双锥密封的有限元分析及优化研究

摘要

随着现代工业的飞速发展，石化企业的发展规模的壮大及化工设备的大型化已成为当今工业的趋势。随着化工设备的大型化，因而提升了高压容器的密封的难度。为了解决这些密封方面的问题，近年来出现了各种形式的密封来针对不同类型的压力容器。而双锥密封因其出色的密封效果普遍应用于各类的高压容器中。按密封的作用力不同来分类，高压密封可以分为强制密封、半自紧密封和自紧密封这三种主要的结构形式。双锥密封属于半自紧式的密封形式，它具有结构域、便于生产的特点，而且安装拆卸也很方便，能较好的适应一定范围内压力和温度的变化。
　　目前规范上仅仅给出了有限的几种规格参数。当实际工程中的有关参数与这些规格参数不相对应时，如果要有效地调整参数，保证密封效果就需要探讨双锥密封原理得以实现的条件。包括双锥环的材质、厚度、高度、锥角度数、直径、所受压力等对密封效果的影响。
　　本文根据荆门炼厂加氢反应器双锥密封的具体情况,采用理论分析和数值模拟相结合的方法对双锥密封过程进行了研究,检验了GB150一2011《压力容器》对双锥密封装置的适用性,并提出了相应的调整意见。主要工作和结论如下:
　　（1）在讨论双锥密封的密封原理的基础上，运用有限元数值分析方法求解预紧及工作工况下双锥环垫片处的压紧力、双锥环的形变、应力，并探讨压力波动情况下垫片密封比压的变化情况；
　　（2）通过有限元分析，模拟出同一尺寸下，在预紧的情况下，不同厚度与角度的双锥环的径向位移和应变的变化趋势，从而在一定范围内改变标准双锥环的厚度和锥角来适应该特殊工况。以及比较有无平盖支撑面（与双锥环内圆柱面形成径向间隙g）对双锥密封的影响；
　　（3）通过有限元分析，得出了操作工况下双锥环整体应力分布和垫片比压变化和操作内压对径向间隙、整体应力、螺栓预紧力和密封比压的关系。径向间隙如果以g取0.15％D1或以上设计,双锥环材料将会发生整体屈服和塑性变形;径向间隙若按g取0.05%D1或以下设计,在操作压力逐渐升高时无法确保其密封效果，从而导致泄露。研究发现：在其他条件不变的情况下，径向压缩位移随着双锥环的厚度的增加而逐渐减小；径向压缩位移随着双锥环的锥角的增大而逐渐增大；我们可以在特殊工况下，在一定范围内改变标准双锥环的厚度和锥角来适应该特殊工况。
　　而对于操作工况下，要保证当双锥环内圆柱面刚刚脱离平盖支撑面的一瞬间时，密封面的比压达到内压p c的m倍（m为垫片系数）；且双锥环的Mises最大应力不得高于其屈服强度极限；所以根据这两个条件的限制下，径向间隙g应设计在0.075%~0.125%D1更为合适。
　　（4）对于平垫密封而言，密封元件只有单纯的平垫片，而垫片具有一定的屈服极限，所以说预紧状态下的单位面积的残余预紧力不能超过垫片的屈服极限。而当工作压力过大时，平盖有向上抬起的趋势，垫片的比压会随之下降，而此时只能由平垫片的变形来弥补。如果工作压力使垫片损失的垫片比压超过了垫片残余预紧力弥补的比压，那么难免会导致装置的泄露。
　　而对于双锥环而言，密封元件是由双锥环和垫片共同组成，双锥环一般选用35号钢，16Mn等刚性材料，屈服极限远远高于铝制垫片，且此密封元件的结构也比较特殊。密封面为双锥面，与竖直方向成一定的角度（一般为30度）。当压力过大时，平盖向上有抬起的趋势，其密封比压减小，而与此同时，预紧状态时双锥环就会产生一定的径向位移（其位移量为g），而内压升高的同时双锥环内圆柱面会扩张，而扩张所释放的弹力与密封面的方向成一定角度，所以可以给密封面提供一定的分力来增加密封比压（这部分的比压即为自紧比压）。

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