注劑式帶壓密封夾具厚度計算分析

李浩榮，閆振漢，陳 慶

(吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022)

“帶壓密封技術”上個世紀六十年代發展和完善于工業發達國家.其英文名稱是：“On line leak sealing[1]”最初直譯為“在線密封”.目前我國的技術法規、現行國家標準均采用“帶壓密封”作為規范文化件的首選術語[2].帶壓密封技術最早起源于美國，1920年美國人克萊·弗曼在紐波特的造船廠開發了在管道帶壓下泄漏密封的方法，并對其進行了其他行業的擴展[3].國內從20世紀80年代開始才研究不停產帶壓堵漏技術，1986年中石化總公司委托蘭化研究院開發這項技術，最終形成我國的一套不停產帶壓堵漏技術[4，5].到目前為止帶壓堵漏技術已經從當時的只能封堵少量常溫常壓介質到現在的已經能夠封堵300多種介質，操作溫度范圍從-195～900 ℃，操作壓力從真空～60 MPa[6，7].目前我國在帶壓密封注劑工器具研制方面獲得了數十項國家專利及數項國家級重點產品，處于國際領先水平；現場施工技術和密封注劑研制方面在國際上處于先進水平；但是此項技術關于夾具厚度計算公式一直存在疑義，理論研究和實驗論證相對滯后，亟待能有更科學的夾具設計理論.

1 夾具的設計準側

由于夾具在注劑式帶壓密封技術中起著至關重要的作用，它的設計優劣將直接關系到動態密封作業的成敗、密封注劑的消耗量以及現場操作時間等多項指標.因此，在對夾具的設計制造過程中應遵循下列準則[8].

(1) 良好的吻合性.泄漏的缺陷部位的外部形狀是多種多樣的，要求設計制作的夾具形狀必須能與泄漏部位的外部形狀達到良好的吻合.

(2) 足夠的強度和剛度.夾具在承受注劑壓力、泄漏介質壓力和安裝應力等疊加應力作用下，不允許有任何的破壞現象發生，所以夾具要保證足夠的強度和剛度.

(3) 合適的密封空腔.夾具與泄漏部位之間必須有一個封閉的密封空腔，以便于注射和包容密封注劑，維持足夠的阻止泄漏的密封比壓.密封空腔的寬度應當超過泄漏缺陷的實際尺寸20～40 mm左右，密封空腔的高度，即形成新密封結構的密封注劑的厚度，一般應在6～15 mm之間，特殊情況還可以加厚.

(4) 接觸間隙嚴密.夾具與泄漏部位外表面接觸部分的間隙應有嚴格的限制，以防止塑性極好的密封劑外溢.接觸間隙應符合表1參考數據.

表1 夾具與泄漏部位接觸間隙參考數據表

2 無力矩薄膜理論夾具強度計算公式

根據《固定式壓力容器安全技術監察規程》規定：帶壓密封專用固定夾具，可以選用GB150《壓力容器》所規定的壁厚計算公式來設計夾具的壁厚.公式中的壓力值還必須考慮注劑過程中密封注劑在空腔內的流動、填滿、壓實所產生的擠壓力特殊規律予以修正[9].如式(1)所示[10]：

(1)

式中：δ為夾具剛度計算壁厚，mm；D為泄漏法蘭的外徑，mm；P為夾具設計壓力，MPa；φ為焊縫系數；[σ]t為泄漏介質溫度下夾具材料的許用應力，MPa.

上述公式分析方法采用的是內壓容器無力矩薄膜理論，在應用這一公式進行夾具的強度計算時，必須同時滿足無力矩理論的4個條件：

(1) 帶壓密封夾具應具有連續曲面.

(2) 帶壓密封夾具上的外載荷應當是連續的.

(3) 帶壓密封夾具邊界的固定形式應當是自由支承的.

(4) 帶壓密封夾具的邊界力應當在夾具曲面的切平面內，要求在邊界上無橫剪力和彎矩.

3 彎曲梁變形理論夾具強度計算公式

密封注劑在夾具封閉空腔內的流動絕不是牛頓型液體，而是非牛頓型粘彈體.目前的密封注劑按照流體力學，應分為兩大類，一類是非牛頓型賓漢類密封注劑，另一類是非牛頓型假塑性類密封注劑.在這兩種非牛頓流體的作用下，夾具內的應力分布是非均勻的， 必須選擇有力矩理論進行分析，同時認為夾具的破壞形式主要是喪失剛度.目前較為合理的夾具力學模型是將夾具看成一組彎曲梁，在帶壓密封操作時分別受到彎矩M和壓力P的作用，將其簡化模型，根據材料力學彎曲梁建立的強度條件得出公式，如式(2)所示[11]：

(2)

式中:δ為夾具剛度計算壁厚，mm；D為泄漏法蘭的外徑，mm；P為夾具設計壓力，MPa；b為法蘭副連接間隙，mm；B為夾具寬度，mm；[σ]t—泄漏介質溫度下夾具材料的許用應力，MPa.

4 夾具厚度對比及Abaqus有限元軟件分析

以GB/T 9115.1-2010 PN4.0 MPa突面對焊鋼制管法蘭為計算對象，結構如圖1所示.取中壓飽和蒸汽，其操作壓力為P=2.3 MPa，溫度為220 ℃，夾具材料選擇：Q235-C鋼板，[σ]t=103 MPa.由結構圖1可知，法蘭副的連接間隙為2f+墊片厚度，查GB/T 9115.1-2010知連接間隙為b=7 mm，則夾具的寬度可取B=37 mm，夾具的設計壓力P=7.3 MPa.

圖1 突面對焊鋼制管法蘭結構圖

4.1 夾具計算厚度與實際厚度對比

運用以上兩大公式分別對不同尺寸法蘭泄漏的夾具進行厚度計算，并與實際夾具應用制作厚度做對比.計算結果及對比如表2所示.

表2 無力矩薄膜理論和彎曲梁變形理論計算厚度對比表(單位：mm)

續表2

公稱通徑DN法蘭外徑D法蘭厚度C薄膜理論公式δ=PD2[σ]tφ-P彎曲梁變形理論公式δ=0.977D PbB[σ]t實際制作夾具厚度32140185.1415.8216401505.5016.951850165206.0518.652065185226.7920.902280200247.3422.60241002358.6226.5526125270269.9130.51301503002811.0033.90322003753413.7642.37402504503816.5150.85503005154218.9058.19553505804621.2865.54604006605024.2274.5865

4.2 夾具Abaqus有限元軟件分析

用Abaqus有限元分析軟件分別對用無力矩薄膜理論和彎曲梁變形理論夾具強度計算公式計算的厚度以及實際制作夾具的厚度進行理論驗證分析.以法蘭外徑D=90 mm為例，選擇建立密封夾具整體結構的1/2模型為研究對象，模型對稱面設置對稱約束，對兩邊耳板施加固定約束.設置參數如下：單元類型為C3D8R,泊松比0.3，彈性模量2.1×105MPa，對夾具內壁施加均布壓力P=7.3 MPa.分析結果如圖2所示.

圖2 無力矩薄膜理論夾具設計分析圖

從圖2可以看出，采用無力矩薄膜理論計算公式設計的壁厚為3.3 mm的夾具，在施加均布壓力后，夾具圓弧部分受到較大的周向拉應力，產生應力集中，致使夾具發生變形甚至斷裂，與實際的夾具設計厚度相差甚遠.

圖3 彎曲梁變形理論夾具設計分析圖

圖4 實際制作夾具設計分析圖

從圖3采用彎曲梁變形理論計算公式設計的壁厚為10.18 mm的夾具和圖4實際制作壁厚為14 mm的夾具的分析圖可以看出，整體受力狀態以及受力部位走向都相差甚小，說明采用彎曲梁變形理論公式計算設計的夾具和實際應用幾乎接近，比較符合實際的應用情況.比較不同情況下夾具發生的位移形變量可知，采用無力矩薄膜理論計算公式設計的夾具發生位移形變量是實際制作夾具的兩倍之多，而采用彎曲梁變形理論計算公式設計的夾具發生位移形變量與實際制作夾具幾乎相同，而帶壓密封夾具的失效主要是位移而喪失密封性能.本文以泄漏法蘭外徑D=90 mm為例，做了上述分析，其他尺寸法蘭泄漏分析過程與上述相同.

5 結 論

綜上述分析可得以下結論：

(1) 采用無力矩理論計算公式計算的夾具壁厚與實際制作夾具的壁厚相差甚遠，不適合實際應用.

(2) 采用彎曲梁變形理論計算公式計算的夾具壁厚與實際制作夾具的壁厚比較接近，符合實際應用，但還需進一步完善.

(3) 夾具的計算厚度S與泄漏法蘭副連接間隙b、設計壓力P及泄漏法蘭外徑D成正比，與材料許用應力[σ]t及夾具的寬度B成反比.