双锥密封结构设计

蒲 弦

中国成达工程有限公司 成都 610041

密封结构的设计是压力容器结构设计的重要部分。通常的密封形式有强制密封，半自紧密封和自紧密封三种形式。

在低、中压压力容器中通常采用强制密封结构，如法兰连接结构，其特点是依靠上紧螺柱产生垫片预紧力，从而达到初始密封，当压力升高时，垫片能产生足够的回弹力而达到操作工况下的密封能力。在高压容器的密封结构中，通常采用半自紧式密封，如双锥密封，透镜垫密封等，其原理类似于强制密封，在预紧时，通过螺柱的预紧达到垫片的预紧载荷形成初始密封，当操作工况下的压力上升时，由于螺柱呈拉伸趋势，从而使垫片产生的轴向回弹力有减小趋势，径向方向由于压力作用，产生向外扩展趋势并紧密贴合于密封面达到更好的密封；自紧式密封，通常用于超高压设备中，如楔形垫密封结构，随着压力的升高，密封面上的压紧力随之增大，密封更为可靠。

图1 双锥密封结构

高压设备的密封结构设计中采用的双锥密封结构形式，是典型的半自紧式密封系统。双锥密封系统主要由筒体端部、双锥环垫、非金属软垫或金属软垫、压紧盖、主螺柱、螺母组成，见图1。

按新修订的GB 150-2011标准，双锥密封可适用的温度范围0～400℃,压力为6.4MPa～35MPa,直径为400mm～3200mm。相比GB150-98版，直径范围上限由2000mm变为3200mm，并对影响密封性能的径向间隙g值的调整为(0.1%～0.075%)D1。对于0℃以下的操作工况可以参照标准进行设计。常规设计时，双锥密封系统的设计主要分为双锥密封结构尺寸的设计和主螺柱的设计。其中密封结构尺寸包括双锥环尺寸，端部及压盖结构尺寸的设计；主螺柱设计包含螺柱强度设计和满足液压上紧装置的设计。随着设备的大型化，简单的理论公式已不能完全满足设计的需要，因此对于大型化的设备结构，如大型的双锥密封结构等，通常采用有限元应力分析设计来保证其可靠性。

以国内某项目合成氨装置中的DN2400氨合成塔为例，阐述采用有限元应力分析方法进行双锥环密封系统的设计过程，为后续按有限元方应力分析方法和采用MSC.Patran & Nastran软件进行双锥密封结构设计以及非线性接触问题分析提供参考。

本设备为采用我公司专有技术的氨合成塔外壳，设计参数见表1。

表1 设计参数

1 结构尺寸参数的确定

(1)密封结构尺寸的设计可按GB150标准中相应计算公式计算并圆整取值见上图1，即双锥环尺寸A=120mm,B=50mm,C=85mm,锥角按标准角度30°。根据标准，本设备密封结构尺寸也可以直接按标准选取尺寸参数。

(2)双锥环与平盖圆柱面之间的径向间隙g的选取:g值按标准取值范围为(0.1%～0.075%)D1,计算后圆整取值为g=2mm。

(3)设备主螺柱的确定包括下述几个方面：规格、数量、中心圆直径。其中规格及数量根据强度计算确定，按预紧工况和操作工况分别计算出预紧载荷和操作载荷，并取其中较大载荷计算出需要的螺柱数量和规格大小，本设备经初步计算需要44个M105X4的主螺柱：

预紧工况载荷按公式计算：

(1)

本文所有公式中符号含义按GB 150。

操作工况载荷按公式计算:

Wp=F+Fp+Fc

(2)

上述预紧工况的螺柱载荷需要同时符合下述要求，使螺柱产生足够的压紧力达到初始密封要求，并应有足够的压紧力能消除双锥环内圆柱面与平盖柱面之间的径向间隙g。消除径向间隙所需载荷可按Hook定律以及下述公式计算:

所需径向压缩力:

(3)

从而使双锥环向外膨胀消除径向间隙的螺柱载荷为：

(4)

通常情况下按式(1)中预紧工况下的计算所得的预紧力较大，故标准中直接采用此公式作为预紧力的载荷计算。

在压力容器中超过M48的螺栓或螺柱一般需要采用液压拉伸器，并按合适液压上紧程序进行预紧和紧固。因此主螺柱的中心圆直径的确定还应配合所选用的液压拉伸器所需的最小上紧空间的结构尺寸。该参数可按HG/T 21573.1-95标准选用合适的液压拉伸器型号以及与之相匹配的相邻螺柱中心最小间距参数。

(4)平盖以及筒体端部的结构尺寸按理论公式计算出相应的厚度，端部结构尺寸确定时应考虑设备主螺柱旋入的螺纹孔。平盖的初步厚度计算公式：

在计算厚度基础上根据双锥密封面结构参数和厚度附加量确定取用的名义厚度。

2 分析模型的建立

根据确定的密封尺寸和设备结构的对称性，分别取平盖、双锥环、部分筒体及端部、主螺柱、螺母建立1/44三维实体模型。模型中筒体的长度按圣维南原理，取超过边缘应力衰减范围的长度即可。其中的软垫片近似认为与双锥环为一体，对分析的结构影响可以忽略。建立双锥密封系统的有限元模型见图2。

图2 双锥密封系统的有限元局部接触模型

本模型采用MSC.Patran建立，分析坐标系采用柱坐标系；并采用MSC.Nastran提供的Hex8实体单元将几何模型离散化为有限元模型。本双锥密封系统模型为典型的非线性接触分析模型，因此在各个接触体相互接触面的网格划分应做特殊的细化处理，否则在模型的解算过程中不易得到收敛的结果。模型的单元细化见图3。

图3 模型的力边界，位移边界条件

3 模型边界条件的建立

有限元模型的边界条件分为位移边界条件、力边界条件、温度载荷边界条件几个部分。

3.1 位移边界

本模型位移边界条件按结构的轴对称性，以及柱坐标系统的特性，约束模型轴向位移为0，且水平面内的偏转角度为0，即筒体下部端面固定，同时在水平截面内无偏转；限定两个径向截面的偏转角度为0，即在径向的垂直截面在垂直方向无偏转。

3.2 力边界

按设备的操作及设计条件和模型的结构特点，力边界条件分为以下几个部分：内压力均布载荷、螺柱预紧的集中载荷、接触对边界条件。内压力载荷施加于内压作用面内，螺柱预紧载荷采用MSC.Patran软件提供的螺栓预紧载荷程序BoltPreload以及多点约束MPC进行施加，以达到计算的精确性；接触边界条件的定义分为两个部分，即先定义各个接触体为变形体，再采用MSC.Patran软件提供的“接触对”设定表进行“接触对”的定义。

上述载荷在施加时应注意矢量的方向性，以免产生错误的结果。采用“接触对”设定表进行定义时，最好先对各个接触体进行编号。由于本模型各接触体均为弹性接触体,同时应输入各接触体之间的摩擦系数。

3.3 温度载荷边界

本模型未考虑温度的交变及热应力分析，故无温度边界条件。

上述边界条件的施加见图3。

4 材料特性

通常静力学分析中，所需材料的主要特性有弹性模量以及泊松比。分别赋予材料在设计温度下的弹性模量E和泊松比μ。

5 工况定义

本设备的分析工况为：预紧工况、设计工况、操作工况、耐压试验工况。在工况定义中对各个工况下的位移边界条件和力边界条件进行组合形成各个计算工况。

6 分析求解

由于有限元模型为非线性的接触模型，在MSC.Patran中应进行相应的Nastran解算器的设置，本解算器选用隐式非线性求解器SOL600。接触问题是一个动态的过程，但按静力学来分析处理，属于模态分析。由此在解算器的设置中尤其应注意相关参数的合理取值，比如小变形理论、合理的时间步长、迭代形式、接触容限、收敛准则等参数。通常按MSC程序的自适应时间步长设置，能够获得收敛的计算结果。但是如果其他相关参数设置的不合理将导致自适应时间步长较小，从而迭代的次数增加，使计算的时间大为增加。因此非线性问题的求解中参数的选取非常重要。

7 分析结果处理

通用的有限元软件一般都有前后处理器，比如在前处理器中进行几何模型的建立，有限元单元的划分，边界条件的施加，材料属性的赋予以及载荷工况的组合；而后处理器则是专门用于处理分析的结果，如计算出来的节点位移、节点力、单元应力的提取和显示、等值线的绘制、应力云图的显示、位移变形图的显示等。图4为部分工况的计算后的应力云图以及变形图(时间步为Time=1.0)。可以直观地显示模型各个部位的应力分布状态以及变形情况，也能显示出结构的危险部位。

应分析结果中最重要的部分为应力线性化处理和应力评定。通过MSC.Patran软件中二次开发的ASME线性化处理程序，按线性化处理路径Curve线，依照JB 4732标准的Tresca准则提取出各个危险截面的应力值。

图4部分工况的计算后的应力云图以及变形图

8 应力评定

在线性化处理的结果中，得到各截面的一次总体薄膜应力Pm或局部薄膜应力PL，一次弯曲应力Pb，二次应力Q，峰值应力F。应力评定准则按JB 4732的规定进行，本设备由于无疲劳操作工况，因此仅进行静强度的应力评定，即限定SⅠ≤1.0KSm,SⅡ≤1.5KSm,SⅢ≤1.5KSm,SⅣ≤3.0Sm。

通过各工况的有限元接触分析，所选取的危险截面的应力值按JB 4732应力评定准则，符合设计要求。

9 结语

该设备应力分析的结果表明，双锥密封系统中当内压达到设计压力时，双锥环接触面产生局部屈服，但绝大部分区域仍处于弹性变形范围内，因此局部的屈服引起的塑性变形对双锥环的回弹能力影响不大。尽管如此设计时仍应控制双锥环本身的应力水平，使其保持在弹性变形的范围内，并具有整体回弹能力，以保证其密封性能。双锥环密封的径向间隙以及自紧系数对其密封性能有较大影响，选取时应予重视。本设备在装置中运行稳定，同时也验证了此双锥密封系统的密封性能是符合设计要求的。

参 考 文 献

1 GB 150-2011，压力容器 [S].北京，中国国家标准化管理委员会，2011.

2 JB 4732-95 ，钢制压力容器-分析设计标准 [S].北京，中国国家标准化管理委员会，1995.

3 张 永等.大型氨合成塔双锥密封过程的数值模拟 [J].中氮肥，2006，(5):9-11.