高压设备用焊接密封元件的有限元分析

李　慧 ， 张文杰 ， 尹树桂

(1.惠生工程(中国)有限公司 河南化工设计院分公司 ， 河南 郑州　450018 ； 2.蒂森电梯有限公司 郑州分公司 ， 河南 郑州　450018)



•设计与计算•

高压设备用焊接密封元件的有限元分析

李慧1， 张文杰1， 尹树桂2

(1.惠生工程(中国)有限公司 河南化工设计院分公司 ， 河南 郑州450018 ； 2.蒂森电梯有限公司 郑州分公司 ， 河南 郑州450018)

摘要：为了研究焊接密封元件在高压环境下的密封性能，本文应用ANSYS软件对圆形空腔式、焊环式和卵形空腔式焊接密封元件进行有限元分析，得出如下结论：根据等效应力值和应变值，给出三种焊接密封元件的危险截面，且密封元件的应力与密封元件的焊唇长度及焊环的密封焊位置密切相关；通过对三种焊接密封元件进行应力线性化分析，可知三种密封元件均满足强度要求。

关键词：焊接密封元件 ； 等效应力 ； 强度评定 ； 应变

0前言

焊接密封元件，作为一种简单、有效且经济的新型半可拆密封结构，被广泛应用于工艺条件比较苛刻、密封要求较高而又不经常拆卸的场合[1]。常见的密封元件有三种型式：圆形空腔式、焊环式和卵形空腔式。采用ANSYS软件对上述三种密封元件进行有限元分析，根据应力值和变形量，评价密封元件的密封性能，为密封元件的工程设计奠定基础和提供依据。

1焊接密封元件的工作原理

图1为三种元件的密封形式，其工作原理为：将两个密封元件的焊环分别焊在法兰上，组装时再把焊唇部分进行密封焊接，形成一种无泄漏密封。操作时，密封元件与法兰一起承受介质的压力[2]。

图1　三种焊接密封元件的密封形式

2焊接密封元件的设计参数

2.1设计条件

设计压力为16 MPa，设计温度为160 ℃。圆形空腔式、焊环式和卵形空腔式焊接密封元件的材料均为16 Mn，该材料的弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，设计温度下的许用应力Sm=163.6 MPa。

2.2结构参数

依据HG/T 20582-2011中推荐的设计方法确定三种焊接元件的结构尺寸，如图2所示。

考虑法兰密封面尺寸限制，假设三种密封元件与法兰接触部分的刚性焊环尺寸(d2)相同，其他结构尺寸如表1所示。

图2　三种焊接密封元件的结构尺寸

结构参数圆形空腔式焊环式卵形空腔式DL106010601020D01005995995d1940920920d2100510051005

3有限元模型

3.1建模

将整个密封元件作为研究对象，采用Solid186六面体单元进行网格划分。同时，做如下假设[3]：①密封焊缝材料与母材相同；②不考虑焊脚影响；③忽略设备自重。

3.2边界处理

位移边界：①在密封元件与法兰的接触面施加轴向和环向约束；②在焊唇连接面施加轴向约束。

载荷边界：①在密封元件的内壁施加设计压力p=16 MPa；②在在密封元件与法兰的接触面施加压应力F；③在焊唇连接面施加拉应力N。

根据静力学平衡方程可知，圆形空腔式：F=20.0 MPa，N=103.2 MPa；焊环式：F=5.72 MPa，N=22.33 MPa；卵形空腔式：F=7.14 MPa，N=23.23 MPa。

4计算结果分析

4.1应力分析

圆形空腔式、焊环式和卵形空腔式焊接密封元件的结构、载荷及约束均具有轴对称性，故取三种焊接密封元件的任意横截面，观察等效应力的分布情况，见图3。

由图3可知，在相同内压作用下，圆形空腔式焊接密封元件，最大等效应力为331.89 MPa，危险截面位于焊环与焊唇的圆弧过渡段外表面；焊环式焊接密封元件，最大等效应力为139.69 MPa，危险截面的位置与圆形空腔式大致相同；卵形空腔式焊接密封元件，最大等效应力为71.63 MPa，危险截面位于焊唇的压力腔内壁。

图3　焊接密封元件的等效应力图

经分析，密封元件的应力与密封元件的焊唇长度及焊环的密封焊位置密切相关。当焊环的密封焊位置相同时，焊唇越长，内压引起的作用于法兰内径截面上的轴向力就越大，因而密封元件的应力也相应较大；当焊唇长度相同，焊环的密封焊位置靠近法兰外侧时，法兰施加在密封元件上的压应力减小，导致密封元件的整体应力值降低。

4.2强度评定

为了评价密封元件是否强度要求，采用“等效线性化”方法，将所受各类应力加以细化和区分，根据不同应力强度许用值进行应力强度评定。通过ANSYS软件的后处理功能，在圆形空腔式、焊环式和卵形空腔式焊接密封元件的危险截面位置自定义路径。

危险截面位置自定义路径见图4。

图4　自定义路径

上述三种模型进行应力线性化处理后，可以得到局部薄膜应力(SⅡ=PL)和一次加二次应力(SⅣ=PL+Pb+Q)，相应的评定标准为SⅡ≤1.5Sm；SⅣ≤3Sm。表2为图示路径下三种焊接密封元件的强度评定结果。

表2　三种焊接密封元件的应力值

由表2可知，在相同设计压力下，三种焊接密封元件均满足强度要求。

4.3应变分析

图5为3种焊接密封元件的变形结果。

图5　焊接密封元件的变形图

由图5可知，圆形空腔式、焊环式和卵形空腔式焊接密封元件的变形量分别为：0.022、0.017、0.003 mm。且三者发生变形的位置均在焊唇，其中圆形空腔式和卵形空腔式主要集中在焊环与焊唇连接的弧形过渡区，而焊环式密封元件的焊环与焊唇连接部分不存在弧形过渡，故变形发生在焊唇的中间部位。此外，这三种密封元件的焊环部分，由于自身刚度较大，故变形量几近为0，可忽略不计。

5结论

在静力学的基础上，采用ANSYS软件对圆形空腔式、焊环式和卵形空腔式焊接密封元件进行应力应变分析，得到如下结论：

依据HG/T 20582-2011中推荐的焊接密封元件设计方法，在相同的设计压力下，圆形空腔式焊接密封元件的等效应力值最大，其后依次为焊环式和卵形空腔式。经分析，密封元件的应力与密封元件的焊唇长度及焊环的密封焊位置密切相关。同时，根据等效应力云图可确定三种密封元件危险截面的位置。

采用“等效线性化”方法，对三种密封元件进行应力细化和区分后可知：在承受内压时，焊接密封元件在整体范围内存在薄膜应力、弯曲应力，以及在结构不连续处产生的峰值应力；此外，经过应力强度评定，三种焊接密封元件均满足强度要求。

上述三种焊接密封元件最易发生变形的位置均在焊唇，其中圆形空腔式和卵形空腔式主要集中在焊环与焊唇连接的弧形过渡区，而焊环式密封元件则集中在焊唇的中间部位。

参考文献：

[1]冯秀,顾伯勤,陈晔.Ω环塑性极限载荷的确定[J].南京工业大学学报,2004,26(4):53-57.

[2]张文杰,李慧.焊接密封元件的设计与优化[J].广东化工,2015,42(3):111-112.

[3]柴西平,杨博雯,韩冰焱,等.焊接密封元件的应力计算和强度分析[J].化学工程与装备,2013(10):122-125.

收稿日期：2016-04-11

作者简介：李慧(1986-)，女，助理工程师，从事压力容器设计工作，电话：15639256199。

中图分类号：TQ050.2

文献标识码：B

文章编号：1003-3467(2016)06-0044-03