温差应力作用下焊唇密封环有限元分析计算

李玉伟

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

温差应力作用下焊唇密封环有限元分析计算

李玉伟

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

就高压容器的一种密封方法—焊唇密封环的结构以及计算方法进行阐述，并结合实际工程的设计算例，重点介绍了温差应力作用下焊唇密封环的热固耦合有限元分析计算，同时对焊唇密封环的选材、结构尺寸选取等方面做了简要介绍。

焊唇密封环；热固耦合；温差应力；有限元分析

0 引 言

焊唇密封环主要应用于，法兰连接接头不允许有微量泄露且高温、高压场合，如高真空输送或者操作介质为极度、高度危害的场合。由于其密封性能良好，目前已经在高压石化容器、电站辅机设备上广泛应用。但焊唇密封环设计时仅能按照HG20530-1992《钢制管法兰用焊唇密封环》标准，该标准使用范围有限，适用于公称压力范围：1.0～16.0 MPa；结构形式仅有平面型(FF型)以及带辅助密封垫的凹凸型(MFM型)两种。标准适用范围远远不能满足压力容器高参数、大型化的发展趋势，另高压容器管法兰密封采用的焊唇密封环结构形式多为Ω形焊唇密封环，标准中并未涉及其计算方法，只能够参照HG20530标准选型。在合成氨等大型石化装置中，由于特殊的工艺流程，焊唇密封环往往应用于有温差应力的场合，只进行强度计算，不能满足密封要求，需进行热固耦合有限元分析。

1 有限元分析算例

某大型合成氨项目中的氨合成塔合成气进口接管密封形式为焊唇密封环结构，由于该处特殊的工艺流程和内件结构，焊唇密封环连接处温差应力很大，导致此密封处应力状况恶化，严重影响密封性能，在进行设计时不能忽视此处的温差应力，应对该处进行热固耦合有限元分析，对温度场和温差应力分布进行详尽的分析、评定。

目前进行流固耦合有限元分析比较常用的分析软件是ANSYS，该软件提供的热应力计算方法主要有两种：直接法和间接法，直接法使用的是位移自由度和温度的耦合单元，同时得到结构应力分析和热分析的功能；间接法是首先要进行热分析，然后将求解到的单元节点上的温度值作为体载荷，施加到模型结构中进行有限元分析计算。间接法能够使用全部热分析功能以及结构分析功能。文中以间接法进行热固耦合分析。间接法进行热固耦合分析的主要流程：首先建立有限元模型，进行热分析，得到模型的温度场分布，然后再次进入到前处理阶段，进行热单元转到相应结构单元的转换，设定单元选项，并设置结构分析时的材料属性(包括导热系数等)以及前处理的相应细节；读入热分析得到的节点温度；进行求解；最终进入后处理。

1.1 焊唇密封环选材原则

算例中焊唇密封环材料为镍基合金UNS N06600(ALLOY 600)，选用此材料的原则：

(1)由于设备检修、维护时需要切割焊唇密封环，安装时再焊接密封，为方便设备检修和维护，焊唇密封环通常采用焊后不需要进行热处理的材料。显而易见，碳钢并不适用。所以焊唇密封环一般选用镍基合金、不锈钢等不需要做焊后热处理的材料。

(2)焊接性能良好的材料。

(3)耐腐蚀性好的材料。

(4)设备焊唇密封环处操作温度在400 ℃以上，温度较高、热膨胀差较大、温差应力也很大，从设备安全运行保证密封性能等方便考虑，设计时选用镍基合金，原因是镍基合金本的线膨胀系数与基层材料相近。

1.2 焊唇密封环结构设计

焊唇密封环中心环板厚度的选取：中心环板的厚度不是满足强度要求，而是保证密封性能，环板在内压作用下会产生一定的弹性变形，始环板完全贴合在相连零件上，此时内压通过环板传递到零件上，该工况下环板受力较小。尽管如此，并不是说隔膜板就越薄越好，过薄时会影响焊唇密封环本身的基本强度和刚度性能，容易造成制造、运输、安装时产生变形。

因此中心环板厚度可参照HG20530选取，选取15 mm为宜。

R5圆角的设置是为了避免变形时应力集中；R1、R2的取值除了满足强度要求外，刚度还要满足由于热膨胀产生的弹性变形要求，因此该处尺寸不能只按照工程经验选取，需按等效圆筒进行强度计算，当存在较大温差应力时，需进行热固耦合有限元分析。焊唇密封环具体结构尺寸如图1所示。

图1 焊唇密封环结构简图

图2 分析模型简图

1.3 有限元模型结构分析

根据这个算例氨合成塔合成气进口接管处焊唇密封环结构形式，力求施加的载荷及约束接近焊唇密封环真实受力，建立模型时选取部分筒身、底封头、B/A1/A3接管、支撑环、底部管箱及焊唇密封环，分析模型结构简图如图2所示，设备运行工况及设计工况参数详见表1和表2。

表1 设计工况

表2 操作工况

1.4 有限元模型及边界条件

根据设备整体结构特点， 建立四分之一的有限元力学模型详如图3所示，同时简化结构，减少计算量，不建裙座和内件模型，将作用在裙座上的设备轴向约束及内件重力等效施加。

在筒体上端部施加轴向约束，等效裙座的轴向约束作用，筒体高度的选取原则，避开由于筒体与底封头焊接接头不连续处产生局部应力的影响区域，同时考虑内件对设备整体受力的影响，将内件重力作用等效载荷施加在支撑环处；焊唇密封环非焊接连接处采用接触单元，进行非线性接触分析；A3法兰处螺栓载荷施加在A3法兰及A3管箱螺栓中心圆等效面上。设备有限元模型温度场加载如图4所示，具体参数见表3；机械场加载如图5所示，具体参数见表4。

图3 有限元力学模型

图4 温度载荷加载示意图

图5 机械载荷加载示意图

表3 温度场加载参数

表4 机械场加载参数

1.5 有限元分析结果

按照间接法进行热固耦合分析，首先进行热分析，按图4和表3对模型施加温度载荷，进过得到模型的温度场分布如图6所示，由于底部A3法兰温差较大，会产生较大的温度应力及变形，与其相连接的焊唇密封环必然会随着法兰产生的温差应力而发送较大变形。

进行热分析得到温度分布云图后，再次进入前处理，将热单元转换到相应的结构单元，设定相应单元选项等细节，导入热分析的结果，按图5和表4施加机械载荷，求解后得到模型热固耦合应力分布云图如图7所示，焊唇密封环应力分布云图如图8所示。

图6 温度分布云图

由图8可知焊唇密封环应力最大点位于焊唇环形圆内表面，该处因温差过大产生变形引起较大的温差应力，评定路径选取经过应力最大点的厚度最短距离，由于路径处主要是热膨胀差引起的局部应力，按应力分类的方法主要为二次应力，该路径处应力强度评定如下：

SⅣ=473.8<3Sm=3×161=483 MPa

式中：SⅣ为一次加二次应力强度， Sm为材料在操作工况下的设计应力强度；评定路径处应力分类如图9所示。

图7 热固耦合应力分布云图

图8 焊唇密封环应力分布云图

图9 应力评定路径处应力分类图

2 焊唇密封环安装要求

焊唇密密封环对Ω形环部分加工的要求非常严格，焊接安装时更为严格，需要严格保证密封环对齐，相扣紧密。

3 结束语

(1)通过以上分析可知，采用间接法进行焊唇密封环的热固耦合有限元分析，能够清晰得到焊唇密封环及相关零部件温度场分布，通过机械载荷与温度场的耦合计算，直观给出温差应力作用下焊唇密封环的应力分布云图，对焊唇密封环的合理设计意义重大。

(2)有限元分析过程中发现，通过调整焊唇密封环中R1、R2、L(如图2所示)尺寸，可以调节焊唇密封环在温差应力作用下的应力分布，提高承载能力，使设计更加合理经济。

[1] JB4732-95(2005确认), 钢制压力容器-分析设计标准[S].

[2] 余伟炜,等.ANSYS在机械与化工装备中的应用(第二版)[M]. 北京：中国水利水电出版社，2007.

[3] HG 20530-92, 钢制管法兰用焊唇密封环[S].

Finite Element Analysis for Welding Lip Seal Ring under Thermal Stress

LI Yu-wei

(Harbin Boiler Company Limited, Harbin 150046,China)

For one seal applied in high pressure vessel-welding lip seal ring, its structure and calculation were stated in this paper. Combined with practical engineering examples, focus on thermal stress under the action of welding lip seal ring thermo-solid coupling finite element analysis and calculation. At the same time the respects of material, structure size selection, etc of welding lip seal ring were briefly introduced.

Welding lip seal ring; Thermo-solid coupling; Thermal stress; Finite element analysis

2015-04-15

2015-05-10

李玉伟，男，工程师，从事压力容器常规设计、SAD压力容器的设计工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.06.004

TH49

B

1009-3230(2015)06-0018-05