，為保證精度，采用三維實體二階單元建模。經(jīng)多次劃分網(wǎng)格對比計算結(jié)果，確定最佳的網(wǎng)格密度，最大限度降低網(wǎng)格劃分對計算精度的影響。消除了網(wǎng)格劃分對計算精度的影響的網(wǎng)格模型見圖4。

圖 4 有限元網(wǎng)格模型

3.2.3 載荷條件

本文主要討論不同隔膜式密封盤結(jié)構(gòu)的密封效果，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)分析中，在加強(qiáng)端遠(yuǎn)端的筒體部位施加軸向位移約束，在兩個對稱面施加周向旋轉(zhuǎn)約束，在與內(nèi)部介質(zhì)接觸面施加壓力載荷邊界條件。螺栓考慮操作載荷110%的預(yù)緊載荷。

隔膜式密封盤與平蓋、平蓋與螺母、隔膜式密封盤與筒體端部等處設(shè)置接觸對，模擬實際結(jié)構(gòu)的相互作用。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 隔膜密封盤與平蓋接觸線處

隔膜密封盤與平蓋接觸線處的軸向位移和按照第四強(qiáng)度理論計算的應(yīng)力強(qiáng)度分別見圖5 和圖6。

圖5 隔膜密封盤與平蓋接觸線處的位移

圖6 隔膜密封盤與平蓋接觸線處的應(yīng)力強(qiáng)度

從圖5，6 中可以看出，對于模型A 和模型B采用小變形假設(shè)是恰當(dāng)?shù)模瑑烧叩妮S向位移相差不大；對于球缺式隔膜密封盤，應(yīng)采用幾何非線性假設(shè)，其軸向位移在密封唇靠設(shè)備中心線處稍有不同。實際上，由于密封盤的彎曲變形，在隔膜式密封盤與密封唇連接處均存在塑性應(yīng)變（見圖7），當(dāng)塑性發(fā)生后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到了重新分配，此點(diǎn)可從應(yīng)力強(qiáng)度圖上看出，模型C1 由于采用理想彈性材料模型，在靠近密封唇處有虛假的高應(yīng)力存在，其應(yīng)力值達(dá)到了1883MPa；同時，可以注意到球缺模型C1 和C2 在中心區(qū)存在較大的應(yīng)力波動，原因是此時球缺在此區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了結(jié)構(gòu)的屈曲，如果需要準(zhǔn)確捕捉此處的應(yīng)力，需采用雙非線性的模型和合適的求解算法，如弧長法，以精確獲得此處的后屈曲位移和應(yīng)力強(qiáng)度。

圖7 隔膜密封盤塑性應(yīng)變區(qū)域

3.3.2 密封唇處

隔膜密封盤密封唇與堆焊層接觸線處的軸向位移和按照第四強(qiáng)度理論計算的應(yīng)力強(qiáng)度分別見圖8和圖9。

圖8 隔膜密封盤密封唇處的軸向位移

圖9 隔膜密封盤密封唇處的應(yīng)力強(qiáng)度

由圖可知，三種密封結(jié)構(gòu)型式在密封唇處的軸向位移基本一致，由于C1 模型為理想彈性模型，剛度明顯偏大，導(dǎo)致此模型的軸向位移明顯偏小。從圖9 的應(yīng)力強(qiáng)度曲線上也可看出，模型C1 的應(yīng)力強(qiáng)度偏離實際情況較遠(yuǎn)，模型C2 由于考慮的是材料的塑性變形，應(yīng)力水平明顯小于其他模型。

密封唇處的應(yīng)力強(qiáng)度等值線圖和位移變形見圖10，其中模型C1 的應(yīng)力強(qiáng)度等值線最大值較大，采用對數(shù)比例顯示，以堆焊層上表面為基準(zhǔn)，密封唇的張角見圖11。

圖10 隔膜密封盤密封唇處應(yīng)力強(qiáng)度與變形圖

圖11 隔膜密封盤密封唇的張角

由圖10 與11 可知，當(dāng)采用有解除轉(zhuǎn)角關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)時（如模型B 的環(huán)槽、模型C1，C2 的球缺），密封唇處的轉(zhuǎn)角基本不發(fā)生轉(zhuǎn)動，可在一定程度上緩解密封焊接接頭的密封壓力，而模型A 有較大的張角，壓力介質(zhì)可能直接作用到密封焊接接頭處，應(yīng)盡量不采用此結(jié)構(gòu)。

3.3.3 焊接接頭處

隔膜密封盤密封焊縫水平位置處的軸向位移和按照第四強(qiáng)度理論計算的應(yīng)力強(qiáng)度如見圖12 和圖13。

圖12 水平位置處的軸向位移

圖13 水平位置處的薄膜加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度

模型C1 的密封焊縫軸向位移明顯偏小，應(yīng)為材料模型選擇導(dǎo)致；模型C2 由于考慮的是材料的塑性變形，使密封結(jié)構(gòu)各處剛度得到協(xié)調(diào)，從位移和應(yīng)力水平得到有效緩解。

隔膜密封盤密封焊豎直位置的徑向位移和按照第四強(qiáng)度理論計算的薄膜加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度如圖14和圖15 所示。

圖14 豎直位置處的軸向位移

圖15 豎直位置處的薄膜加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度

由于球缺結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)，在受內(nèi)壓作用時，會向周向擠壓變形，導(dǎo)致模型C1 和C2 的密封焊縫徑向位移明顯偏大；而由于受內(nèi)壓時，模型A 和B 密封盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其徑向位移基本一致，模型B 由于環(huán)形槽的存在，徑向位移稍小于模型A。

4 結(jié)語

本文通過對某一典型高壓密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到不同隔膜密封盤密封結(jié)構(gòu)下關(guān)鍵位置的位移分布、應(yīng)力強(qiáng)度分布，比較了不同結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力強(qiáng)度變化趨勢。通過計算和分析，得出以下結(jié)論：

（1）由于隔膜式密封盤與平蓋與筒體端部的連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其適用于高溫高壓等苛刻的非間隙腐蝕的操作工況。

（2）通過采用開槽，或者增加隔膜密封板中心部位的撓度，可有效緩解隔膜密封盤中心部位與密封唇處的轉(zhuǎn)角關(guān)聯(lián)，降低密封件的剛度，減小密封唇的軸向位移和密封焊接接頭處的應(yīng)力水平。

（3）對于球缺型隔膜密封板，球缺形狀的球半徑應(yīng)經(jīng)過精確計算。球半徑過大時，在受內(nèi)壓時變形較大，應(yīng)確保在受內(nèi)壓時在邊緣處的撓曲變形和轉(zhuǎn)角與密封唇處的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)，以減小密封唇和密封焊接接頭處的應(yīng)力水平。

（4）當(dāng)對凹槽或環(huán)槽隔膜密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，小變形假設(shè)可以滿足工程計算要求；但對于球缺型隔膜密封板，應(yīng)采用大變形假設(shè)，且應(yīng)考慮材料的塑性變形引起的應(yīng)力重分布效果，以得到精確的結(jié)果。

（5）如希望利用密封唇達(dá)到一定的密封效果，應(yīng)避免采用模型A 的結(jié)構(gòu)。