钢制安全壳用大直径法兰及密封的设计

舒正谊　周新蓉　吴晨晖　蔡孟雷

摘 要：换料大直径法兰的结构形式和密封形式是急需探讨的问题。为确保安全壳内发生严重事故时内压要求，应按照ASME相关要求对安全壳法兰和密封垫片进行设计，并进行有限元校核。

关键词：大直径法兰；密封；金属石墨复合垫片

中图分类号：TH49；TB42 文献标识码：A

Abstract： The structural and sealed type for the large-diameter flange is a problem which needs to be solved urgently， to insuring the containment vessel can bear the inner pressure when it encounters severity accident， the designing of flange and gasket according to ASME and checking through finite element method is needed.

Keywords：large-diameter flange；seal；metal graphite composite gasket

0.概述

钢制安全壳顶部封头处设置了一个反应堆换料的通道，为了确保内部核设备发生严重事故时能承受内压要求，围栏与大直径法兰对焊焊接，法兰与法兰盖之间加金属石墨复合密封垫片采用双头螺柱连接紧固。

1.安全壳法兰与垫片的设计输入

1.1安全壳法兰与垫片的结构形式

安全壳法兰和密封垫片按照《ASME BPVC-Ⅲ 第1册附录》强制性附录Ⅺ进行设计计算。安全壳法兰和密封垫片结构形式如图1所示。

1.2设计参数

2.法兰强度计算

2.1基本几何参数

2.2主要材料性能

2.3法兰尺寸及符号说明

按照《ASME BPVC-Ⅲ 第1册附录》强制性附录Ⅺ法兰部分要求进行法兰强度计算和刚度校核。符号说明来自于《ASME BPVC-Ⅲ 第1册附录》强制性附录Ⅺ。

2.4垫片设计

垫片选取金属石墨复合垫片。垫片系数m=3，最小设计密封应力y=69MPa，垫片宽度为50mm，b0=25mm，b=12.5mm，G=D外-2b=4200-2×12.5=4175mm。

2.5螺栓设计

螺栓数量及规格根据《ASME BPVC-Ⅲ 第1册附录》强制性附录Ⅺ要求，取螺栓规格M56，螺栓数量n=60，根据螺栓最大间距来确定。

2.6法兰应力校核

4.ANSYS应力校核

4.1建立有限元模型

利用ANSYS17.0，依据图1的法兰尺寸建立有限元模型。由于法兰接头是对称结构，为减少计算工作量，取其1/4建立有限元模型进行分析。

4.2单元类型选择

安全壳顶盖及法兰设计中涉及的材料有两种：SA-738 B级钢和金属石墨复合垫片。在有限元模拟中，采用solid185单元模拟安全壳顶盖、螺栓及法兰材料，采用INTER195单元模拟垫片材料。

模型中需设置螺母与安全壳顶盖及法兰的接触、安全壳顶盖与垫片的接触、法兰与垫片的接触，均采用面-面接触单元TARGE170、CONTA174来描述，接触面的摩擦系数取为0.2。螺栓预紧情况的模拟采用PRETS179单元实现。

4.3材料特性定义

安全壳顶盖及法兰螺栓材料假设为线弹性，其材料属性见表4。

垫片的材料为非线性材料，其闭合曲线依据文献[2]中的拟合曲线模拟。

4.4边界条件设置及载荷施加

在对称面上施加面对称约束。在法兰底面施加刚性约束。法兰接头有预紧和施加内压两种工况，先给螺栓施加预紧力，均分到每个螺栓上。然后锁定预紧力，施加0.9MPa的内压，内压施加在安全壳顶盖底面以及法兰的内侧面上。

4.5计算结果

对计算结果的评定依据ASME规范中的分析法设计，一次应力的限制为1.5S=277.2 MPa，二次应力的限制为3S=554.4 MPa。

图2是施加内压后法兰的位移变形图，最大位移发生顶盖法兰内圈上，大约为1.8mm，由内向外呈逐渐减小的趋势。法兰外圈也有约0.3mm的位移，这是由于预紧力的作用使得上下法兰有靠拢的趋势。

从图4中可看出，最大應力发生在螺栓杆上，在预紧工况时，螺栓就已承受拉应力，在施加内压后内侧的螺栓杆上承受的弯曲应力增大，最大应力为283MPa，满足ASME规范中二次应力限制要求。

图5是操作工况下的垫片的法向应力分布图，应力中的负号代表压应力，最大应力为15.9MPa，该应力发生在垫片外圈处，越往内侧，应力越小，垫片宽度范围内大部分区域符合标准规定的最小压紧力要求。

结论

通过有限元分析对ASME规范中理论计算进行验证，法兰强度和刚度满足要求，可见ASME规范中理论计算是可靠的，也是偏安全的。

大直径法兰垫片的密封性需通过有限元校核，得出压紧力数值和实际有效宽度，以便于后期密封的冗余设计和加强。

参考文献

[1] ASME B&PVC规范， 第III卷， 第1册[S].强制性附录XI，2015.

[2]顾伯勤，时黎霞，陆晓峰.不锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能研究[J].石油机械，2000，28（2）：13-16.endprint