（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

卡扎里密封墊圈的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)密封性能的影響

周 振，任建民

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

密封面上的接觸應(yīng)力是保證密封性能的一個(gè)重要參數(shù)。通過有限元分析軟件ANSYS，對(duì)卡扎里密封墊圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。通過對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)估，考察墊圈的結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)墊圈密封面上接觸應(yīng)力分布及最大接觸應(yīng)力影響。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，保證墊圈結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及可靠性。有助于墊圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證密封性能。同時(shí)可以減小密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，利于開發(fā)新型墊圈。

接觸應(yīng)力；密封墊圈；優(yōu)化評(píng)估；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)力評(píng)定

自動(dòng)底蓋機(jī)技術(shù)是一新型技術(shù)，底蓋機(jī)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，可以極大降低操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減小焦炭塔的生焦周期，改進(jìn)延遲焦化的工藝。國外自動(dòng)底蓋技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)，如中海油惠州石化分公司從國外引進(jìn)了4臺(tái)自動(dòng)底蓋機(jī)使用過程中表現(xiàn)了良好的性能，全開和全關(guān)時(shí)間總共只用6 min[1,2]。但是進(jìn)口國外產(chǎn)品的購置費(fèi)及后期維護(hù)費(fèi)用特別昂貴，開發(fā)自己的自動(dòng)底蓋機(jī)勢(shì)在必行。國內(nèi)的一些石化設(shè)計(jì)院以及石油、石化公司投入了大量的資金研究自動(dòng)底蓋機(jī)技術(shù)，并取得了一些成績(jī)。如滄州石化分公司在2010年投入使用的焦炭塔底自動(dòng)扇形閥，取得了良好的效果。中國石油化工股份有限公司荊門分公司于2008年3月30在延遲焦化裝置中運(yùn)用了由中國幾大石化公司一起承擔(dān)開發(fā)的平板閘閥結(jié)構(gòu)自動(dòng)底蓋機(jī)并進(jìn)行了工業(yè)考核，焦炭塔自動(dòng)底蓋機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過一系列過程的工業(yè)考驗(yàn)，從運(yùn)行的狀況看，自動(dòng)底蓋機(jī)系統(tǒng)密封性能可靠，開蓋及關(guān)蓋操作靈活平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期的各項(xiàng)性能指標(biāo)。但是焦炭塔自動(dòng)底蓋機(jī)在使用過程中還是出現(xiàn)了一些問題，例如茂名石化2號(hào)焦化裝置中焦炭塔的一臺(tái)國產(chǎn)自動(dòng)底蓋機(jī)，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，在試用過程中關(guān)閉操作經(jīng)常失靈，密封失效；在卸料開蓋時(shí)，底蓋不能順利打開，要用千斤頂拉出，產(chǎn)生極大的載荷，容易導(dǎo)致塔體等相關(guān)設(shè)備的損傷。因此優(yōu)化卡扎里密封墊圈結(jié)構(gòu)，減輕密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3,4]，利于實(shí)現(xiàn)底蓋機(jī)的自動(dòng)化。

1 墊圈優(yōu)化現(xiàn)有研究

目前已有研究人員對(duì)卡扎里密封墊圈做了研究，取得了一些成果。但是他們的優(yōu)化分析[5]只是簡(jiǎn)單改變結(jié)構(gòu)尺寸，在墊圈上進(jìn)行一定的開槽，但是沒有涉及墊圈密封面上開槽的深度及開槽寬度研究，所取得的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果不是很理想，沒有設(shè)計(jì)出墊圈的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有研究的優(yōu)化過程如圖1所示。

圖1中，結(jié)構(gòu)1為傳統(tǒng)的卡扎里密封墊圈，其密封面為全平面，有效接觸面較寬，所需的螺栓載荷較大；結(jié)構(gòu)2為研究人員對(duì)1進(jìn)行改進(jìn)后的卡扎里墊圈結(jié)構(gòu)，其上密封面上開了一個(gè)槽，開槽的寬度為開槽的直徑，深度為開槽的半徑，在左密封面上開了兩個(gè)槽，相對(duì)于結(jié)構(gòu)1有效密封面極大地減少，同時(shí)螺栓載荷也有了大幅度的降低；結(jié)構(gòu)3為研究人員在結(jié)構(gòu)2的基礎(chǔ)上改進(jìn)的墊圈結(jié)構(gòu)，相對(duì)于結(jié)構(gòu)2，上密封面開了也兩個(gè)槽，有效接觸面進(jìn)一步減少。這些優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)雖然減輕了螺栓載荷，但是對(duì)墊圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的深度還不夠。應(yīng)進(jìn)一步從開槽的深度及寬度進(jìn)行優(yōu)化研究，如改變開槽形狀(槽的寬度及深度)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析考察的結(jié)果。

圖1 卡扎里密封墊圈優(yōu)化進(jìn)展Fig.1 The optimization progress of Cazalis sealing washer

2 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

運(yùn)用ANSYS軟件在結(jié)構(gòu)3的基礎(chǔ)上對(duì)墊圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)比優(yōu)化前后的墊圈結(jié)構(gòu)及等效應(yīng)力分布如圖2。

圖2 優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.2 Comparison of structure before and after optimization

從優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)及等效應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)對(duì)比中，可以看出，墊圈的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。墊圈的開槽深度有所減少，上密封面上的間距有所增加，左密封面的開槽間距有所減少。這種結(jié)果是保證兩個(gè)密封上的接觸應(yīng)力均足夠大。等效應(yīng)力分布方面，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布效果比優(yōu)化前的要好。

考察墊圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的接觸應(yīng)力[6-8]分布，進(jìn)行比對(duì)分析如圖3。

圖3 優(yōu)化前后的接觸應(yīng)力分布對(duì)比Fig.3 The comparison of contact stress distribution before and after optimization

優(yōu)化前，左密封面的接觸應(yīng)力較小，最大接觸應(yīng)力沒有達(dá)到密封比壓；上密封面上的接觸應(yīng)力略大于密封比壓。優(yōu)化后，密封面上的接觸應(yīng)力普遍增大，遠(yuǎn)大于密封比壓。特別是左接觸面上的接觸應(yīng)力，增幅特別大，兩個(gè)密封面上的最大接觸應(yīng)力均達(dá)到了一個(gè)相對(duì)大的值，并且遠(yuǎn)大于密封比壓，保證了墊圈結(jié)構(gòu)良好的密封效果。

3 優(yōu)化評(píng)估分析及應(yīng)力評(píng)定

3.1 優(yōu)化評(píng)估分析

對(duì)最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化評(píng)估，通過優(yōu)化評(píng)估曲線可以知道每個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)各個(gè)狀態(tài)變量[9]及目標(biāo)函數(shù)的影響情況，這樣在設(shè)計(jì)墊圈結(jié)構(gòu)時(shí)就有理論可依。重點(diǎn)研究對(duì)狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)影響較大的設(shè)計(jì)變量，可以更好的進(jìn)行墊圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中B1、K1為墊圈上、左密封面的開槽間距；S、K為墊圈上、左密封面的開槽深度控制量。

從圖4中可以看出，隨著B1的增大墊圈上接觸面最大接觸應(yīng)力先減小后增大最后又減小。H1對(duì)上接觸面最大接觸應(yīng)力影響比較明顯，隨著H1的增大，墊圈上接觸面的最大接觸應(yīng)力有明顯的增加。對(duì)于控制開槽深度的變量S和K而言，隨著二者的增大，墊圈上接觸面的最大接觸應(yīng)力有減小的趨勢(shì)，但是減少幅度不明顯。

圖4 正交化設(shè)計(jì)變量與墊圈上密封面最大接觸應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.4 The relation curve of the maximum contact stress of upper contact surface on washer and normalized design variables

從圖5中可以看出，隨著墊圈上接觸面的開槽的增大，墊圈左接觸面的最大接觸應(yīng)力有明顯上升的趨勢(shì)。

墊圈左接觸面的開槽H1對(duì)左接觸面最大接觸應(yīng)力的影響也是比較明顯，隨著H1的增大，墊圈左接觸面的最大接觸應(yīng)力有明顯減小的趨勢(shì)。對(duì)于控制開槽深度的變量而言，墊圈左接觸面最大接觸應(yīng)力隨著S值的增加，沒有變化。隨著K增大，墊圈左接觸面的最大接觸應(yīng)力變化趨勢(shì)是先增大后減小，但是變化不是很明顯。

圖5 正交化設(shè)計(jì)變量與墊圈左密封面接觸應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 The relation curve of the maximum contact stress of left contact surface on washer and normalized design variables

從圖6中可以看出，隨著墊圈上接觸面的開槽B1的增大，墊圈的最大等效應(yīng)力先減小后增大。H1與最大墊圈最大等效應(yīng)力的關(guān)系也跟B1的關(guān)系曲線相似，只是H1所對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力值比B1所對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力值大。墊圈上接觸面開槽深度控制量S對(duì)墊圈上的最大等效應(yīng)力影響不大，隨著S的增大，最大等效應(yīng)力值幾乎沒有變化。但是墊圈左接觸面上的開槽深度控制量K對(duì)墊圈最大等效應(yīng)力的影響很明顯。隨著K的增大墊圈上的最大等效應(yīng)力有明顯下降的趨勢(shì)，到一定值時(shí)，墊圈上的最大等效應(yīng)力沒有什么變化。

圖6 正交化設(shè)計(jì)變量與墊圈等效應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.6 The relation curve of the equivalent stress on washer and normalized design variables

從圖7中可以看出，隨著墊圈上接觸面的開槽B1的增大，目標(biāo)函數(shù)開始有輕微的上升趨勢(shì)，但是到一定值時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值開始明顯下降。對(duì)H1而言，隨著它的增大目標(biāo)函數(shù)值先是明顯增大，然后輕微增大，增大到一定值時(shí)，目標(biāo)函數(shù)的值明顯減小。墊圈上接觸面以及左接觸面的開槽深度控制量S與K對(duì)目標(biāo)函數(shù)值的影響不大，隨著它們的增大，目標(biāo)函數(shù)稍微有些增大的趨勢(shì)，但不是很明顯。

對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行掃描評(píng)估有利于研究每個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的影響情況，對(duì)設(shè)計(jì)是很有必要的。本設(shè)計(jì)中，對(duì)目標(biāo)函數(shù)與狀態(tài)變量影響最大的是密封面開槽的間距，換句話說就是開槽的大小，開槽深度對(duì)目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量的影響不是很大。所以在以后的設(shè)計(jì)中可以重點(diǎn)考察密封面的開槽大小，將更有利于墊圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。墊圈優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定

圖7 正交化設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 The relation curve of the objective function r and normalized design variables

3.2 優(yōu)化評(píng)估分析

墊圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成后，需對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，以確定最大應(yīng)力值在許用的范圍內(nèi)。應(yīng)力評(píng)定根據(jù)JB4732[10]， 它以彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則為依據(jù)。

應(yīng)力評(píng)定有多種方法，本文中按一次應(yīng)力加二次應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定。考察墊圈等效應(yīng)力分布圖，把墊圈上應(yīng)力較大的地方作為危險(xiǎn)點(diǎn)，把相近的危險(xiǎn)點(diǎn)連接起來切割墊圈結(jié)構(gòu)，所得到的截面就是危險(xiǎn)截面。這些危險(xiǎn)截面也就是ANSYS中的應(yīng)力評(píng)定路徑。從墊圈結(jié)構(gòu)上選取三個(gè)危險(xiǎn)截面為應(yīng)力評(píng)定的路徑，如圖8所示。

圖8 應(yīng)力評(píng)定的路徑Fig.8 Stress evaluation path

對(duì)三個(gè)路徑分別進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，可以得到A-A路徑PL+Pb+Q=249.2 MPa，B-B路徑PL+Pb+Q =140.0 MPa，C-C路徑PL+Pb+Q=199.6 MPa。PL為一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，Pb為一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，Q為二次應(yīng)力強(qiáng)度，PL+Pb+Q為一次應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度。繪制三條路徑應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖如圖9-11所示。圖中的橫坐標(biāo)表示評(píng)定路徑的距離，縱坐標(biāo)表示所評(píng)定的量。該量被分為墊圈的薄膜應(yīng)力(MEMBRANE)，薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力(MEM+BEND)和總應(yīng)力(TOTAL)等三個(gè)應(yīng)力分量。從圖中可以看出這些應(yīng)力分量隨路徑距離的變化關(guān)系。

圖9 A-A路徑應(yīng)力強(qiáng)度分布曲線Fig.9 The distribution curve of stress intensity along A-A path

圖10 B-B路徑應(yīng)力強(qiáng)度分布曲線Fig.10 The distribution curve of stress intensity along B-B path

圖11 C-C路徑應(yīng)力強(qiáng)度分布曲線Fig.11 The distribution curve of stress intensity along C-C path

從上述3幅圖中可以看出，墊圈的薄膜應(yīng)力為均勻分布的，其值恒定；墊圈的薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力線性分布。優(yōu)化后的墊圈上最大等效應(yīng)力EQVsmax=226.879 MPa，材料的屈服極限σS=345 MPa。強(qiáng)度校核滿足要求。對(duì)三條路徑各點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定見表1。

表1 各路徑應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果Table 1 The evaluation results of stress intensity along every path

由上可知，不論是墊圈總體的應(yīng)力強(qiáng)度，還是三條路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度，均小于許用應(yīng)力值。墊圈在使用過程中應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)滿足要求。

4 結(jié) 論

本課題主要是通過有限元分析軟件ANSYS對(duì)墊圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。得到了墊圈的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并對(duì)優(yōu)化后的墊圈進(jìn)行了應(yīng)力評(píng)定，各項(xiàng)應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)均滿足指標(biāo)?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

(1) 通過對(duì)比初步優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)，使得密封卡扎里密封墊圈的兩個(gè)接觸面的接觸應(yīng)力均達(dá)到了一個(gè)相對(duì)大的值，保證了良好的密封性能。

(2) 通過觀察墊圈上的開槽大小及開槽深度與墊圈最大等效應(yīng)力及墊圈密封面上的最大接觸應(yīng)力，找到了墊圈開槽大小與開槽深度之間的關(guān)系。開槽的大小對(duì)墊圈密封面最大接觸應(yīng)力影響是非常大的。在一定的范圍內(nèi)，保持其他設(shè)計(jì)變量不變，隨著一個(gè)接觸面上開槽的增大，此面上的最大接觸應(yīng)力也增大；而另一個(gè)接觸面上的最大接觸應(yīng)力有減小的趨勢(shì)。墊圈開槽的深度對(duì)密封面上的最大接觸應(yīng)力的影響不是很明顯。

(3) 通過優(yōu)化分析得到了最優(yōu)設(shè)計(jì)，對(duì)最優(yōu)設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，根據(jù)不同路徑的評(píng)定結(jié)果以及優(yōu)化后墊圈上的總體的應(yīng)力，均滿足焦炭塔的操作要求。進(jìn)一步證明的優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的合理性。

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Effect of Structure and Size of Cazalis Sealing Washers on the Sealing Performance

ZHOU Zhen, REN Jian-min
（College of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The contact stress of sealing surface is an important parameter of ensuring sealing performance. In this paper, optimization design to the Cazalis seal washer structure was carried out by the finite element analysis software ANSYS, and optimal structure and size were obtained. Then through evaluating the result of optimized design, and effects of structure and size of washer on contact stress distribution of washer and the maximum contact stress on the sealing surface of the washer were analyzed. Stress evaluation of the optimized structure can ensure the strength and reliability of gasket structure, which contributes to the washer structure design and ensures the sealing performance. At the same time the sealing system structure size will be reduced, which is conducive to development of new washer.

Contact stress；Seal washer；Optimization evaluation；Structure design；Stress evaluation

TQ 050

： A

： 1671-0460（2014）04-0532-04

2013-09-16

周振（1987-），男，河南人，碩士研究生，研究方向：設(shè)備安全技術(shù)。E-mail：8704100zzz@163.com。