大型高压容器双锥密封系统数值模拟研究

论文摘要

为了提高装置的规模效益,大型化是石油化工设备发展的一个必然趋势,同时对压力容器行业带来了新的挑战。为了便于设备的安装、检修及运输,压力容器须设有一定数量可拆卸的静密封联接结构,目前螺栓—法兰—密封垫片静密封联接结构应用最为广泛。双锥密封结构由于结构简单、制造方便及良好的密封性能常用于高温高压、大直径压力容器中。而目前GB 150-1998《钢制压力容器》仅适用筒体内径在400～2000mm范围内的双锥密封结构,在大型（筒体内径大于2000mm）高压容器双锥密封结构设计及制造过程中就出现泄漏及筒体端部扩张导致密封失效的案例,故开展大型高压容器双锥密封结构密封性能及结构强度的研究具有现实意义。由于计算机技术的迅速发展,线性或非线性有限元分析方法在螺栓—法兰—密封垫片系统分析中应用非常普遍。本文采用有限元分析软件对双锥密封结构在预紧载荷工况及操作（内压）载荷工况下的密封过程进行模拟,研究了双锥密封性能的影响因素及结构强度失效的原因。主要研究工作和成果如下：（1）大型双锥密封结构设计计算详细分析了筒体内径2000mm双锥密封结构设计过程,并参照GB150设计了大型双锥密封结构设计程序,利用该程序设计了容器直径1800～3000mm的双锥密封结构参数,为研究大型双锥密封结构的密封性能及结构强度提供了分析模型。（2）双锥密封结构密封性能及强度研究研究了双锥密封结构的密封机理,探讨了介质压力、双锥环结构自紧系数、径向间隙及螺栓预紧力等因素对双锥密封性能的影响规律。分析了双锥密封筒体端部的受力情况,得到预紧及操作工况下双锥密封筒体端部各载荷之间关系,并研究了筒体端部的应力校核方法,得到端部外缘长度对应力校核的影响规律。（3）双锥密封结构密封过程数值模拟研究建立了双锥密封系统三维有限元分析模型,对筒体内径1800～3000mm的双锥密封系统在预紧及操作工况下的密封过程进行了数值模拟。得到了各筒体内径双锥密封系统预紧螺栓载荷、介质压力与密封面垫片应力及径向间隙与双锥环应力的变化曲线。对于材料为20MnMo的双锥环,g≥0.088%D1时,双锥环将发生整体屈服,建议径向间隙g按（0.05%～0.088%）D1选取。预紧工况下,设计螺栓预紧载荷都能满足预紧密封比压的要求,且下锥面垫片应力要大于上锥面垫片应力。操作工况下,垫片应力随介质压力的升高而降低到最低值后又开始回升,上锥面垫片应力要明显大于下锥面垫片应力。径向间隙g按（0.05%～0.088%）D1选取,各直径双锥密封垫片应力在整个操作过程中都大于操作密封比压,满足密封严密性的要求,双锥环结构自紧系数取2是合适的,且增大自紧系数能提高垫片应力。（4）双锥密封筒体端部数值模拟研究建立了双锥密封筒体端部结构三维有限元分析模型,模拟筒体内径1800-3000mm的双锥密封筒体端部在预紧及操作工况下的载荷响应,得到了预紧及操作工况下筒体端部外缘长度、主螺栓载荷与筒体端部应力的关系曲线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 高压容器双锥密封的密封原理
• 1.3 双锥密封在国内外的研究进展
• 1.4 高压容器密封结构筒体端部的研究
• 1.4.1 高压容器密封结构筒体端部的特点
• 1.4.2 密封结构筒体端部强度校核
• 1.4.3 双锥密封筒体端部的研究进展
• 1.5 本文研究内容
• 2 大型双锥密封结构设计计算
• 2.1 双锥密封结构设计计算
• 2.1.1 双锥环设计
• 2.1.2 主螺栓设计
• 2.1.3 筒体端部设计
• 2.2 大型双锥密封结构设计程序
• 2.3 大型双锥密封结构参数
• 2.4 本章小结
• 3 大型双锥密封结构密封性能及结构强度研究
• 3.1 双锥密封结构密封性能研究
• 3.1.1 双锥密封结构的密封面比压分析
• 3.1.2 双锥密封结构密封性能影响因素研究
• 3.2 双锥密封结构筒体端部强度研究
• 3.2.1 双锥密封筒体端部受力分析的研究
• 3.2.2 双锥密封筒体端部纵向截面弯矩分析
• 3.2.3 双锥密封筒体端部外缘长度对应力校核的影响
• 3.2.4 径向力对双锥密封筒体端部应力的影响
• 3.3 本章小结
• 4 大型双锥密封结构数值模拟研究
• 4.1 双锥密封结构有限元分析模型
• 4.1.1 实体模型
• 4.1.2 材料属性及单元参数
• 4.1.3 网格划分
• 4.1.4 边界条件设定
• 4.1.5 加载及求解方法
• 4.2 双锥环应力与径向间隙的关系
• 4.3 螺栓预紧力与预紧工况下垫片应力的关系
• 4.4 介质压力与操作工况下垫片应力的关系
• 4.5 本章小结
• 5 大型双锥密封筒体端部数值模拟研究
• 5.1 筒体端部有限元分析模型
• 5.1.1 实体模型
• 5.1.2 材料属性及单元参数
• 5.1.3 网格划分
• 5.1.4 边界条件设定
• 5.1.5 加载及求解方法
• 5.2 主螺栓预紧载荷与筒体端部Mises应力的关系
• 5.3 主螺栓操作载荷与筒体端部Mises应力的关系
• 5.4 大型双锥密封筒体端部外缘长度设计
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文