高压自紧式卡箍密封结构强度与密封机制分析

2019-11-14黄贤滨单广斌

安全、健康和环境 2019年10期

黄贤滨，单广斌，邱枫，徐志

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 2660712.成都植源机械科技有限公司，四川成都 610000)

0 前言

法兰是石化设备常用的连接方式，通过螺栓加载，使垫片材料变形以实现密封。法兰承压后，内压会导致密封面沿连接中心线方向松弛，高温环境中，连接螺栓受热将发生松弛，降低法兰面密封性，同时法兰连接两端的热膨胀和起伏不定的周期载荷都会造成法兰面之间移动，影响法兰密封性能，使法兰的完整性受损，因此很难杜绝法兰面跑、冒、滴、漏等现象的发生[1]。随着国家环保要求的提高，挥发性有机物泄漏成为大气环境治理热点，传统法兰结构已越来越难以满足安全环保对密封结构和密封性能的要求[2]。

卡箍是一种替代法兰的连接方式，由2个高颈环和2个半圆卡箍组成，与法兰连接相比，具备重量轻，安装空间小，密封安装简便等特点[3]。卡箍密封结构的密封试验和实际应用表明，参照ASME VIII DII.1[4]、EN1591[5]、GB150[6]等标准设计的卡箍密封结构，可以承受更高的载荷，密封效果也远比法兰结构更为可靠[7]。传统卡箍密封面位于2个连接端面之间，密封结构与法兰并无本质区别，无法在高温高压系统应用。为此利用卡箍在结构紧固和双锥密封在轴向密封的特点，出现了高压自紧式卡箍密封结构，在国内外石化装置上得到了广泛应用。由于其密封结构受力情况复杂，密封过程呈非线性变化，采用解析法结构强度分析需要将卡箍结构简化成解析方程可以求解的理想模型，使得分析结果过于保守，无法得到各部位应力状况，难以明晰密封机制，无法对其安全使用提供指导。

1 高压卡箍密封结构受力分析

为克服卡箍结构和法兰结构的缺点，高压自紧式卡箍密封结构由3部分组成：密封环a、卡箍c、两个对焊接头b，见图1～图3。

图1 高压卡箍密封结构组成

图2 卡箍结构

图3 密封环结构

高压卡箍密封结构，密封环采用与管子相同材质，与对焊接头形成金属密封，T形截面密封环置于两个连接端面之间，采用预紧螺栓拉紧上下两个夹环型卡箍，将螺栓预紧力转化为压紧密封环与连接端面的轴向力F，使连接端面与密封环形成初接触(“就位”)；继续加大螺栓预紧力，使连接端面与密封环产生适当接触力F1，形成初密封(“预紧”)；承压后，内压P作用在密封环内表面，进一步压紧密封环，形成自紧，如图4所示。

2 有限元分析

高压自紧式卡箍密封结构受力情况复杂，自紧密封过程呈非线性变化，同时在密封过程中，材料也可能会发生一定塑性变形，难以采用解析法进行结构强度分析。为此，针对公称直径150 mm的高压自紧式卡箍密封结构，采用有限元分析软件ANSYS，建立力学模型，对其结构进行强度分析[8]。

图4 高压卡箍密封结构受力分析

2.1 实体模型

对焊接头内侧设计为一定长度的15°圆锥面。密封环设计为T形截面形式，T形两臂为唇形结构，与对焊接头内表面形成唇边密封，构成自紧密封，使得密封环有自由弹性变形余量，降低密封环和对焊接头密封面损伤的可能性；T形支腿夹持在两个连接端面中间，构成高压自紧式卡箍密封结构的二次密封。卡箍与对焊接头传力面由传统卡箍的110°增大到115°，降低卡箍内转角部位的应力；卡箍中央增加泄荷槽，降低卡箍刚性，使卡箍受力协调、均匀。

2.2 有限元模型

建立有限元模型时，着重模拟结构的接触状态，接触对的建立是高压卡箍密封结构接触分析的重要环节。高压卡箍密封的过程是密封环与管接头以及卡箍与管接头逐渐接触并紧密贴合的高度非线性过程，接触区域随着载荷、材料、边界条件变化，同时还存在接触面间的摩擦作用。根据结构特点，结构存在两个接触面，一个是密封环与管接头的接触面，另一个是管接头与卡箍的接触面。初始状态下，接触面为密切的协调接触，接触面间无间隙。加载时由于卡箍与管接头之间的接触面以及管接头与密封环之间的接触面存在粘连和相对滑动，同时管接头因卡箍承受压紧力作用发生位移，属于带摩擦的面面接触问题，创建两个接触对，即卡箍体与管接头的接触、管接头与密封环的接触，采用非对称接触算法，并对接触表面采用标准法向单边接触[10]。因此采用ANSYS软件中的3D面面接触单元TARGE170、CONTECT172单元建立接触对。主体部分考虑材料塑性，采用8节点实体元SOLID45。有限元模型如图5所示。模型采用扫掠方式进行网格划分，同时为保证结果的精确性，对结构转角部位、接触面、密封环等部位的单元进行加密，实体单元和接触单元共划分了21 488个节点，45 765个单元。

图5 有限元模型

2.3 边界条件

由于分析模型具有广义轴对称特点，设定了位移边界条件和力的边界条件。

a)位移边界条件。密封环和卡箍X=0处，约束密封环和卡箍X向位移，而管道对焊接头可以沿X向位移；密封环、管道对焊接头和卡箍Z=0处，约束其Z向位移，使其不能延X轴自由转动；密封环、管道对焊接头Y=0处，约束其剖面位移，而卡箍可以在螺栓预紧力作用下沿Y轴产生位移[11，12]。

b)力的边界条件。为保证结构的密封性，需施加一定预紧力，本研究中在卡箍螺栓预紧面处施加螺栓预紧力产生的均布压力1 MPa。在操作工况下高压卡箍密封结构承受内压，这里在管道对焊接头和密封环内表面施加工作压力30 MPa。

2.4 计算条件

密封环、管接头和卡箍采用316L材质，螺栓采用35CrMoA材料。各部件材料在300 ℃下的常数见表1，常温(20 ℃)下的常数见表2[13]。

表1 材料在300 ℃下的常数

表2 材料在20 ℃下的常数

对于常规密封材料，密封是依靠密封材料的塑性变形实现密封，考虑密封环塑性变形的可能性，采用双线性随动强化模型BKIN，材料应力应变关系采用计算温度下材料的拉伸试验数据。

2.5 计算结果

图6～图9是高压卡箍密封结构各部分的应力分布和位移图。图10是密封环和管接头接触面的接触压力。

图6 高压卡箍密封结构整体Mises等效应力分布

图6和图7为结构的Mises等效应力分布，可知结构最大等效应力位于密封环上，由图7(c)可知结构的最大等效应力位于密封环外侧转角处，最大值为208.572 MPa。密封环在此处几何形状突变，易产生应力集中，该区域属于高应力分布区，此区域范围很小，且应力沿密封环厚度方向衰减很快，属于峰值应力，对结构总体应力分布和变形没有显著的影响[14,15]。远离结构不连续处，管接头的应力强度为101 MPa(图7(b))，而根据第三强度理论，管接头应力强度可表示为下式：

(1)

式中：p——工作压力，MPa；

D——管接头公称直径，mm；

t——管接头壁厚，mm。

图7 高压卡箍密封结构各部件Mises等效应力分布

计算得管接头的应力强度为102.5 MPa，有限元计算值与理论值比较接近。由此表明，分析结果与理论情况相符。

图8和图9为高压卡箍密封结构的位移，最小等效位移为0.300 3 mm，最大等效位移为0.308 7 mm；管接头等效位移和等效应力的分布均存在一定的不均匀性，但由于此不均匀性可以满足密封的要求。高压卡箍密封结构各部位变形协调，最大位移位于卡箍的螺栓紧固面上，这与实际吻合。

图8 高压卡箍密封结构总体位移

图9 高压卡箍密封结构各部件位移

图10(b)为密封环与管接头接触面的接触压力，可以看出，密封环和管接头上在存在接触力明显高于其他区域的环向条带区域，管接头上的接触压力最大值为197.475 MPa，密封环接触压力最大值为316.551 MPa，远大于传统法兰结构对于实心金属平垫片和圆环垫片的密封比压，因此可以起到可靠密封。同时从图7(d)还可以开出密封环的T形支腿上也存在大于49.722 MPa的压应力，这个压力应力的存在，一方面阻止了密封环的过渡变形，另一方面也会起到二次密封作用。

图10 密封环与管接头接触面的接触压力

卡箍变形图可以看出，卡箍整体变形均匀合理；由卡箍的等效应力(Von Mises)分布云图可知卡箍的应力分布较均匀，卡箍最大等效应力位于卡箍卸荷槽根部，最大等效应力值为174 MPa<1.5[σ]t=177 MPa，因此卡箍结构强度满足工作要求。此外，高压卡箍式密封结构在生产中可通过圆角显著减小该部位的应力水平。对于紧固用螺栓，螺栓应力为σ=F/A1=66.9 MPa<[σ]t=118 MPa，可知，该螺栓的实际应力小于螺栓材料的许用应力，该螺栓在其工况下安全可靠。

3 密封试验

采用氦气，对其进行了密封试验。高压自紧式卡箍密封结构安装、清理后，抽真空至100 Pa以下，通入纯度99.9%的氦气，缓慢升压至规定试验压力的10%，保压5 min，进行泄漏检查，再继续缓慢升压至规定试验压力的50%，如无异常现象，其后按每级为规定试验压力的10%的级差逐级升压，达到规定试验压力，保压4 h后，采用氦质谱仪XL300测量其密封性，试验表明，高压自紧式卡箍密封结构单点泄漏率最大值为6×10-5Pa·m3/s，试验过程中结构无变形；采用同样试验方案，常规法兰单点泄漏率最大值为1×10-4Pa·m3/s。