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高压容器顶盖密封结构的有限元分析

发布于:2018-05-06 19:04
有限元分析

       传统主螺栓或大螺纹套筒等连接方式在石油、化工、核能等工业的高压容器顶盖密封装置上应用广泛,但存在结构笨重、装拆困难等问题。针对此不足,设计开发了D形轴向抗剪螺栓连接结构,这是一种新型高压容器顶盖密封法兰连接装置。该装置能实现容器顶盖的快速装拆,同时具有结构部件制造方便、重量轻、密封可靠和适用范围广等特点。为此,就D形螺栓连接C形环高压密封装置进行结构设计及关键部件进行有限元分析,目的是为其工程应用提供理论依据。
       D形螺栓连接C形环高压密封装置如图所示。将顶盖置于端部法兰内部并平齐,在顶盖与端部法兰之间的环隙中均布“偏心”安装的D形螺栓,即D形螺栓的连接螺孔有1/4圈加工在端部法兰上,其余在顶盖上。顶盖与端部法兰之间应留有环隙,以方便C形环和压垫的安装。定位环将D形螺栓固定于顶盖上,其上的螺纹孔需与顶盖和端部法兰上的螺纹孔一次性定位加工。在介质内压作用下,C形环有一定的自紧密封作用,而预紧螺钉可以单独调节压紧力,从而实现密封可调。安装之前将顶盖上的所有D形螺栓调整为图所示的松开状态,然后将顶盖组件(包括顶盖、定位环固定的D形螺栓及预紧螺钉、C形环及压垫)装入端部法兰腔内,进行轴向定位和周向定位后,旋转所有D形螺栓,便可将顶盖与端部法兰连接上;拆卸时,只需将D形螺栓反向旋转,即可将顶盖组件从端部法兰内取出。从而实现容器顶盖的快速装拆。
       上述密封装置的主要受力部件有:C形环、D形螺栓、端部法兰和顶盖。C形环主要受到密封力F及压垫压紧力N作用,图所示为C形环力学模型。D形螺栓主要在两侧螺纹处受到方向相反的剪切力作用,以及底部由预紧螺钉传递的密封反力N1和由此产生的摩擦力F1。上述力的综合作用形成了螺栓的倾覆力矩,为平衡这一力矩,在两侧螺纹上作用着能形成反向力矩的正向线性分布压力。为简化力学分析,可假设D形螺栓两侧螺纹处的剪应力简化为分别作用在各自截面形心处的集中力W和Q2,D形抗剪螺栓的力学模型如图所示。端部法兰内壁螺纹受到D形螺栓传递的剪力Q和正向线性分布压力q作用,由于D形螺栓数量较多,可按轴对称问题处理,即切应力和正向分布压力沿内壁周向均布,端部法兰的力学模型如图式中DG为C形环外侧线密封接触处直径;q为线密封比压,一般取200~300N/mm;a为端部法兰密封面与垂直方向夹角;P为C形环与端部法兰密封面摩擦角;p为容器设计内压,作用在D形螺栓端部法兰侧的切应力,db为D形抗剪螺栓的公称直径;al为D形抗剪螺栓与端部法兰的螺纹实际啮合弧度,a为D形抗剪螺栓与顶盖的螺纹实际啮合弧度;Z为D形抗剪螺栓的实际啮合长度;h为D形抗剪螺栓数量。D形螺栓两侧连接处需满足的强度条件,端部法兰和顶盖与螺栓的连接,在设计温度下两侧材料的许用切应力的较小值。推荐取材料抗拉许用应力的0.577倍。由此可知,作用在端部法兰内圆周单位长度上的分布压力q的最大值是端部法兰可简化成半无限长弹性基础梁,其强度计算类似于GB150-1998《钢制压力容器》有关卡扎里密封,其危险截面位于图的a-a截面。顶盖可以是平盖,也可以是半球形等凸形封头,可按照GB150-1998的有关规定计算,C形环也有类似的选形和设计(限于篇幅不做详细讨论)。
       以上对快开式D形螺栓和C形环高压密封装置进行了结构设计,并对关键部件进行了强度分析,可以作为该装置在工程上应用的设计依据。该装置是通过结构本身的合理连接方式实现容器顶盖的快速装拆,无需借助于液压扳手等辅助工具;顶盖置于筒体端部法兰内,可以显著减小顶盖直径和厚度,使得结构整体十分紧凑,质量得以减轻;该结构的加工也很方便。因此,在化工、能源等工程中的高压和超高压容器密封装置上有很大的应用前景。


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