大型高压容器双锥密封结构设计方法研究

摘要

石化企业发展规模经济是实现低成本的有效途径，因此化工装备的大型化便成为工业经济发展的必然趋势。随之而来的大型高压化工装备的密封问题已成为一项亟需解决的关键技术。双锥密封结构由于其良好的综合密封性能在高压容器密封结构中占有主导地位。目前GB150-1998《钢制压力容器》的适用范围为容器内径在400～2000mm的双锥密封结构。因此，开展大型(容器内径大于2000mm)双锥密封结构密封机理的研究和建立相应的设计方法对工程应用具有重要的指导意义。 本文以国家科技支撑计划重大项目专题“特种设备标准体系研究及关键技术标准研制”(项目编号2006BAK04A02-02)为依托，采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法对双锥密封过程进行了研究，考察了GB150-1998《钢制压力容器》对大型双锥密封结构设计的适用性，并提出了相应的调整意见。主要工作和结论如下： (1)双锥密封性能影响因素分析。从介质压力、径向间隙、双锥环尺寸值、双锥环密封面宽度、密封面的接触情况、主螺栓预紧力等方面对双锥密封性能的影响规律进行了探讨。 (2)建立双锥密封结构的整体有限元分析模型。采用非线性接触算法对双锥密封过程进行了数值模拟，比较发现，有限元结果与试验结果吻合较好，说明所建立的有限元分析模型可靠且分析方法适用。 (3)大型双锥密封过程数值模拟和设计方法研究。采用本文建立的有限元模型和分析方法，对内压载荷作用下大型双锥密封过程进行数值模拟，分别得到预紧和操作工况下双锥环Mises等效应力的分布和垫片应力分布，以及垫片应力、双锥环应变和径向间隙随预紧载荷和内压载荷的变化曲线。径向间隙若按g=(0.1％～0.15％)D<,1>设计，双锥环材料不可避免会发生整体屈服；径向间隙若按g=0.05％D<,1>设计，加压过程中的密封性能得不到保证。研究发现，大型双锥密封结构仍然可按GB150-1998《钢制压力容器》相关设计方法设计，但建议径向间隙按g=(0.075％～0.1％)D<,1>更为合理。此外，本文给出了推荐的大型双锥环的系列结构尺寸，供工程实际运用。 (4)稳态热-结构耦合数值模拟。采用稳态热-结构耦合方法，对内压和热载荷联合作用下大型双锥密封过程进行数值模拟，得到稳态热结构耦合场下双锥环Mises等效应力分布和垫片应力分布，以及垫片应力随内压载荷的变化曲线。通过与(3)得到的计算结果对比发现：在操作工况下，温度对密封结构的应力分布和密封性能的影响很小。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

1文献综述

1.1研究背景

1.2高压容器简介

1.3国内外高压密封结构的研究

1.3.1高压密封的特点

1.3.2高压密封装置的结构形式

1.3.3高压密封的技术进展

1.3.4双锥密封在国内外的研究进展

1.4本文研究内容

2双锥密封原理及密封性能影响因素研究

2.1双锥密封原理

2.1.1预紧状况双锥环的受力分析

2.1.2操作状况双锥环的受力分析

2.1.3操作密封比压分析

2.2双锥密封性能影响因素

2.2.1介质压力

2.2.2径向间隙

2.2.3双锥环的A，C尺寸值

2.2.4双锥环的厚度B值

2.2.5双锥环密封面宽度

2.2.6双锥环密封面的接触情况

2.2.7主螺栓预紧力

2.3本章小节

3双锥密封过程数值模拟研究及实验验证

3.1实体模型

3.2单元类型和网格划分

3.3边界条件和载荷工况

3.4材料特性

3.5分析方法

3.6数值模拟结果与实验结果比较分析

3.6.1顶盖轴向位移量—预紧力关系

3.6.2双锥环应变—预紧力关系

3.6.3双锥环应变—内压关系

3.6.4螺栓载荷—内压关系

3.6.5顶盖轴向位移量—内压关系

3.7本章小节

4大型双锥密封过程数值模拟和设计方法研究

4.1 GB150-1998双锥密封结构设计方法

4.2有限元分析模型

4.2.1实体模型

4.2.2单元类型和网格划分

4.2.3载荷工况和边界条件

4.2.4材料参数

4.3内压载荷作用数值模拟结果分析

4.3.1预紧工况下双锥环Mises等效应力

4.3.2预紧工况下径向间隙—预紧力关系

4.3.3预紧工况下双锥环应变—预紧力关系

4.3.4预紧工况下垫片应力—预紧力关系

4.3.5预紧工况下顶盖轴向位移量—预紧力关系

4.3.6操作工况下双锥环Mises等效应力

4.3.7操作工况下径向间隙—内压关系

4.3.8操作工况下双锥环应变—内压关系

4.3.9操作工况下螺栓载荷—内压关系

4.3.10操作工况下垫片应力—内压关系

4.4大型双锥环系列尺寸推荐

4.5稳态热—结构耦合场应力分析

4.5.1热分析方法

4.5.2耦合应力分析

4.6稳态热—结构耦合场数值模拟结果分析

4.6.1稳态热—结构耦合场温度和Mises应力分布

4.6.2稳态热—结构耦合场垫片应力—内压关系

4.7本章小节

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

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