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        注劑式帶壓密封新型四等分夾具性能分析

        2019-04-22 03:03:56雨飛
        潤(rùn)滑與密封 2019年4期
        關(guān)鍵詞:通用型夾具法蘭

        雨飛

        (吉林化工學(xué)院 吉林省吉林市 132022)

        在國(guó)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(gè)無法避免的問題,目前我國(guó)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(guó),1920年美國(guó)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(duì)其進(jìn)行了其他行業(yè)的擴(kuò)展[3-5]。我國(guó)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(guó)化工行業(yè)中很長(zhǎng)時(shí)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(guó)家“六五計(jì)劃”期間完成了對(duì)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(guó)家重點(diǎn)70個(gè)新技術(shù)推廣項(xiàng)目之一[8-9]。據(jù)報(bào)道,在我國(guó)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益巨大[10-11]。2007年我國(guó)公布了世界上第一部國(guó)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(jì)的新理論在國(guó)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(jì)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(jì)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(shí),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(duì)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(duì)焊鋼制管法蘭泄漏作為研究對(duì)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(duì)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(gè)半圓結(jié)構(gòu)組成,夾具兩端分別有2個(gè)吊耳并用螺栓連接[13]。當(dāng)夾具套在法蘭上時(shí)會(huì)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(duì)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:?jiǎn)卧愋虲3D8R,泊松比0.3,彈性模量202 GPa;對(duì)夾具內(nèi)壁分別施加均布?jí)毫?.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(jì)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(gè)相同的1/4圓組成,每個(gè)1/4圓兩端有2個(gè)吊耳,將其組合在一起并用螺栓連接,構(gòu)成一個(gè)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí),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(dòng),當(dāng)夾具完全蓋住泄漏點(diǎn)時(shí),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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)稱峰值處,即p=6.0 MPa時(shí),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(shí),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(shí)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(shí),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(duì)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(shí),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(zhǎng)。

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