注剂式带压密封新型四等分夹具性能分析

雨飞

(吉林化工学院 吉林省吉林市 132022)

在国内外石油化工等行业的运行过程中，管道泄漏一直是一个无法避免的问题，目前我国解决管道泄漏应用广泛的技术是注剂式带压密封技术[1-2]。注剂式带压密封技术最早起源于美国，1920年美国人克莱·弗曼在纽波特的造船厂开发了在管道带压下泄漏密封的方法，并对其进行了其他行业的扩展[3-5]。我国带压密封技术始于20世纪50年代，是利用带压补焊处理钢铁行业中的承压设备泄漏[6]。但是，注剂式带压密封技术在我国化工行业中很长时间都是严禁使用的，直到20世纪80年代初该技术才得到开发与应用[7]，并在国家“六五计划”期间完成了对带压密封技术的模仿到技术创新的发展之路，随后被列入了1986—1990年国家重点70个新技术推广项目之一[8-9]。据报道，在我国该项技术已成功消除各类泄漏达50多万起，挽回经济损失共达600多亿元，社会和经济效益巨大[10-11]。2007年我国公布了世界上第一部国家行业标准HG/T20201-2007《带压密封技术规范》，其中夹具设计的新理论在国际上处于先进水平[12]。

随着科学技术的不断发展，石油化工行业出现各种大管径管道以及高压力、高温度的介质运输，致使带压密封的夹具设计具有一定的难度。通用型夹具是二分体结构，在大管径、高压力的工况下，制造出特大的二分体夹具非常困难，消耗的费用也大大增加。因此，本文作者提出一种四分体夹具结构设计方法，将夹具从二分体结构转变为四分体结构，在相同的工况下，既减小了夹具制造的难度和成本，又增加了夹具的承压能力。同时，运用ABAQUS有限元软件，分析了通用型夹具和新型四等分夹具在不同压力下的力学性能，研究结果对注剂式带压密封技术的推广应用具有重要的意义。

1 模型及材料参数

以突面对焊钢制管法兰泄漏作为研究对象，取中压饱和蒸汽，其操作压力分别为3.0、5.0、6.0 MPa。突面对焊钢制管法兰结构如图1所示。通用型夹具、新型四等分夹具及法兰材料参数见表1。

图1 钢制管法兰结构尺寸

元件通用型夹具四等分夹具螺栓材料种类12Cr2Mo12Cr2Mo35CrMoA弹性模量E/GPa202202210泊松比0.30.30.285温度t/℃200200200屈服强度σs/MPa280280735抗拉强度σb/MPa450450835许用应力[σ]/MPa147147179

2 夹具模型及有限元分析

2.1 通用型夹具有限元模型

通用型带压密封夹具是二分体结构，由2个半圆结构组成，夹具两端分别有2个吊耳并用螺栓连接[13]。当夹具套在法兰上时会受到一定的内压力，夹具受到的内压力可看成是均匀分布状态。通用型夹具有限元模型如图2所示。

图2 通用型夹具有限元模型

2.2 通用型夹具有限元分析

将通用型夹具模型进行ABAQUS有限元分析，并对其进行赋予材料、设置参数、网格划分、施加约束力等操作。设置参数如下：单元类型C3D8R,泊松比0.3，弹性模量202 GPa；对夹具内壁分别施加均布压力3.0、5.0、6.0 MPa，施加底端固支约束。分析得到的通用型夹具不同压力作用下的周向拉应力、螺栓拉应力、夹具形变位移分别如图3—5所示。

图3 不同压力作用下通用型夹具周向拉应力

图4 不同压力作用下通用型夹具螺栓拉应力

图5 不同压力作用下通用型夹具形变位移

2.3 新型四等分夹具设计及有限元模型

新型四等分夹具结构是四分体结构，由4个相同的1/4圆组成，每个1/4圆两端有2个吊耳，将其组合在一起并用螺栓连接，构成一个整体结构[14]。

文中以泄漏管道外径为105 mm，泄漏孔径为3 mm为例进行分析。由图1所示结构可知，法兰副的连接间隙为2f加上垫片厚度，查GB/T 9115-2010知连接间隙b=7 mm。

夹具厚度计算公式为

(1)

式中：S为夹具壁厚，mm；D为泄漏法兰的外径，mm；p为夹具设计压力，MPa；b为法兰副连接间隙，mm；B为夹具宽度，mm；[σ]t为泄漏介质温度下夹具材料的许用应力，MPa[7]。

由式(1)计算可得夹具厚度S=9.015 mm。结合实际工厂应用，取夹具厚度S=14 mm；根据夹具设计要求，夹具宽度B=b+(12～25) mm，则可取夹具的宽度B=37 mm；密封空腔的宽度应超过实际泄漏尺寸的20～40 mm，密封空腔的高度应在6～15 mm之间[15]。文中以泄漏孔为3 mm为例，结合实际工厂应用，可取密封空腔宽度为24 mm，高度为8 mm。

在泄漏发生时，根据管道泄漏介质的不同，选取相应的密封胶垫，并用强力黏合剂将其与内壁凹槽黏合。将管道泄漏处周围清理干净，在泄漏点旁管道上用螺栓将密封夹具初步连接成型并微紧，慢慢向泄漏点移动，当夹具完全盖住泄漏点时，将螺栓全部夹紧，止住泄漏。新型四等分夹具有限元模型如图6所示。

图6 新型四等分夹具有限元模型

2.4 新型四等分夹具有限元分析

将新型四等分夹具进行ABAQUS有限元分析，对其施加与通用型夹具相同的工况条件。分析得到的新型四等分夹具不同压力作用下的周向拉应力、螺栓拉应力、夹具形变位移分别图7—9所示。

图7 不同压力作用下新型四等分夹具周向拉应力

图8 不同压力作用下新型四等分夹具螺栓拉应力

图9 不同压力作用下新型四等分夹具形变位移

3 两种夹具性能比较

从图3可知：通用型夹具所受的拉应力，两端以中间为轴成中心对称分布，最大拉应力出现在两端峰值处；周向拉应力随着压力增大而增大，当p=6.0 MPa时最大周向拉应力值为87.50 MPa。从图4可知：螺栓受到较大的拉应力作用，产生局部应力集中；随着压力的增大，应力集中越明显，当p=6.0 MPa时最大拉应力值达到166.52 MPa。从图5可知：夹具的形变位移随着压力的增大而增大，而且两端形变大于中间部分，最大位移值出现在两端对称峰值处，即p=6.0 MPa时，达到最大位移值4.678×10-2mm。

从图7可以看出：新型四等分夹具所受周向拉应力中间位置大于两边，最大拉应力在夹具最中间峰值位置；当p=6.0 MPa时，周向最大拉应力为58.99 MPa。从图8可知：螺栓受到拉应力先缓慢增加又缓慢减小，随后迅速增加到最大值并趋于平稳状态；随着压力的增大曲线的峰值也随之变大，当p=6.0 MPa时螺栓最大拉应力值达到63.54 MPa。从图9可以看出：新型夹具形变位移最大值在夹具中间，形变位移随着压力的增大而增大，当p=6.0 MPa时，达到最大位移值4.381×10-2mm。不同压力作用下夹具性能分析结果如表2所示。

表2 不同压力下夹具力学性能对比

从表2可以清楚地看出：在相同工况下，新型四等分夹具螺栓所受拉应力远小于通用型夹具，夹具所受拉应力明显小于通用型夹具，而两夹具在形变位移上几乎相等。如当p=6 MPa时，新型四等分夹具螺栓最大拉应力值为通用型夹具的38.16%，夹具周向最大拉应力值为通用型夹具的66.97%，形变位移为通用型夹具的93.65%。因此，新型的四等分夹具在承压能力、应力集中、形变位移等方面都优于通用型夹具，在螺栓许用应力允许的范围内，新型四等分夹具能承受更高的压力作用。

4 结论

在相同工况下，新型四等分夹具螺栓所受拉应力远小于通用型夹具，所受拉应力明显小于通用型夹具，夹具形变位移也稍低于通用型夹具。因而新型的四等分夹具在承压能力、应力集中等方面都优于通用型夹具，在螺栓许用应力允许的范围内，新型四等分夹具能承受更高的压力作用，使用寿命也更长。