卡箍式快开对接法兰结构分析

史战新，甘 霖

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

开快密封结构是压力容器的重要组成部分，一般分为卡箍式、齿啮式和剖分环式。卡箍结构是较常用的一种，广泛用于过滤器、机械对接结构、液压或化工管道连接。在 GB150［1］、ASME 第Ⅷ卷［2］都有相关的规范设计准则，然而规范设计大多依据经验公式，对环状法兰简化成悬臂板梁结构进行强度校核，受力分析也仅仅从力的平衡角度处理边界条件，缺少对应力集中及接触挤压区域的接触应力计算，也没有考虑交变载荷产生的疲劳问题。本文以内压容器卡箍密封对接结构为例，进行有限元应力分析，从接触、应力集中、疲劳失效方面按照弹塑性设计准则进行强度及疲劳校核，为此类结构的设计及强度分析提出建议。

1 卡箍式快开对接法兰结构

内压容器卡箍式对接法兰结构由下法兰、上法兰、卡箍O型密封圈和锁紧机构等4部分组成。上下法兰内径700 mm，设计压力3 MPa，设计温度－18°～+55°，法兰及卡箍均为16 Mn锻件，许用应力为 ［σt］=150 MPa，结构简图如图1所示。

2 中外规范计算比较

2.1 按照GB150－1998附录G7进行校核

O型密封圈邵氏硬度为60(对应杨氏模数E为3.5 MPa)，有效密封直径740 mm，密封圈横截面直径10 mm，压力系数0.25，可求出内压引起的轴向力F=1289598 N，预紧状态下密封圈的轴向力Fa=20057 N。

图1 卡箍式快开对接法兰结构Fig.1 The clamp connections of quick opening set

2.1.1 卡箍校验

由图1中给出的卡箍尺寸，对a-a截面和b-b截面的当量应力进行强度校核。

校验合格。

2.1.2 内压容器下法兰校验

由图1中给出的法兰尺寸，对a-a截面和b-b截面的当量应力进行强度校核。

下法兰a-a环向横截面当量应力σ0a大于许用应力，不合格。

2.2 按照ASME第Ⅷ卷第一册强制性附录24校核

由于在装配状态下没有内压，只有卡箍压紧后对法兰凸缘的力，此种情况比较安全，因此只需计算操作状态。

2.2.1 高颈应力计算

校验合格。

2.2.2 卡箍应力计算

校验合格。

2.3 GB150与ASME规范校验比较分析

根据GB150的校核，内压容器法兰不满足要求，但是由于GB150基于弹性失效准则认为结构中某最大应力点一旦进入塑性，结构就丧失了纯弹性状态即为失效，校核标准偏于保守，而且在内压容器法兰端部强度计算中分别将法兰端部沿圆周方向展开取出单位长度简化为一悬臂梁进行计算，计算模型过于简化，与法兰端部的实际受力情况有较大的出入，计算结果较有限元分析中的薄膜加弯曲应力分析结果偏大，见下文第5.2节。它忽略了内压作用下法兰端部的膨胀效应及附加力矩，也没有考虑形状不连续造成的应力集中问题，对于卡箍的接触反力简单处理为作用于凸缘接触面的中心。

ASME与GB150同样将板看成悬臂梁模型，区别在于将不同外力及力矩进行具体细化分析，考虑了不同内压作用力及卡箍接触面作用力，S1和S3分别对应GB150的，计算结果比较接近，而强度校准准则就采用了弹塑性准则，允许局部屈服，法兰结构满足使用要求。

3 有限元分析

3.1 有限元分析模型

根据结构的对称性，可选取1/4模型建立实体模型，在法兰端部与内压容器筒体连接处由于厚度不连续，会产生边缘附加应力，根据圣维南理论，当离开不连续体的距离大于2.5时，边缘附加应力的影响可以忽略不计，因此截取220 mm的筒体长度计入计算模型。

3.2 建模及网络划分

3.2.1 整体模型

实体模型采用 solid95单元，接触单元采用contact170和target174，先建立下法兰、上法兰及卡箍的截面，再对截面划分映射网格，利用旋转操作生成体和六面体网格。模型设置3个接触对，上法兰凸缘与卡箍内表面，下法兰凸缘与卡箍内表面，上法兰下端面与下法兰上端面。卡箍接触面定为目标面，上法兰凸缘和下法兰凸缘接触面定为接触面，上法兰下端面定为目标面，下法兰上端面定为接触面，模型如图2所示。

图2 卡箍式快开结构有限元模型Fig.2 The FEM of the clamp connections

3.2.2 边界条件及载荷施加

工况1:上法兰连接重物7.8 t，下法兰与上法兰连接后额定工作压力为3 MPa，有效密封面直径740 mm，连接后受内压作用对上法兰上端面产生的提升拉力为12.415 MPa。

下法兰、上法兰及卡箍的侧截面约束周向位移，下法兰下端面固定约束，上法兰上端面约束径向和周向位移。下法兰内表面、上法兰内表面，及下法兰上端面、上法兰下端面的有效密封直径内的内表面施加3 MPa的内压，上法兰上端面施加12.41 MPa的提升拉力，法向接触刚度因子取为1(大变形实体单元一般取1)［3］，摩擦系数取为0.15。

工况2:下法兰、上法兰及卡箍的侧截面约束周向位移，下法兰下端面固定约束，上法兰上端面约束径向和周向位移。下法兰承受重物7.8 t产生的均压为0.74 MPa，如图3和图4所示。

3.3 求解运算及结果

采用PCG运算器，打开线性搜索，按第四强度理论的接触分析结果如图5～图12所示。

由图5～图12可知，卡箍上下接触面受力并不对称，原因为上下法兰及卡箍刚度不一致，变形不协调，造成卡箍上下接触面积不同，而且随着内压增加，接触面在缩小，造成应力集中，这种加载时接触面积小于未加载时接触面积的情况称为退缩接触，属于非Hertz接触。从图中可以看出，下法兰变形远小于上法兰，卡箍上下接触面不对称且相差较大，应力集中严重，设计不能充分发挥结构的承载能力。

4 强度校核

4.1 路径定义

由于工况1应力强度比较大，在最大应力强度点及其他危险部位作路径分析校核强度。选择路径方向的一般原则是选取截面上裂纹扩展路径最短、导致破裂最危险的方向。因此在结构不连续区定义路径，共计9条，进行应力分类校核，如图13所示。

4.2 对路径线性化处理

将当量应力强度映射到各路径上，Ansys按指定的路径列表给出应力分类有Membrane，Bending，Membrane Plus Bending，Peak及Total，如图14～图22所示。

4.3 应力强度评定

主要应力强度和次要应力强度组合评定如表1所示［4］，对于16 Mn 锻件，Sm=150 MPa

表1 工况1应力强度评定Tab.1 The mises stress assess in condition one

根据上述计算，卡箍式快开结构满足强度要求，而且强度储备很大，应结合结构密封刚度要求对结构尺寸进行优化。

5 下法兰凸缘局部应力分析

5.1 下法兰应力集中系数

根据船体结构疲劳强度指南的应力集中系数定义，采用在同一工况下同一位置粗细网格的计算对比，来获得此结构的应力集中系数。取1/4模型，下法兰下端面约束轴向位移，侧面进行对称约束，在内表面及上端面有效密封范围内施加3 MPa的内压，根据工况1受力等效在下法兰凸缘处施加27.56 MPa的均匀压力。根据主应力计算应力集中系数为1.526。如图23～图25所示。

5.2 有限元与规范计算比较

表2 工况1细网格模型结算结果与规范计算比较Tab.2 The stress comparison between fine mesh model and rule in condition one

6 下法兰疲劳校核

6.1 应力幅确定

根据JB4，732及 ASME要求［5］，应力循环总数超过1000次就要进行疲劳校核。本卡箍式快开结构使用寿命为30年，循环使用次数约4800次，每次使用过程中先后经过下法兰与上法兰对中锁紧、下法兰与上法兰对接密封受压等2个工况状态。

按照ASME标准，材料疲劳曲线是由光滑试杆进行对称循环弯曲试验经平均应力、安全系数修正得到的，应力范围取包括1次、2次和峰值应力在内的当量总应力范围。

由于下法兰为非焊接件，不用考虑焊缝疲劳强度减弱系数，将工况1单元应力分量减去工况2应力分量，求得当量Mises等效应力范围即2 Sa最大的节点为164 MPa，考虑到应力集中，将此乘以1.526得250 MPa，此值小于当量总应力范围极限值3 Sm(450 MPa)，故不用考虑疲劳强度损失系数。因此下法兰的应力幅Sa=125 MPa。

6.2 疲劳寿命

根据ASMEⅧ－22010版ANNEX3.F DESIGN FATIGUE CURVES，σuts≤552 MPa的低合金钢规定，采用3.F.1表格参数计算，此疲劳曲线已包括了平均应力的影响。采用Matkab编程画出此曲线，如图26所示。

根据有限元的计算应力幅Sa=125 MPa，得出寿命为1.5682×105＞4800，因此下法兰满足使用要求。

图26 16 Mn S-N疲劳曲线Fig.26 The S-N fatigue curve of 16 Mn

7 结语

本文针对GB150-98、JB4732以及ASME规范中对筒体端部、卡箍、螺栓载荷相关规定进行校核计算，指出了规范计算的保守性，并利用有限元进行接触应力分析，揭示出上下法兰变形不协调导致退缩接触，结构应力集中严重，卡箍不能完全发挥承载能力。在此基础上计算下法兰局部应力集中系数获得真实应力幅，结合S-N曲线进行疲劳分析，得出下法兰疲劳寿命满足使用要求。本文所述结构虽满足强度及疲劳寿命要求，但是接触分析所得应力分布规律揭示出卡箍式快开对接法兰结构设计时应协调刚度、强度、疲劳储备等三方面因素，以充分发挥材料及结构承载能力，实现减轻重量，节约成本的目的。

［1］GB150－98，钢制压力容器［S］.

［2］ASMEⅧ－1，锅炉及压力容器规范-容器建造规则［S］.

［3］高耀东.ANSYS机械工程应用精华30例［M］.北京:电子工业出版社，2010.175 －190.GAO Yao-dong.The thirty essence examples of mechanical engineering application［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2010.175 －190.

［4］JB4732－95，钢制压力容器分析设计标准［S］.

［5］ASMEⅧ-2，锅炉及压力容器规范－压力容器建造另一规则［S］.

［6］范万春，王永卫.卡箍式快开盖结构应力分析［J］.石油化工设备，2008，37(1):30 －34.FAN Wan-chun，WANG Yong-wei.Stress analysis of quickopening clamp structure［J］.Petro-Chemical Equipment，2008，37(1):30 －34.