溫差應力作用下焊唇密封環有限元分析計算

李玉偉

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

溫差應力作用下焊唇密封環有限元分析計算

李玉偉

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

就高壓容器的一種密封方法—焊唇密封環的結構以及計算方法進行闡述，并結合實際工程的設計算例，重點介紹了溫差應力作用下焊唇密封環的熱固耦合有限元分析計算，同時對焊唇密封環的選材、結構尺寸選取等方面做了簡要介紹。

焊唇密封環；熱固耦合；溫差應力；有限元分析

0 引 言

焊唇密封環主要應用于，法蘭連接接頭不允許有微量泄露且高溫、高壓場合，如高真空輸送或者操作介質為極度、高度危害的場合。由于其密封性能良好，目前已經在高壓石化容器、電站輔機設備上廣泛應用。但焊唇密封環設計時僅能按照HG20530-1992《鋼制管法蘭用焊唇密封環》標準，該標準使用范圍有限，適用于公稱壓力范圍：1.0～16.0 MPa；結構形式僅有平面型(FF型)以及帶輔助密封墊的凹凸型(MFM型)兩種。標準適用范圍遠遠不能滿足壓力容器高參數、大型化的發展趨勢，另高壓容器管法蘭密封采用的焊唇密封環結構形式多為Ω形焊唇密封環，標準中并未涉及其計算方法，只能夠參照HG20530標準選型。在合成氨等大型石化裝置中，由于特殊的工藝流程，焊唇密封環往往應用于有溫差應力的場合，只進行強度計算，不能滿足密封要求，需進行熱固耦合有限元分析。

1 有限元分析算例

某大型合成氨項目中的氨合成塔合成氣進口接管密封形式為焊唇密封環結構，由于該處特殊的工藝流程和內件結構，焊唇密封環連接處溫差應力很大，導致此密封處應力狀況惡化，嚴重影響密封性能，在進行設計時不能忽視此處的溫差應力，應對該處進行熱固耦合有限元分析，對溫度場和溫差應力分布進行詳盡的分析、評定。

目前進行流固耦合有限元分析比較常用的分析軟件是ANSYS，該軟件提供的熱應力計算方法主要有兩種：直接法和間接法，直接法使用的是位移自由度和溫度的耦合單元，同時得到結構應力分析和熱分析的功能；間接法是首先要進行熱分析，然后將求解到的單元節點上的溫度值作為體載荷，施加到模型結構中進行有限元分析計算。間接法能夠使用全部熱分析功能以及結構分析功能。文中以間接法進行熱固耦合分析。間接法進行熱固耦合分析的主要流程：首先建立有限元模型，進行熱分析，得到模型的溫度場分布，然后再次進入到前處理階段，進行熱單元轉到相應結構單元的轉換，設定單元選項，并設置結構分析時的材料屬性(包括導熱系數等)以及前處理的相應細節；讀入熱分析得到的節點溫度；進行求解；最終進入后處理。

1.1 焊唇密封環選材原則

算例中焊唇密封環材料為鎳基合金UNS N06600(ALLOY 600)，選用此材料的原則：

(1)由于設備檢修、維護時需要切割焊唇密封環，安裝時再焊接密封，為方便設備檢修和維護，焊唇密封環通常采用焊后不需要進行熱處理的材料。顯而易見，碳鋼并不適用。所以焊唇密封環一般選用鎳基合金、不銹鋼等不需要做焊后熱處理的材料。

(2)焊接性能良好的材料。

(3)耐腐蝕性好的材料。

(4)設備焊唇密封環處操作溫度在400 ℃以上，溫度較高、熱膨脹差較大、溫差應力也很大，從設備安全運行保證密封性能等方便考慮，設計時選用鎳基合金，原因是鎳基合金本的線膨脹系數與基層材料相近。

1.2 焊唇密封環結構設計

焊唇密封環中心環板厚度的選取：中心環板的厚度不是滿足強度要求，而是保證密封性能，環板在內壓作用下會產生一定的彈性變形，始環板完全貼合在相連零件上，此時內壓通過環板傳遞到零件上，該工況下環板受力較小。盡管如此，并不是說隔膜板就越薄越好，過薄時會影響焊唇密封環本身的基本強度和剛度性能，容易造成制造、運輸、安裝時產生變形。

因此中心環板厚度可參照HG20530選取，選取15 mm為宜。

R5圓角的設置是為了避免變形時應力集中；R1、R2的取值除了滿足強度要求外，剛度還要滿足由于熱膨脹產生的彈性變形要求，因此該處尺寸不能只按照工程經驗選取，需按等效圓筒進行強度計算，當存在較大溫差應力時，需進行熱固耦合有限元分析。焊唇密封環具體結構尺寸如圖1所示。

圖1 焊唇密封環結構簡圖

圖2 分析模型簡圖

1.3 有限元模型結構分析

根據這個算例氨合成塔合成氣進口接管處焊唇密封環結構形式，力求施加的載荷及約束接近焊唇密封環真實受力，建立模型時選取部分筒身、底封頭、B/A1/A3接管、支撐環、底部管箱及焊唇密封環，分析模型結構簡圖如圖2所示，設備運行工況及設計工況參數詳見表1和表2。

表1 設計工況

表2 操作工況

1.4 有限元模型及邊界條件

根據設備整體結構特點， 建立四分之一的有限元力學模型詳如圖3所示，同時簡化結構，減少計算量，不建裙座和內件模型，將作用在裙座上的設備軸向約束及內件重力等效施加。

在筒體上端部施加軸向約束，等效裙座的軸向約束作用，筒體高度的選取原則，避開由于筒體與底封頭焊接接頭不連續處產生局部應力的影響區域，同時考慮內件對設備整體受力的影響，將內件重力作用等效載荷施加在支撐環處；焊唇密封環非焊接連接處采用接觸單元，進行非線性接觸分析；A3法蘭處螺栓載荷施加在A3法蘭及A3管箱螺栓中心圓等效面上。設備有限元模型溫度場加載如圖4所示，具體參數見表3；機械場加載如圖5所示，具體參數見表4。

圖3 有限元力學模型

圖4 溫度載荷加載示意圖

圖5 機械載荷加載示意圖

表3 溫度場加載參數

表4 機械場加載參數

1.5 有限元分析結果

按照間接法進行熱固耦合分析，首先進行熱分析，按圖4和表3對模型施加溫度載荷，進過得到模型的溫度場分布如圖6所示，由于底部A3法蘭溫差較大，會產生較大的溫度應力及變形，與其相連接的焊唇密封環必然會隨著法蘭產生的溫差應力而發送較大變形。

進行熱分析得到溫度分布云圖后，再次進入前處理，將熱單元轉換到相應的結構單元，設定相應單元選項等細節，導入熱分析的結果，按圖5和表4施加機械載荷，求解后得到模型熱固耦合應力分布云圖如圖7所示，焊唇密封環應力分布云圖如圖8所示。

圖6 溫度分布云圖

由圖8可知焊唇密封環應力最大點位于焊唇環形圓內表面，該處因溫差過大產生變形引起較大的溫差應力，評定路徑選取經過應力最大點的厚度最短距離，由于路徑處主要是熱膨脹差引起的局部應力，按應力分類的方法主要為二次應力，該路徑處應力強度評定如下：

SⅣ=473.8<3Sm=3×161=483 MPa

式中：SⅣ為一次加二次應力強度， Sm為材料在操作工況下的設計應力強度；評定路徑處應力分類如圖9所示。

圖7 熱固耦合應力分布云圖

圖8 焊唇密封環應力分布云圖

圖9 應力評定路徑處應力分類圖

2 焊唇密封環安裝要求

焊唇密密封環對Ω形環部分加工的要求非常嚴格，焊接安裝時更為嚴格，需要嚴格保證密封環對齊，相扣緊密。

3 結束語

(1)通過以上分析可知，采用間接法進行焊唇密封環的熱固耦合有限元分析，能夠清晰得到焊唇密封環及相關零部件溫度場分布，通過機械載荷與溫度場的耦合計算，直觀給出溫差應力作用下焊唇密封環的應力分布云圖，對焊唇密封環的合理設計意義重大。

(2)有限元分析過程中發現，通過調整焊唇密封環中R1、R2、L(如圖2所示)尺寸，可以調節焊唇密封環在溫差應力作用下的應力分布，提高承載能力，使設計更加合理經濟。

[1] JB4732-95(2005確認), 鋼制壓力容器-分析設計標準[S].

[2] 余偉煒,等.ANSYS在機械與化工裝備中的應用(第二版)[M]. 北京：中國水利水電出版社，2007.

[3] HG 20530-92, 鋼制管法蘭用焊唇密封環[S].

Finite Element Analysis for Welding Lip Seal Ring under Thermal Stress

LI Yu-wei

(Harbin Boiler Company Limited, Harbin 150046,China)

For one seal applied in high pressure vessel-welding lip seal ring, its structure and calculation were stated in this paper. Combined with practical engineering examples, focus on thermal stress under the action of welding lip seal ring thermo-solid coupling finite element analysis and calculation. At the same time the respects of material, structure size selection, etc of welding lip seal ring were briefly introduced.

Welding lip seal ring; Thermo-solid coupling; Thermal stress; Finite element analysis

2015-04-15

2015-05-10

李玉偉，男，工程師，從事壓力容器常規設計、SAD壓力容器的設計工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.06.004

TH49

B

1009-3230(2015)06-0018-05