李 魁

中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

兩種高壓焊接密封結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

李 魁*

中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)焊接密封結(jié)構(gòu)中兩種墊片進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，焊接墊片在工作時(shí)會(huì)隨著平蓋發(fā)生彎曲，在合適的位置減薄墊片厚度可以滿足強(qiáng)度要求，能降低焊接接頭與其他零部件的接觸應(yīng)力和焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力，增加密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

ANSYS 有限元 隔膜密封 接觸應(yīng)力 應(yīng)力線性化

小直徑高壓換熱器管箱平蓋較多采用焊接密封結(jié)構(gòu)，見圖1。平蓋通過螺柱緊固承受內(nèi)壓，筒體端部與平蓋之間設(shè)有平板隔膜墊片，墊片與筒體端部焊接在一起，角焊縫能起到密封作用。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封可靠，加工要求不高，缺點(diǎn)是檢修時(shí)需要磨掉焊接材料，一般用在高壓、無需頻繁開啟的場(chǎng)合。此結(jié)構(gòu)在很多項(xiàng)目上已成功使用[1][2]，可以按標(biāo)準(zhǔn)[3]設(shè)計(jì)法蘭(筒體端部)、平蓋及螺柱的強(qiáng)度，但隔膜墊片作為密封的核心元件，未見完善的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)4利用軸對(duì)稱模型對(duì)隔膜墊片進(jìn)行分析，沒有考慮結(jié)構(gòu)承壓時(shí)螺柱伸長(zhǎng)帶來的影響。本文通過建立3D模型，對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析和線性化處理，主要對(duì)比分析隔膜墊片不同位置的及焊接接頭處的應(yīng)力分布。

圖1 高壓焊接密封結(jié)構(gòu)

由圖1可見，內(nèi)壓通過隔膜墊片傳遞到平蓋，平蓋通過螺柱與筒體端部緊固在一起，平蓋在承壓時(shí)發(fā)生軸向位移及彎曲變形。隔膜墊片的中心部分隨著平蓋產(chǎn)生軸向位移和彎曲變形，邊緣部分和筒體端部焊接在一起，為了滿足變形協(xié)調(diào)，隔膜墊片在減薄位置產(chǎn)生彎曲，同時(shí)邊緣發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成角位移。所以角焊縫不但起到密封作用，還要承受墊片彎曲和偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的載荷。隔膜密封結(jié)構(gòu)的可靠性和隔膜墊片的結(jié)構(gòu)尺寸、焊接接頭的尺寸、螺柱和平蓋的整體剛度相關(guān)。

常用隔膜墊片的總厚度G為20mm，中心部位厚度S不小于10mm，墊片倒圓r不小于6mm。一般筒體端部的止推環(huán)槽高度大于5mm，實(shí)際操作過程中隔膜墊片發(fā)生位移和偏轉(zhuǎn)，有文獻(xiàn)5認(rèn)為從隔膜墊片強(qiáng)度穩(wěn)妥的角度，可以把隔膜墊片更改為圓平板(見圖3)，曾大量應(yīng)用在加氫反應(yīng)器上。

本文借助有限元軟件ANSYS17.2，對(duì)某合成氨裝置的鍋爐給水預(yù)熱器管箱密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，兩種結(jié)構(gòu)中平蓋、筒體端部、螺柱及焊接接頭尺寸均相同，結(jié)構(gòu)1的隔膜墊片帶有減薄區(qū)(見圖2)；結(jié)構(gòu)2是平板隔膜墊片(見圖3)。對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，并參照J(rèn)B4732-95進(jìn)行應(yīng)力線性化。希望對(duì)比分析對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)有所借鑒。

圖2 結(jié)構(gòu)1焊接密封

圖3 結(jié)構(gòu)2焊接密封

1 結(jié)構(gòu)尺寸與參數(shù)

1.1 模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文分析的鍋爐給水預(yù)熱器管箱設(shè)計(jì)壓力11.41MPa，設(shè)計(jì)溫度60℃。模型1數(shù)據(jù)見表1，模型2墊片為一平板，厚度與模型1總厚度相同。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 材料的特性

隔膜墊片在使用或檢修過程中需要開啟和更換，墊片及焊接接頭應(yīng)選擇無需焊后熱處理的材料，一般選用S30408。密封焊縫材質(zhì)和S30408一致。具體材料屬性見表2。假設(shè)結(jié)構(gòu)各個(gè)元件的材料均為線彈性材料，不考慮平蓋及筒體端部的溫差效應(yīng)。

表2 材料屬性

2 分析模型

由于本文主要討論端部密封處的應(yīng)力分布，忽略筒體接管對(duì)端部密封結(jié)構(gòu)影響?？紤]結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，沿?fù)Q熱器軸向?qū)ΨQ面切開取其1/4作為分析模型。

為了能準(zhǔn)確模擬密封結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，所有部件均選用ANSYS的20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，采用掃略方式劃分網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2在墊片及焊接接頭設(shè)置同樣的單元大小，保證兩個(gè)模型的網(wǎng)格精度相同。網(wǎng)格劃分后模型1共有122494個(gè)單元，514506個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖4；模型2共有164394個(gè)單元，696166個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖5。

圖4 結(jié)構(gòu)1網(wǎng)格模型

圖5 結(jié)構(gòu)2網(wǎng)格模型

3 載荷及邊界條件

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，設(shè)置模型中所有結(jié)構(gòu)的對(duì)稱面關(guān)于Y軸和Z軸對(duì)稱，筒體右端面設(shè)置為軸向約束(X軸方向)。筒體(及端部)內(nèi)表面、墊片內(nèi)表面施加內(nèi)壓。墊片與筒體端部、墊片與法蘭蓋均設(shè)置為無摩擦接觸；焊接接頭與筒體端部和墊片設(shè)置為綁定接觸。結(jié)構(gòu)1載荷和邊界條件見圖6；結(jié)構(gòu)2載荷和邊界條件見圖7。

圖6 結(jié)構(gòu)1載荷和邊界條件

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 總體變形

圖7 結(jié)構(gòu)2載荷和邊界條件

結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2變形云圖分別見圖8和圖9。

圖8 結(jié)構(gòu)1變形云圖

圖9 結(jié)構(gòu)2變形云圖

由圖8和圖9可見，這兩種密封結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下，平蓋發(fā)生軸向位移，墊片邊緣部分與平蓋分離，墊片的中心部分與平蓋貼合在一起；墊片密封面與筒體端部密封面分離，墊片密封面有一定的偏轉(zhuǎn)，焊接接頭起密封作用。主要原因是內(nèi)壓作用時(shí)螺柱伸長(zhǎng)，平蓋相對(duì)于筒體端部軸向移動(dòng)，墊片自身無法承受內(nèi)壓，隨著平蓋產(chǎn)生軸向位移，墊片邊緣部分產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

從變形云圖看，內(nèi)壓作用下，結(jié)構(gòu)1平蓋的彎曲變形小于結(jié)構(gòu)2。兩個(gè)計(jì)算模型中，平蓋尺寸和螺柱尺寸相同，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)1的隔膜墊片在承受內(nèi)壓時(shí)，中心部分受壓彎曲變形，而墊片直段部分受壓時(shí)，中心部分徑向產(chǎn)生局部拉應(yīng)力，彎曲的墊片趨于變平。結(jié)構(gòu)2的平板墊片在承受內(nèi)壓時(shí)彎曲變形。

4.2 墊片與平蓋的接觸應(yīng)力

結(jié)構(gòu)1隔膜墊片與平蓋接觸應(yīng)力見圖10；結(jié)構(gòu)2隔膜墊片與平蓋接觸應(yīng)力見圖11。

圖10 結(jié)構(gòu)1隔膜墊片與平蓋接觸應(yīng)力

圖11 結(jié)構(gòu)2隔膜墊片與平蓋接觸應(yīng)力

利用ANSYS接觸工具，可以得到墊片與平蓋的接觸應(yīng)力，此處壓力為正。由圖10和圖11可知，接觸應(yīng)力分布近似相同，墊片邊緣區(qū)域與平蓋分離，在墊片彎曲區(qū)域內(nèi)接觸應(yīng)力最大，向中心逐漸減小，中心大部分區(qū)域接觸應(yīng)力趨于相等。兩種墊片對(duì)平蓋的最大應(yīng)力近似相等，但是結(jié)構(gòu)2最大接觸應(yīng)力的范圍大于結(jié)構(gòu)1，結(jié)構(gòu)2中墊片傳遞更多的力給平蓋。

4.3 焊接接頭與筒體端部接觸應(yīng)力

結(jié)構(gòu)1焊接接頭與筒體端部接觸應(yīng)力見圖12；結(jié)構(gòu)2焊接接頭與筒體端部接觸應(yīng)力見圖13。

由圖12和圖13可見，焊接接頭與筒體端部的接觸應(yīng)力分布相似。焊接接頭的最大壓應(yīng)力在角焊縫邊緣，兩種結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力相近。最大拉應(yīng)力在焊接接頭與筒體端部接觸的邊緣部位，結(jié)構(gòu)1的最大拉應(yīng)力65.62MPa，結(jié)構(gòu)2的最大拉應(yīng)力122.82MPa，結(jié)構(gòu)2焊接接頭承受更大的拉應(yīng)力。

4.4 焊接接頭與墊片接觸應(yīng)力

結(jié)構(gòu)1焊接接頭與隔膜墊片接觸應(yīng)力見圖14；

圖12 結(jié)構(gòu)1焊接接頭與筒體端部接觸應(yīng)力

圖13 結(jié)構(gòu)2焊接接頭與筒體端部接觸應(yīng)力

結(jié)構(gòu)2焊接接頭與隔膜墊片接觸應(yīng)力見圖15。

圖14 結(jié)構(gòu)1焊接接頭與隔膜墊片接觸應(yīng)力

結(jié)構(gòu)1焊接接頭與墊片的接觸應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸改為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力最大為45.74 MPa，由于凹槽存在，減弱了墊片邊緣區(qū)域的偏轉(zhuǎn)，所以焊接接頭的壓應(yīng)力較小。而結(jié)構(gòu)2的墊片等厚變形，受拉與受壓數(shù)值基本一致。焊接接頭與墊片的接觸應(yīng)力由壓應(yīng)力逐漸過渡為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力對(duì)稱分布。

4.5 兩種墊片線性化

在墊片徑向位置參照J(rèn)B 4732-95(2005確認(rèn))進(jìn)行應(yīng)力線性化，對(duì)比結(jié)果見圖16。

圖15 結(jié)構(gòu)2焊接接頭與隔膜墊片接觸應(yīng)力

圖16 墊片徑向位置線性化曲線

在距中心140mm內(nèi)的區(qū)域結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的應(yīng)力分布均勻，薄膜應(yīng)力和薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力改變不大，結(jié)構(gòu)1內(nèi)的應(yīng)力水平略大于結(jié)構(gòu)2。在距中心大于140mm的位置，墊片發(fā)生彎曲，結(jié)構(gòu)2發(fā)生彎曲的影響范圍比結(jié)構(gòu)1大，結(jié)構(gòu)2內(nèi)的彎曲應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)1的彎曲應(yīng)力。

4.6 焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力

結(jié)構(gòu)1焊縫處應(yīng)力見圖17；結(jié)構(gòu)2焊縫處的應(yīng)力見圖18。

文獻(xiàn)6對(duì)焊接密封的多起失效案例進(jìn)行分析表明，部分密封失效是由焊接接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力和施焊工藝引起。結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2焊接接頭尺寸相同，但操作時(shí)焊接接頭內(nèi)的應(yīng)力相差較大。結(jié)構(gòu)1的焊縫最大應(yīng)力122.8MPa，結(jié)構(gòu)2焊縫的最大應(yīng)力達(dá)到了177.03MPa，結(jié)構(gòu)1最大應(yīng)力位置在焊縫和端部焊接的地方，結(jié)構(gòu)2的最大應(yīng)力在焊縫中心位置，主要原因是結(jié)構(gòu)1直段存在的徑向拉應(yīng)力緩解了焊縫處的彎曲變形，同時(shí)由于徑向拉力的存在使得最大應(yīng)力的位置偏向與筒體端部連接處；而結(jié)構(gòu)2的焊接接頭所承受的應(yīng)力相對(duì)較大，且主要是彎曲應(yīng)力，其最大應(yīng)力的位置在焊縫內(nèi)部。

圖17 結(jié)構(gòu)1焊縫處應(yīng)力

圖18 結(jié)構(gòu)2焊縫處的應(yīng)力

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的焊接接頭進(jìn)行應(yīng)力線性化，線性化路徑見圖19，線性化路徑數(shù)據(jù)見表3。

圖19 焊接接頭線性化路徑

注：PL為一次局部薄膜應(yīng)力；Pb為一次彎曲應(yīng)力；Q 為 二次應(yīng)力；Sm為材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力強(qiáng)度。

由表3可以看出，結(jié)構(gòu)1中焊接接頭的應(yīng)力水平明顯低于結(jié)構(gòu)2。按照J(rèn)B4732-95(2005確認(rèn))對(duì)線性化結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，許用應(yīng)力強(qiáng)度參照HG/T 20580-2011中焊接接頭確定為0.49Sm，局部薄膜應(yīng)力(PL)應(yīng)不大于1.5×0.49Sm，一次應(yīng)力加二次應(yīng)力(PL+Pb+Q)應(yīng)不大于3.0×0.49Sm，以上結(jié)構(gòu)能滿足要求。在設(shè)計(jì)中如果采用結(jié)構(gòu)2的隔膜墊片，焊接接頭的要求更高。

5 結(jié)語

本文對(duì)適用于小直徑、高壓、非高溫的隔膜密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

(1)結(jié)構(gòu)1有減薄區(qū)域，墊片主要承受軸向和較大的徑向壓力；結(jié)構(gòu)2的墊片主要承受軸向的壓力。工作時(shí)，結(jié)構(gòu)1墊片與平蓋的接觸力較小，墊片與平蓋產(chǎn)生的變形小；結(jié)構(gòu)1的焊接接頭產(chǎn)生的接觸應(yīng)力較小。

(2)墊片密封面和筒體端部密封面分離，利用焊接接頭進(jìn)行密封。制造過程中對(duì)密封面無需過高的要求，但對(duì)密封焊接角接頭應(yīng)提出焊接尺寸和表面檢測(cè)要求。

(3)結(jié)構(gòu)1焊接接頭內(nèi)的最大應(yīng)力在與端部焊接的邊緣位置；結(jié)構(gòu)2焊接接頭的最大應(yīng)力在中心位置。

結(jié)構(gòu)1中焊接接頭與墊片、焊接接頭與筒體端部的接觸應(yīng)力及焊接接頭內(nèi)應(yīng)力較小，所以帶減薄的墊片結(jié)構(gòu)在本文限定場(chǎng)合下使用更合理。設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)增大螺柱、法蘭端部和平蓋的剛度，特別在平蓋較厚、螺柱較長(zhǎng)的場(chǎng)合，防止因平蓋軸向位移過大，墊片產(chǎn)生過大的彎曲變形，發(fā)生塑性變形，而使墊片失效。

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*李 魁：高級(jí)工程師。2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)化工學(xué)院化機(jī)專業(yè)獲碩士學(xué)位。一直從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。

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2017-08-17)