硫化罐封头法兰刚度的有限元分析

赵常铭 金志浩 汤方丽 代立鹏

摘 要：根据ASME标准，法兰刚度变化可由法兰转角反映。对某硫化罐进行分析，利用ANSYS有限元软件进行有限元计算，对封头法兰端面定义路径并由路径上点位移换算成路径转角。通过改变尺寸参数，最终得到封头法兰端面不同位置刚度变化规律并指出硫化罐端盖部分易发生泄漏位置。

关 键 词：硫化罐;齿啮式快开结构;法兰刚度;有限元

中图分类号：TQ 050.2 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）06-1309-03

Finite Element Analysis of the Stiffness of Vulcanizing Boiler Head Flange

ZHAO Chang-ming， JIN Zhi-hao，TANG Fang-li，DAI Li-peng

（Shenyang University of Chemical Technology， Liaoning Shenyang 110142， China ）

Abstract： According to the ASME standard， the change of stiffness of flange can be reflected by the flange deflection angle. In this paper， the finite element computation of a vulcanizing boiler was carried out by using the finite element software ANSYS， the path on the end of head flange was defined， and point displacement on the path was converted into a path deflection angle. By changing the size parameter， change rule of rigidity of the end of head flange in different position was obtained， and the easy leakage location was pointed out.

Key words： Vulcanizing boiler; Tooth-locked quick closure institution; Tlange rigidity; Tinite element

硫化罐广泛应用于橡胶制品的硫化，是橡胶工业的重要生产设备，由于大多橡胶制品的硫化过程均为间歇式操作，故硫化罐端盖一般采用齿啮式快开结构。齿啮式快开结构是在外力作用下，将盖门旋转一定角度，达到快开功能的一种装置。由于该结构形状特殊、受力复杂，目前为止我国尚未出台通用的齿啮式快开装置设计标准，通常是根据经验设计，然后进行应力分析和强度校核[1]。这样的结果较保守，造成了材料浪费，为此，国内外研究人员对该结构的应力分布情况进行了大量研究[2-4].随着ANSYS软件的广泛应用，工程设计人员通过优化设计方法能够得到结构尺寸更加合理且满足强度要求的齿啮式快开压力容器。但是，设计人员在设计过程中通常只认识到强度失效的重要性，而齿啮式快开结构法兰刚度是否失效往往被忽视，因此可能存在由于刚度失效而引起泄漏失效的危险。

本文以某硫化罐为例，利用ANSYS软件的APDL语言进行参数化建模，通过改变封头、筒体法兰的法兰环高度，依次进行有限元分析，以得出硫化罐封头法兰端面的刚度变化规律。

1 硫化罐端盖快开结构

硫化罐主要由端盖、罐体、驱动装置、安全联锁机构等部件组成。本文将重点研究硫化罐端盖快开结构，硫化罐的端盖主要由封头法兰、罐体法兰组成。本文研究对象硫化罐基本设计参数为：公称直径DN=2 000 mm，设计压力P=1.0 MPa，封头、罐体法兰材料为16MnⅡ，筒体及封头材料Q345R.其结构简图见图1。

图1 硫化罐端盖结构简图

Fig.1 The size diagram of the vulcanizing boiler end closure

2 有限元模型

本文采用APDL语言参数化建模，实现了模型的自动生成与网格自動划分并施加约束条件。

2.1 有限元模型建立

由于模型较大，为了节省计算资源，将模型处理为广义轴对称问题。取相邻两对啮合齿的各1/2以及一个完整齿间建模。当离开不连续处的距离（即圆筒的长度）超过 （R为圆筒半径，δ为圆筒壁厚）时，边缘应力的影响可以忽略不计，因此筒体长度应大于 [5]。具体建模方法如下：

首先利用*set命令定义参数并对其赋值，其次由下到上按照点、线、面顺序绘制图形，vrotat命令将面旋转成体。最后利用Booleans操作得到实体模型，见图2。

图2 硫化罐端盖部分有限元模型

Fig.2 The entity model of the vulcanizing boiler end closure

2.2 网格划分及接触对建立

本文选用实体单元SOLID95并对其进行网格划分，Esize5命令控制网格精度，其中封头部分采用自由划分方式，其他部分采用映射网格划分方式。在封头法兰齿与罐体法兰齿啮合处创建接触对，模拟两接触面间相互作用、变形协调的过程。本文研究对象属于面-面接触类型，将罐体法兰齿下表面定义为目标面，封头法兰齿上表面为接触面。为了防止发生两个接触面过多的相互嵌入，同时使计算容易收敛，设定法向刚度系数FKN=2.1。

2.3 施加载荷及边界条件

封头、筒体及上下法兰环内表面受到均布内压作用，盖顶法兰下端面密封槽以内区域受均布内压作用。同时根据广义轴对称特点，两齿中面周向位移为零。球冠封头顶端径向位移为零。为防止整体轴向位移，筒体下表面轴向位移为零，见图3。

图3 位移边界示意图

Fig.3 Displacement periphery sketch map

3 法兰刚度

3.1 刚度失效

压力容器的失效形式大致可分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效四大类[6]。在压力容器的设计过程中，仅仅考虑强度是否失效是不安全

的，还要避免其刚度失效而引起密封失效。由于法兰刚度不足而产生过大的变形是大多数法兰连接密封失效的主要原因之一。针对齿啮式快开结构端盖，主要体现为啮合齿或法兰环由于刚度不足而产生弯曲变形，造成啮合齿的脱滑，也可能由于法兰的过度变形引起泄露或密封力不足。

3.2 法兰刚度校核

新的GB150中给出了法兰刚度校核公式，即使系数J≤1[7]. 由GB150中给出的公式可以看出，压力容器标准主要是从法兰受力角度来校核法兰刚度。但在ASME标准中对法兰刚度校核方法与GB150中对法兰刚度校核稍有不同，ASME标准中，给出了通过控制法兰转角来校核法兰刚度。文献[8]中对此进行研究，将法兰大小端厚度转换为上下厚度相等的圆柱壳来简化计算，根据薄壳理论，计算在力矩下产生的转角。即ASME要求， 锥颈在法兰设计力矩作用下， 整体法兰由边界力矩引起的法兰端面转角应控制在0.3°以下。因螺栓连接法兰与快开结构法兰密封机理相似，故对于快开结构法兰的刚度分析，亦采用通过法兰端面旋转角度来反应法兰刚度的变化。

4 封头法兰有限元刚度分析

4.1 有限元刚度分析方法

对封头法兰进行刚度分析，只需得到封头法兰端面转角即可。具体方法如下：

首先，一次有限元计算结束后，利用ANSYS軟件后处理功能在封头法兰端面定义7条路径，见图4。分别提取每条路径上点在X轴Y轴方向位移变化，根据加载后的坐标计算出路径转角。

图4 路径示意图

Fig.4 Schematic diagram of path

其次，修改命令流中的封头、罐体法兰的法兰环高度参数，即图1中L1、L2尺寸，重复计算路径角度。通过路径的转角，即可分析出封头法兰端面刚度变化情况。

4.2 有限元刚度分析结果

按照表1修改尺寸参数，进行7组有限元计算，得出封头法兰不同位置路径转角，见图5。

表1 尺寸参数

Table 1 The dimension parameters

图5 不同法兰环尺寸路径转角

Fig.5 The path deflection angle of different flange ring sizes

对7组不同法兰环尺寸情况下的封头法兰转角进一步分析，可得到最大转角与最小转角之差的变化规律，见图6。

5 结 论

通过以上分析，可得出如下结论：

（1）封头法兰端面刚度变化并不一致，其中啮合齿中心位置所对的密封面变形角度最大，故可认为当硫化罐工作时，啮合齿处为易发生泄漏位置。

（2）不同法兰环厚度的快开结构法兰，其自身不同位置的刚度差异亦不相同，故对于法兰环较厚且直径较大的快开结构法兰，应注意考虑使用回弹能力较强的垫片，以防止泄漏。

图6 路径最大与最小转角差

Fig.6 The path of maximum and minimum deflection angle

参考文献：

[1]王海英.对硫化罐设备设计的几点体会[J].化工设备设计，1996，33（3）：15-18.

[2]郑津洋，苏文献，徐平，等.基于整体有限元应力分析的齿啮式快开压力容器设计[J].压力容器，2003，20（7）：20-24.

[3]金伟姬，陈冰冰，方德明，等.硫化罐卡箍结构的分析计算[J].压力容器，2002，19（2）：18-20.

[4] 刘黎.齿啮式蒸压釜法兰中的应力分析[J].压力容器，1989，6（1）：48-50.

[5]黄进.带椭圆形封头的整体转圈齿啮式快开装置强度及工程设计方法的研究[J].化工装备技术，2000，19（4）：18-27.

[6]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2010：108-110.

[7]中国国家标准化管理委员会，GB150.1-150.4-2011，压力容器[S].中国标准出版社，2011：197.

[8]桑如苞.美国ASME法兰设计刚度计算方法分析[J].石油化工设计，2009，26（1）：1-5.