硫化罐连接密封结构的可靠性分析①

武国义 廖延章 李长禧 廖东太

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.福建省三明双轮化工机械有限公司)

硫化罐连接密封结构的可靠性分析①

武国义1廖延章2李长禧1廖东太1

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.福建省三明双轮化工机械有限公司)

利用Ansys Workbench分析软件对硫化罐连接处卡箍结构进行强度分析，同时对橡胶密封圈进行变形分析，确保硫化罐连接处强度和密封性能可靠。

硫化罐 卡箍 橡胶密封圈 接触强度 变形

硫化罐是橡胶制品生产中的重要设备，橡胶在罐内一定温度和压力下硫化，因为工艺上需要频繁的开启和关闭，所以经过多年发展，其结构形式由螺栓上紧式逐渐演变为快开式。快开式结构只需通过旋转端盖与锁紧件相对角度启闭罐体，省时省力，易于通过液压系统实现自动操作。针对快开的锁紧结构又可分为两件式连接和三件式连接，本文讨论的设备选用三件式连接，通过旋转活动齿圈开启罐盖，避免了旋转罐盖和密封圈直接摩擦，从而降低密封圈的磨损。密封结构则采用自紧式密封，通过设备内压作用在密封圈上，使密封圈与上下法兰紧密接触从而达到阻止泄漏的效果。笔者通过Ansys Workbench软件对卡箍连接结构进行了强度分析和疲劳分析，对橡胶密封圈进行了变形分析，从而保证设备结构的设计合理。

1 硫化罐连接密封结构

硫化罐设计压力1.738MPa，循环载荷0.00～1.58MPa，循环次数29 200次，设计温度200℃；筒体和封头材料为Q345R，筒体法兰和活动齿圈材料为16MnII锻件；密封橡胶圈材料为邵氏硬度HA74的耐热硅橡胶；介质为水蒸气。

筒体平盖、筒体法兰与活动齿圈的连接(图1)属于非线性接触，同时设备承受循环载荷需要疲劳分析，超出常规分析范畴，故采用有限元法，按JB 4732-1995对分析结果进行应力和疲劳评定。橡胶材料的应力-应变本构关系是非线性关系，工作状态中的大变形以及与上下结构的接触都会引起结构的非线性响应，故同样采用有限元法来分析密封结构(图2)的可靠性。

图1 平盖、法兰和齿圈连接结构

图2 橡胶垫片密封结构

2 连接结构的接触强度分析

2.1 有限元分析模型

根据设备结构特点，选取1/12结构作为有限

元分析模型，Workbench默认实体单元类型选择Solid186和Solid187，接触对单元类型选择为Conta174和Targe170。模型边界条件载荷以及接触区域分别如图3、4所示。

图3 边界条件和载荷

图4 接触区域

2.2 结果分析

应力云图如图5所示，图中显示筒体平盖与齿圈接触部分的应力水平较高，其余部位应力水平低，为保证结构的合理性，应对高应力区进行线性化路径处理和疲劳分析，分析接触面表面压力大小以及查看密封结构处的变形量。

图5 应力云图

2.2.1 应力强度评定

应力强度评定分析路径如图6所示，本结构筒体平盖和齿圈接触部位没有受到径向和转角位移限制，故将此结构视为一次结构，应力评定结果见表1。本设备原有结构平盖上加12片筋板增加强度，但经过分析计算，增加筋板对分析部位应力水平影响较小，不增加筋板结构满足强度安全要求，故在设备设计中平盖上未增加筋板。

图6 应力分析路径

应力分类强度校核评定结果局部薄膜应力强度SⅡ=92．8<1．5Smt=240MPa通过一次薄膜+一次弯曲应力强度SⅢ=218<1．5Smt=240MPa通过

2.2.2 疲劳强度评定

本设备承受0～1.738MPa的脉动载荷，设计疲劳曲线采用JB 4732-95中图C-1极限抗拉强度不大于552MPa的曲线。疲劳分析结果显示结构应力最大点许用循环次数为85 735次，大于设计循环次数29 200次，疲劳强度合格。

2.2.3 最大接触压力

经过分析，筒体平盖与齿圈接触部位接触压力最大，为419MPa，所选材料的许用接触应力470MPa。实际接触压力小于材料许用接触压力，不会对材料表面造成破坏。

2.2.4 密封部位变形量

图7中A线和B线是橡胶垫片接触密封区域，平盖和下法兰的受力变形会造成密封区域的间隙增加，提取A线和B线的最大变形位移分别为0.61mm和0.18mm，故在下文中分析橡胶变形时将间隙由3mm改为4mm进行建模分析。

图7 密封接触部位A线和B线位置

3 橡胶密封圈变形分析

本设备所选密封圈结构特殊，通过计算密封橡胶的变形以及与上下法兰的接触进而优化密封槽结构。

3.1 橡胶材料的力学性能和本构关系

根据硫化罐工作环境温度和密封圈抗硫化性能要求，密封圈选用硅橡胶材料，其力学性能如下：

邵氏硬度 HA74

伸长率 680%

拉伸强度 11.5MPa

耐压缩形变 12%

摩擦系数 0.75

撕裂强度 45kN/m

使用温度范围 -100～300℃

本构模型选择Mooney-Rivlin模型：

W(I1,I2)=C10(I1-3)+C01(I2-3)

其中，W(I1,I2)为应变能密度函数，C10、C01为材料常数，I1、I2分别为应变张量的第1、第2不变量。根据文献[1]，邵氏硬度HA74的橡胶材料对应的C10和C01分别为1.099MPa和0.022MPa。

3.2 有限元分析模型

根据结构特性，视平盖和下法兰部位为刚性构件，建立二维轴对称模型(图8)，单元类型为Plane183，接触单元和目标单元分别Conta172和Targe169。载荷状况分预压缩状态和操作状态，分两步施加载荷，第1步在上构件施加沿Y轴负方向位移3mm，第2步在上构件施加沿Y轴正方向位移1mm，在橡胶件压力侧施加1.738MPa压力。接触区域如图8所示，橡胶与凹槽及上平盖接触类型选择为摩擦接触。

图8 接触区域示意图

3.3 分析结果

共进行了233次力收敛控制迭代计算，说明非线性问题的难收敛性。图9显示是预紧状态下橡胶密封圈的变形结果，图10为操作状态下橡胶密封圈的变形结果。

图9 预紧状态下密封圈变形示意图

图10 操作状态下密封圈变形示意图

3.3.1 密封失效准则

根据密封理论，实现可靠密封的充要条件是密封圈与凹槽、封盖连接界面上的接触应力不小于被密封压力，模拟得出橡胶圈与平盖接触压力最大值为1.97MPa，橡胶圈与凹槽接触压力最大值为3.26MPa，均大于工作压力(1.58MPa)，满足判定条件，密封结构可靠。

3.3.2 密封结构凹槽和间隙的优化设计

考虑到过小的上、下法兰间隙不利于硫化罐盖体的组装，应尽可能增大法兰密封间隙。但密封间隙太大会导致密封圈挤出凹槽，故综合考虑在结构设计时上、下法兰间隙选择3mm，由上文计算得知上、下法兰密封面有0.79mm的变形量，故在橡胶圈密封结构分析模型中取间隙为4mm。

考虑到凹槽边沿直角的剪切作用会影响橡胶密封圈的寿命，故对凹槽边沿进行倒角处理，倒角半径为2.5mm，模拟凹槽倒角处理后橡胶密封圈最大剪切应力值为2.71MPa，小于橡胶材料的抗剪切强度4.60MPa[2]，故不会对橡胶密封圈造成剪切破坏。

4 结束语

利用有限元方法对硫化罐连接结构强度进行分析，使结构设计更安全、合理、经济；对密封结构的分析，使研究人员对橡胶密封圈在凹槽中的变形有更直观的认识，有利于解决泄漏问题。本设备设计方案已交付用户使用，效果良好。

[1] 胡殿印，王荣桥，任全彬，等．橡胶O形圈密封结构的有限元分析[J].北京航空航天大学学报，2005，31(2):255～260.

[2] 吴广平，宋笔锋，崔卫民．O形圈剪切破坏的可靠性分析[J].机械设计与制造，2009，(8):125～127.

AnalysisofSealingStructureReliabilityforVulcanizingTankConnection

WU Guo-yi1, LIAO Yan-zhang1, LI Chang-xi1, LIAO Dong-tai1

(1.TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.; 2.FujianSanmingDouble-WheelChemicalMachineryCo.,Ltd.)

Making use of Ansys Workbench to analyze the clamp strength at vulcanizing tank connection was implemented, including deformation analysis of the rubber seal ring to ensure reliable connection strength and sealing performance.

vulcanizing tank, clamp, rubber sealing ring, contact strength, deformation

武国义(1983-)，工程师，从事压力容器设计工作，thkjwgy@126.com。

TQ051.3

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0254-6094(2017)01-0093-04

2016-01-28，

2016-12-26)