耐壓試驗筒快開蓋結構的剛度分析

劉 剛，羅友高，曾 嶸，蔡天舒

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

在海洋深潛、石油勘探開發等領域，設備和儀器需在液面以下數百米甚至數千米工作，這就要求此類設備和儀器具備承受相應外壓并在該壓力下可靠密封的能力。要保證承壓能力和密封能力，一方面需在設計時進行全面的強度和剛度計算，另一方面需在模擬水深的試驗裝置中進行試驗驗證。

耐壓試驗筒就是用于檢驗此類設備和儀器的耐壓性能及密封性能的基礎性試驗設備，配套與之對應的管路系統和電氣控制系統，可根據需要模擬出不同的水深環境。耐壓試驗筒實質是一種壓力容器，其由專用鋼材構成壓力邊界，內部形成試驗空間，通常利用水或者空氣的可壓縮性來建立需要的壓力。

為方便試驗件的裝入和取出，耐壓試驗筒在試驗件的進出口多采用快開蓋結構，卡箍結構就是一種常用的快開蓋結構。目前，卡箍結構的設計主要遵循GB150《鋼制壓力容器》的相關規定。

GB150《鋼制壓力容器》附錄G7從強度校核的角度對標準卡箍結構的設計方法進行了詳細規定，在工程中得到了較為廣泛的應用。但是該設計方法中沒有提及卡箍剛度的計算方法，而卡箍剛度不足會降低壓力試驗筒的密封可靠性甚至導致密封失效。因此，在進行卡箍結構的設計時，特別是當卡箍結構的設計參數較高時，有必要考慮其剛度是否足夠。

本文利用有限元分析軟件對某個高參數耐壓試驗筒的卡箍快開蓋結構進行了有限元分析，選取與密封性能相關的參數作為衡量卡箍剛度的指標對其剛度進行了定量分析，并以此為基礎討論了卡箍各尺寸參數對其剛度的影響。

1 耐壓試驗筒快開蓋結構實例

圖1所示為某耐壓試驗筒的結構簡圖，其快開蓋結構主要由上法蘭、下法蘭、卡箍組成，上法蘭與上封頭相焊，下法蘭與筒體相焊，上、下法蘭之間通過橡膠O形圈實現密封。卡箍為分瓣結構，各瓣卡箍可沿徑向運動以實現上法蘭與下法蘭的貼合和分離，緊固螺栓起到收緊各瓣卡箍的作用。

該卡箍結構的具體參數為:設計壓力12 MPa，設計溫度50℃，筒體內直徑3200 mm;上封頭為球形封頭，選用Q345R鋼板制造，名義厚度90 mm;筒體選用13MnNiMoR鋼板制造，名義厚度120 mm;上、下法蘭選用20MnMoNb鍛件制造，其結構形式和尺寸數值基本一致，見圖2;卡箍選用20MnMo鍛件制造，其各主要尺寸數值見圖3，法蘭與卡箍之間的接觸角取5°。

在進行該卡箍結構的設計時按照GB150附錄G7規定的設計方法進行了強度校核，強度校核結果見表1，可以看出該卡箍結構的設計是滿足強度校核條件的，且留有一定的強度裕量。

圖3 卡箍的主要尺寸數值Fig.3 Main dimensions of clamp

表1 卡箍結構的強度校核結果Tab.1 Strength check result of clamp structure

2 快開蓋結構實例的有限元分析

2.1 簡化處理

為便于分析，建模時作如下簡化處理:

1)不考慮卡箍和法蘭上的圓角、倒角等細部結構;

2)不考慮下法蘭上的O形圈密封槽;

3)將卡箍作為1個整圓來考慮;

5)不考慮各個半卡箍上的連接板、吊耳、加強筋等工藝性結構。

簡化1)～4)基本不會對卡箍結構的剛度產生影響，簡化5)則會適當減小卡箍結構的剛度，使剛度計算偏于安全。

2.2 模型的建立

根據上述簡化，并結合本壓力試驗筒實例幾何形狀和載荷的對稱性，建立如圖4所示的二維有限元模型。

圖4 有限元分析模型Fig.4 Finite elenent analysis model

上封頭、法蘭、卡箍及筒體選用PLANE182二維平面單元劃分網格，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3;上、下法蘭之間及上、下法蘭與卡箍之間的接觸面采用TARGE169、CONTA172接觸單元模擬接觸，接觸面相對滑動摩擦系數取0.15。

在筒身的截斷端施加軸向固定約束，整個內表面及密封圈以內的接觸面上施加壓力載荷。

2.3 有限元分析結果

求解完成后，提取分析結果中的軸向位移如圖5所示。可以看出，在內部介質壓力的作用下，上、下法蘭接觸面之間出現了較大間隙。

圖5 有限元分析結果Fig.5 Finite element analysis result

由于相關資料上未對卡箍的剛度進行定義，考慮到剛度主要影響密封性能，故本文提取法蘭內徑處的間隙Δ1、法蘭外徑處的間隙Δ2及法蘭的張角θ作為卡箍結構剛度的定量分析指標。在上述設計實例中，Δ1=3.09 mm，Δ2=0.28 mm，計算得出 θ=0.488°，按此計算上、下法蘭在密封圈外側處的間隙為2.66 mm，該間隙較大，將對密封造成相當不利的影響，很可能會造成密封失效。

由此可見，對于高參數的卡箍快開蓋結構，僅按GB150附錄G7進行強度設計是不夠的，還需通過有限元分析的方法對其剛度進行計算，判斷其密封可靠性。

3 快開蓋結構各參數對其剛度的影響

以下將在前面所述實例的基礎上通過改變部分參數的具體數值來分析各參數對卡箍快開蓋結構剛度的影響。

3.1 上封頭的結構形式對剛度的影響

大直徑容器常用球形封頭和橢圓形封頭，不考慮封頭的應力水平，在球形封頭和橢圓形封頭壁厚相同(均為90 mm)的情況下，卡箍結構剛度的有限元計算結果見表2。

表2 不同結構形式的封頭對應的剛度Tab.2 Stiffness related to heads with different

表2的數據表明，與選用球形封頭相比，選用橢圓形封頭時法蘭內徑處的間隙Δ1減小了0.3 mm(9.7%)，法蘭外徑處的間隙 Δ2增加了0.024 mm(8.5%)，法蘭的張角 θ減小了約0.057°(11.7%)，卡箍結構的剛度有所提高。這是由于橢圓封頭在受內壓作用時，封頭底部承受壓應力，限制了法蘭的翻轉，從而提高了結構的剛度。

由此可見，選用橢圓形封頭可以在一定程度上提高卡箍結構的剛度。另外，在封頭應力水平一致的情況下，橢圓形封頭比球形封頭更厚，這也會在一定程度上提高卡箍結構的剛度。

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3.2 卡箍的軸向厚度和徑向厚度對剛度的影響

上述實例中，卡箍的軸向厚度是指如圖3所示的b-b截面的厚度，設計值為205 mm;徑向厚度是指如圖3所示的a-a截面的厚度，設計值為300 mm。不考慮卡箍厚度變化對其強度的影響，將卡箍的軸向厚度由120 mm增大到400 mm，將卡箍的徑向厚度由150 mm增大到600 mm，卡箍結構剛度的有限元計算結果見圖6和圖7。

圖6所示曲線表明，隨著卡箍軸向厚度的增大，法蘭內徑處的間隙Δ1減小，法蘭外徑處的間隙Δ2減小，法蘭的張角θ基本呈增大趨勢。卡箍軸向厚度由205 mm增大到 250 mm，Δ1減小量為 0.008 mm(0.26%)，Δ2減小量為0.017 mm(6%)，θ增大量為0.001°(0.2%)。

圖7所示曲線表明，隨著卡箍徑向厚度的增大，法蘭內徑處的間隙Δ1減小，法蘭外徑處的間隙Δ2減小，法蘭的張角θ基本呈減小趨勢。卡箍軸向厚度由300 mm增大到 400 mm，Δ1減小量為 0.086 mm(2.8%)，Δ2減小量為 0.083 mm(2.7%)，θ減小量為0.001°(0.2%)。

由此可見，增大卡箍軸向厚度和徑向厚度對提高卡箍結構的剛度有一定的作用，其中徑向厚度的增大帶來剛度的提高相對更加明顯一些，但總體來講效果均不顯著。

3.3 法蘭的尺寸數值對剛度的影響

主要討論法蘭環的軸向厚度(圖2所示b-b截面的厚度)和法蘭錐頸大端厚度(圖2所示a-a截面的厚度)對卡箍結構剛度的影響。由于尺寸的關聯性，法蘭錐頸大端厚度的變化會導致卡箍徑向尺寸的變化，分析時為方便對比，卡箍直徑根據其與法蘭的配合關系進行變化，卡箍的徑向厚度保持不變。

上述設計實例中，法蘭環軸向厚度的設計值為200 mm，法蘭錐頸大端厚度的設計值為270 mm，將法蘭環軸向厚度由125 mm增大到400 mm，將法蘭錐頸大端厚度由250 mm增大到480 mm，卡箍結構剛度的有限元計算結果見圖8和圖9。

圖8所示曲線表明，隨著法蘭環軸向厚度的增大，法蘭內徑處的間隙Δ1減小，法蘭外徑處的間隙Δ2增大，法蘭的張角θ減小。法蘭環軸向厚度由200 mm增大到250 mm，Δ1減小量為0.3 mm(9.7%)，Δ2增大量為0.094 mm(33.3%)，θ減小量為0.079°(16.2%)。

圖9所示曲線表明，隨著法蘭錐頸大端厚度的增大，法蘭內徑處的間隙Δ1增大，法蘭外徑處的間隙Δ2減小，法蘭的張角θ增大。法蘭錐頸大端厚度由270 mm增大到 300 mm，Δ1增大量為 0.292 mm(9.4%)，Δ2減小量為0.01 mm(3.5%)，θ增大量為0.007°(1.4%)。

由此可見，增大法蘭環的軸向厚度對于提高卡箍結構的剛度有相對較為明顯的作用，但是增大法蘭錐頸大端厚度反而會降低卡箍結構的剛度。

4 結語

本文針對某耐壓試驗筒的卡箍快開蓋結構進行了有限元分析，并定義了結構剛度的定量分析指標，以此為基礎討論了卡箍結構的各參數對剛度的影響，得出了如下結論:

1)在進行高參數卡箍快開蓋結構的設計時，需對其剛度進行定量分析;

2)相比球形封頭，采用橢圓形封頭能在一定程度上提高卡箍結構的剛度，但是提高幅度有限，設計時可根據具體情況決定封頭的結構形式;

3)增大卡箍的軸向厚度和徑向厚度對提高卡箍結構的剛度有一定作用，但是并不顯著，設計時不必通過增大卡箍的厚度來提高剛度;

4)增大法蘭環軸向厚度可以較為明顯地提高卡箍結構的剛度，但是增大法蘭錐頸大端厚度反而會降低卡箍結構的剛度，設計時可通過適當增大法蘭環軸向厚度來提高剛度。

［1］GB 150-1998，鋼制壓力容器［S］.

［2］丁伯民，等.高壓容器［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［3］ANSYS在機械與化工裝備中應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.