兩種高壓焊接密封結構的對比分析

李 魁

中國成達工程有限公司 成都 610041

兩種高壓焊接密封結構的對比分析

李 魁*

中國成達工程有限公司 成都 610041

利用有限元分析軟件ANSYS對焊接密封結構中兩種墊片進行對比分析。結果表明，焊接墊片在工作時會隨著平蓋發生彎曲，在合適的位置減薄墊片厚度可以滿足強度要求，能降低焊接接頭與其他零部件的接觸應力和焊接接頭內部應力，增加密封結構的可靠性。

ANSYS 有限元 隔膜密封 接觸應力 應力線性化

小直徑高壓換熱器管箱平蓋較多采用焊接密封結構，見圖1。平蓋通過螺柱緊固承受內壓，筒體端部與平蓋之間設有平板隔膜墊片，墊片與筒體端部焊接在一起，角焊縫能起到密封作用。此結構簡單、密封可靠，加工要求不高，缺點是檢修時需要磨掉焊接材料，一般用在高壓、無需頻繁開啟的場合。此結構在很多項目上已成功使用[1][2]，可以按標準[3]設計法蘭(筒體端部)、平蓋及螺柱的強度，但隔膜墊片作為密封的核心元件，未見完善的設計方法。文獻4利用軸對稱模型對隔膜墊片進行分析，沒有考慮結構承壓時螺柱伸長帶來的影響。本文通過建立3D模型，對密封結構進行計算分析和線性化處理，主要對比分析隔膜墊片不同位置的及焊接接頭處的應力分布。

圖1 高壓焊接密封結構

由圖1可見，內壓通過隔膜墊片傳遞到平蓋，平蓋通過螺柱與筒體端部緊固在一起，平蓋在承壓時發生軸向位移及彎曲變形。隔膜墊片的中心部分隨著平蓋產生軸向位移和彎曲變形，邊緣部分和筒體端部焊接在一起，為了滿足變形協調，隔膜墊片在減薄位置產生彎曲，同時邊緣發生偏轉，形成角位移。所以角焊縫不但起到密封作用，還要承受墊片彎曲和偏轉產生的載荷。隔膜密封結構的可靠性和隔膜墊片的結構尺寸、焊接接頭的尺寸、螺柱和平蓋的整體剛度相關。

常用隔膜墊片的總厚度G為20mm，中心部位厚度S不小于10mm，墊片倒圓r不小于6mm。一般筒體端部的止推環槽高度大于5mm，實際操作過程中隔膜墊片發生位移和偏轉，有文獻5認為從隔膜墊片強度穩妥的角度，可以把隔膜墊片更改為圓平板(見圖3)，曾大量應用在加氫反應器上。

本文借助有限元軟件ANSYS17.2，對某合成氨裝置的鍋爐給水預熱器管箱密封結構進行建模，兩種結構中平蓋、筒體端部、螺柱及焊接接頭尺寸均相同，結構1的隔膜墊片帶有減薄區(見圖2)；結構2是平板隔膜墊片(見圖3)。對兩種結構進行應力分析，并參照JB4732-95進行應力線性化。希望對比分析對后續設計有所借鑒。

圖2 結構1焊接密封

圖3 結構2焊接密封

1 結構尺寸與參數

1.1 模型的結構參數

本文分析的鍋爐給水預熱器管箱設計壓力11.41MPa，設計溫度60℃。模型1數據見表1，模型2墊片為一平板，厚度與模型1總厚度相同。

表1 結構尺寸

1.2 材料的特性

隔膜墊片在使用或檢修過程中需要開啟和更換，墊片及焊接接頭應選擇無需焊后熱處理的材料，一般選用S30408。密封焊縫材質和S30408一致。具體材料屬性見表2。假設結構各個元件的材料均為線彈性材料，不考慮平蓋及筒體端部的溫差效應。

表2 材料屬性

2 分析模型

由于本文主要討論端部密封處的應力分布，忽略筒體接管對端部密封結構影響。考慮結構和載荷的對稱性，沿換熱器軸向對稱面切開取其1/4作為分析模型。

為了能準確模擬密封結構內應力狀態，所有部件均選用ANSYS的20節點實體單元，采用掃略方式劃分網格，結構1和結構2在墊片及焊接接頭設置同樣的單元大小，保證兩個模型的網格精度相同。網格劃分后模型1共有122494個單元，514506個節點，見圖4；模型2共有164394個單元，696166個節點，見圖5。

圖4 結構1網格模型

圖5 結構2網格模型

3 載荷及邊界條件

根據結構的對稱性，設置模型中所有結構的對稱面關于Y軸和Z軸對稱，筒體右端面設置為軸向約束(X軸方向)。筒體(及端部)內表面、墊片內表面施加內壓。墊片與筒體端部、墊片與法蘭蓋均設置為無摩擦接觸；焊接接頭與筒體端部和墊片設置為綁定接觸。結構1載荷和邊界條件見圖6；結構2載荷和邊界條件見圖7。

圖6 結構1載荷和邊界條件

4 計算結果及分析

4.1 總體變形

圖7 結構2載荷和邊界條件

結構1、結構2變形云圖分別見圖8和圖9。

圖8 結構1變形云圖

圖9 結構2變形云圖

由圖8和圖9可見，這兩種密封結構在內壓作用下，平蓋發生軸向位移，墊片邊緣部分與平蓋分離，墊片的中心部分與平蓋貼合在一起；墊片密封面與筒體端部密封面分離，墊片密封面有一定的偏轉，焊接接頭起密封作用。主要原因是內壓作用時螺柱伸長，平蓋相對于筒體端部軸向移動，墊片自身無法承受內壓，隨著平蓋產生軸向位移，墊片邊緣部分產生偏轉。

從變形云圖看，內壓作用下，結構1平蓋的彎曲變形小于結構2。兩個計算模型中，平蓋尺寸和螺柱尺寸相同，因為結構1的隔膜墊片在承受內壓時，中心部分受壓彎曲變形，而墊片直段部分受壓時，中心部分徑向產生局部拉應力，彎曲的墊片趨于變平。結構2的平板墊片在承受內壓時彎曲變形。

4.2 墊片與平蓋的接觸應力

結構1隔膜墊片與平蓋接觸應力見圖10；結構2隔膜墊片與平蓋接觸應力見圖11。

圖10 結構1隔膜墊片與平蓋接觸應力

圖11 結構2隔膜墊片與平蓋接觸應力

利用ANSYS接觸工具，可以得到墊片與平蓋的接觸應力，此處壓力為正。由圖10和圖11可知，接觸應力分布近似相同，墊片邊緣區域與平蓋分離，在墊片彎曲區域內接觸應力最大，向中心逐漸減小，中心大部分區域接觸應力趨于相等。兩種墊片對平蓋的最大應力近似相等，但是結構2最大接觸應力的范圍大于結構1，結構2中墊片傳遞更多的力給平蓋。

4.3 焊接接頭與筒體端部接觸應力

結構1焊接接頭與筒體端部接觸應力見圖12；結構2焊接接頭與筒體端部接觸應力見圖13。

由圖12和圖13可見，焊接接頭與筒體端部的接觸應力分布相似。焊接接頭的最大壓應力在角焊縫邊緣，兩種結構的最大壓應力相近。最大拉應力在焊接接頭與筒體端部接觸的邊緣部位，結構1的最大拉應力65.62MPa，結構2的最大拉應力122.82MPa，結構2焊接接頭承受更大的拉應力。

4.4 焊接接頭與墊片接觸應力

結構1焊接接頭與隔膜墊片接觸應力見圖14；

圖12 結構1焊接接頭與筒體端部接觸應力

圖13 結構2焊接接頭與筒體端部接觸應力

結構2焊接接頭與隔膜墊片接觸應力見圖15。

圖14 結構1焊接接頭與隔膜墊片接觸應力

結構1焊接接頭與墊片的接觸應力由拉應力逐漸改為壓應力，拉應力最大為45.74 MPa，由于凹槽存在，減弱了墊片邊緣區域的偏轉，所以焊接接頭的壓應力較小。而結構2的墊片等厚變形，受拉與受壓數值基本一致。焊接接頭與墊片的接觸應力由壓應力逐漸過渡為拉應力，拉應力和壓應力對稱分布。

4.5 兩種墊片線性化

在墊片徑向位置參照JB 4732-95(2005確認)進行應力線性化，對比結果見圖16。

圖15 結構2焊接接頭與隔膜墊片接觸應力

圖16 墊片徑向位置線性化曲線

在距中心140mm內的區域結構1和結構2的應力分布均勻，薄膜應力和薄膜應力加彎曲應力改變不大，結構1內的應力水平略大于結構2。在距中心大于140mm的位置，墊片發生彎曲，結構2發生彎曲的影響范圍比結構1大，結構2內的彎曲應力小于結構1的彎曲應力。

4.6 焊接接頭內部應力

結構1焊縫處應力見圖17；結構2焊縫處的應力見圖18。

文獻6對焊接密封的多起失效案例進行分析表明，部分密封失效是由焊接接頭內的殘余應力和施焊工藝引起。結構1和結構2焊接接頭尺寸相同，但操作時焊接接頭內的應力相差較大。結構1的焊縫最大應力122.8MPa，結構2焊縫的最大應力達到了177.03MPa，結構1最大應力位置在焊縫和端部焊接的地方，結構2的最大應力在焊縫中心位置，主要原因是結構1直段存在的徑向拉應力緩解了焊縫處的彎曲變形，同時由于徑向拉力的存在使得最大應力的位置偏向與筒體端部連接處；而結構2的焊接接頭所承受的應力相對較大，且主要是彎曲應力，其最大應力的位置在焊縫內部。

圖17 結構1焊縫處應力

圖18 結構2焊縫處的應力

對兩種結構的焊接接頭進行應力線性化，線性化路徑見圖19，線性化路徑數據見表3。

圖19 焊接接頭線性化路徑

注：PL為一次局部薄膜應力；Pb為一次彎曲應力；Q 為 二次應力；Sm為材料的設計許用應力強度。

由表3可以看出，結構1中焊接接頭的應力水平明顯低于結構2。按照JB4732-95(2005確認)對線性化結果進行評定，許用應力強度參照HG/T 20580-2011中焊接接頭確定為0.49Sm，局部薄膜應力(PL)應不大于1.5×0.49Sm，一次應力加二次應力(PL+Pb+Q)應不大于3.0×0.49Sm，以上結構能滿足要求。在設計中如果采用結構2的隔膜墊片，焊接接頭的要求更高。

5 結語

本文對適用于小直徑、高壓、非高溫的隔膜密封結構進行分析，結論如下：

(1)結構1有減薄區域，墊片主要承受軸向和較大的徑向壓力；結構2的墊片主要承受軸向的壓力。工作時，結構1墊片與平蓋的接觸力較小，墊片與平蓋產生的變形小；結構1的焊接接頭產生的接觸應力較小。

(2)墊片密封面和筒體端部密封面分離，利用焊接接頭進行密封。制造過程中對密封面無需過高的要求，但對密封焊接角接頭應提出焊接尺寸和表面檢測要求。

(3)結構1焊接接頭內的最大應力在與端部焊接的邊緣位置；結構2焊接接頭的最大應力在中心位置。

結構1中焊接接頭與墊片、焊接接頭與筒體端部的接觸應力及焊接接頭內應力較小，所以帶減薄的墊片結構在本文限定場合下使用更合理。設計中應適當增大螺柱、法蘭端部和平蓋的剛度，特別在平蓋較厚、螺柱較長的場合，防止因平蓋軸向位移過大，墊片產生過大的彎曲變形，發生塑性變形，而使墊片失效。

1 王榮貴，王 晨.化工設備開口焊接密封的設計與焊接施工[J].化肥設計，2013，3(53):27-34.

2 岳國印.焊接密封墊片連接結構的平蓋設計[J].化工設備與管道，2006，5(43):29-31.

3 HG/T 20582-2011，鋼制化工容器強度計算規定[s].

4 蘇燕等.蓋板隔膜密封熱交換器隔膜墊片結構分析及比較[J] .石油化工設備，2016，1(45):28-33.

5 陳孫藝. 換熱器管箱球面隔膜密封關鍵結構的制造技術[J] .裝備制造技術，2016，5:44-49.

6 趙 翠，陸曉峰. 加氫換熱器角焊縫密封接頭焊接工藝參數優化[J] .焊接學報，2009，7(30):101-104.

*李 魁：高級工程師。2008年畢業于中國石油大學(北京)化工學院化機專業獲碩士學位。一直從事壓力容器設計工作。

聯系電話:(028)65531513，E-mail：likui@chengda.com。

2017-08-17)