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管程介质温差对管箱法兰密封性能的影响

点击:1833 日期:[ 2014-04-26 22:14:05 ]
                           管程介质温差对管箱法兰密封性能的影响                          1.黄英   1.冯世磊   2.李国成   2.吴龙平 (1.独山子石化总厂,新疆独山子833600;2.中国石油大学(华东)。山东东营 257061)     摘要:利用ANSYS软件建立了U形管换热器或浮头式换热器管箱法兰密封系统三维有限元模型,并将预紧状态与操作状态紧密联系,在一定程度上分析了在预紧、只有压力作用以及压力与温差共同作用时3种工况下管箱法兰的密封性能。     关键词;换热器l管箱;法兰密封;温差;有限元分析     中图分类号:TQ 053.2 文献标识码:B     U形管换热器和浮头式换热器管程介质之间的高温差使得温度沿管箱法兰密封面(包括径向和周向)分布不均匀。在温度梯度较大的区域就会因变形不协调而导致管箱法兰与管板连接处的密封失效。因此,管程介质之间的高温差往往是U形管换热器和浮头式换热器管箱法兰密封面出现泄漏的主要原因。为说明管程介质之间温差对管箱法兰密封的影响,文中采用三维有限元方法,考虑了垫片的非线性,以独山子石化总厂一台双管程浮头式换热器为例,计算分析了在预紧、只受管程压力作用和管程压力与管程温差共同作用3种工况下管箱法兰的密封性能。     1 设计及结构参数     分析用双管程浮头式换热器壳程设计压力为1.58 MPa,管程设计压力1.01 MPa。壳程设计温度t98℃ ,管程入口温度288℃ ,出口温度194℃。管板厚度6O mm,管箱筒体及封头厚度12 mm,材料均为16MnR。螺栓规格为M24,共24个,材料为35CrMoA。换热管规格为Φ25 mm ×2.5 mm,共377根,其材质为2O钢。该管箱法兰的规格为PN2.5 MPa、DN800 mm,材料为16Mn(Ⅱ级锻件)。垫片为不锈钢石墨缠绕垫片,压力等级     2.5 MPa,厚度4.5 mm。     2 有限元模型     2.1 模型简化     管箱密封结构见图1。管箱法兰的连接是由管箱法兰、壳程法兰、管板、管箱隔板、垫片、螺栓和螺母组成的一个静不定系统。在有限元计算中必须考虑密封系统各部件的变形、管程与壳程的各种工况组合以及垫片的非线性特性对密封的影响,所以确定应用有限元程序ANSYS建立三维实体(包括管箱封头、管箱简体、管箱法兰、垫片、螺栓和管板)有限元模型,在建模时按文献[1]对管板和螺栓作如下简化:将管板简化为管板布管区被管孔削弱但厚度不变、不开孔的当量板并取当量板的削弱系数η=0.4或者没有受到开孔削弱和管束弹性支撑、厚度仍为原厚度的普通圆板[1]。将螺栓简化为一端与法兰环相连的二力杆,只受到拉压变形,忽略螺栓的弯曲应力。为了能使螺栓单元的受力能与实际相符,假设在操作状态下螺栓的弯曲变形仍然在螺栓长度的1/2处,模型只取螺栓的1/2长度。                          2.2 单元选择和网格化分     从载荷的性质来讲温度载荷是体载荷,只要存在温差,构件的变形和温差应力都与构成管箱密封系统各部件的尺寸有关,因此根据以上模型的简化以及换热器管箱密封系统结构的对称性和温度分布特征,取管箱密封系统1/2实体建立有限元模型。该模型包括管箱封头、管箱筒体、管箱法兰、垫片、1/2长度螺栓和1/2厚度管板6个部件。     在结构分析中用三维实体单元SOLID 95模拟管箱封头、管箱筒体、管箱法兰和管板;使用IN—TERFACE 194单元模拟垫片的非线性特性;用三维杆LINK 8单元模拟1/2的螺栓长度。在温度场的分析中用SOLID 90模拟管箱封头、管箱筒体、管箱法兰和管板;用LINK 33模拟1/2的螺栓长度。网格划分主要以垫片为中心,因此,相对于模型的其他部件,垫片的网格划分较密。由于只考虑螺栓拉压变形,所以在划分单元时将每个螺栓作为一个单元。划分完网格后的三维实体模型见图2。                        2.3 材料的物性参数     模型中除垫片以外,其余均为线弹性材料,它们的主要物理性能为:16MnR和35CrMoA的弹性模量E分别为1.87×10 MPa以及2.O2×10 MPa,泊松比μ为0.3;16MnR材料的线膨胀系数为12.818×10 ram/(mm · C),其导热系数 =0.053 2 kW/(mm-℃);35CrMoA的导热系数 一0.048 kW/(mm ·。C),其线膨胀系数则为l3.146×10 mm/(mm ·℃)垫片材料具有很强的非线性特性,其压缩回弹曲线见图3。                       按ANSYS对INTERFACE 194单元的线膨胀系数a的定义,将缠绕垫片可看作复合材料,忽略垫片各层之间的热阻,按复合材料厚度方向线膨胀系数公式确定垫片的线膨胀系数a:                                         2.4 模型的位移边界条件     根据该设备的结构、载荷特性以及温度分布特性在总体坐标系下对模型施加边界约束。在模型与设备另一半的交界面上加对称约束,用来限定Z轴方向位移。在管板中性面上限定轴向位移X=0。将管箱和管板限定在同一中心轴上,使得Y轴方向位移为0。     2.5 换热器温度场的边界条件     在稳定操作状态下,换热器内流体的流动是连续的,这时的温度场不随时间变化,因此,采用稳态热分析数学模型进行温度场的模拟。在进行热分析时考虑以下边界条件:① 忽略流体与容器壁之间的热阻。②假设换热器具有良好的保温层,设备的内、外壁的温度趋于一致,换热器的外壁处可视为绝热边界。③将模型与设备另一半的交界面视为绝缘边界。     2.6 螺栓预紧力     缠绕垫片的力学性能具有非线性特征,为了能使预紧状态与操作状态紧密联系起来,在预紧状态下分两步施加螺栓预紧力:① 根据法兰所使用的材料按文献[2]中不同温度段的《长颈法兰的最大工作压力》表中的数据,用线性内插法计算出操作温度下管箱法兰的最大工作压力P 。在限定螺栓端点节点上的径向和周向两个方向的位移为0的基础上,将螺栓的预紧力w 施加在轴向方向上,计算出螺栓杆单元LINK 8节点的在轴向方向的位移。②将计算出的杆单元LINK 8的位移重新加在相应的节点上,在模型的其他边界条件不变的情况下重新计算垫片的预紧力。     螺栓的预紧力按下式计算[3]:                    式中,Tn为垫片系数;b为垫片的基本密封宽度,D j为垫片作用圆直径,mm;P 为最大工作压力,M Pa。     2.7 载荷工况     根据文献[4],对于厚管板换热器,当壳程金属温度t 大于等于管程金属温度t 且壳程管板作用压力P 小于等于管程操作压力P 时,在忽略管板的转角变形对管箱法兰密封性能影响的条件下有限元分析计算结果是安全的。按文献[4],P按下式计算:            式中,P为壳程介质操作压力,Di为壳程内径,d为换热管外径,mm; 为换热管根数。     3 有限元分析结果     文中着重讨论预紧状态、只受管程内压和管程内压与管程介质温差共同作用3种工况下的管箱法兰密封性能,其目的在于研究管箱介质温差对管箱法兰密封的影响程度。     根据文献[3]的设计要求,在操作状态下应保证垫片有效作用面积2nbD。上的平均垫片应力不小于最小工作密封比压mp才能保证法兰密封不失效。计算时取Tn=3。     实际上垫片的应力沿圆周分布并不均匀,所以设计中通常判断密封是否失效只能以最小垫片应力为标准且保证距垫片外径径向宽度为(bD )/Do(D。为垫片外径)处的垫片应力值不小于mp。因此,法兰接头密封性能的好坏是与垫片上残余应力的大小以及应力的分布状态密切相关的。     3.1 预紧状态下管箱密封性能     将按式(2)计算得到的预紧力施加在螺栓上,预紧状态的模型变形图见图4。管箱法兰垫片的应力等值分布图见图5。由图4可见,由于管箱隔板的存在,使模型的局部刚度发生变化,因此,在预紧状态下,管箱法兰沿轴向变形虽然是以隔板中面为对称面对称分布,但周向分布并不均匀。在管箱隔板处管箱法兰沿轴向变形最小,与隔板垂直处的管箱法兰沿轴向变形最大。由图5可见:① 垫片的应力同样也是以管箱隔板中面为对称面对称分布的。其中管箱隔板附近的垫片压应力最小,与隔板垂直处的垫片应力值最大。②从总体看,在预紧状态下垫片应力沿径向和周向都呈非均匀分布。从径向看,垫片外侧应力总是大干垫片内侧的应力。从周向看,两螺栓之间的垫片应力总是小于螺栓处的垫片应力,但在整个圆周方向上垫片上的压应力值相差不大。因此可以得出,预紧时管箱法兰垫片上的残余应力与垫片加载曲线和管箱法兰密封系统的结构密切相关。                                     3.2 只受管程内压作用下管箱密封性能     在预紧状态继续给模型施加1.01 MPa的管程内压,模型的变形图见图6。管箱法兰垫片的应力等值分布图见图7。由图6可见,在只受管程内压作用下,整个管箱法兰密封系统的轴向变形仍然是以隔板中面为对称面对称分布,且管箱法兰沿轴向变形的分布规律同预紧状态相同。由图7可见,压力作用使得整个管箱法兰密封结构沿轴向的变形发生的变化导致垫片发生了卸载,整个垫片上压应力值有所减小,但幅度不大,仍能很好地满足密封要求。垫片应力沿径向和周向的分布规律同预紧状态相同且在整个周向方向上的垫片应力值相差不大。                                     3.3 管程内压与管程介质温差共同作用下管箱密封性能     在预紧状态继续给模型施加1.01 MPa的管程内压和94℃管程温差载荷,模型的变形图见图8,管箱法兰垫片的应力等值分布图见图9。由图8可见,由于温度沿圆周非均匀分布,温度引起的变形与压力引起的变形相互作用后,模型的变形呈现非对称分布,温度较低一侧(上侧)管箱的轴向变形较小,温度较高一侧(下侧)管箱的轴向变形较大,这使得管箱法兰密封面明显地发生了翘曲。由图9可见,当压力和温差共同作用时。管箱法兰密封面的翘曲引起垫片应力的分布状态同预紧状态和只有压力作用时相比发生了明显的变化。垫片的应力不再以管箱隔板中面为对称面对称分布。从总体上看,虽然垫片应力值在径向的分布仍然是垫片外侧的压应力值大于垫片内侧值,但垫片应力值沿周向分布的不均匀程度远大于预紧状态和只有压力作用下的垫片应力分布。在管程温度较低一侧对称地存在着A和B 2个区域,该区域垫片的压应力值急剧下降且应力最低点总是位于两螺栓之间,因此,这2个区域最容易发生介质泄漏。这种垫片的应力分布规律说明,由温差和压力共同作用时所引起管箱法兰密封系统各部件的的轴向变形沿圆周分布不均匀是引起垫片上压紧力不均匀和导致密封面泄漏的主要原因。                       4 结论     (1)考虑了垫片的非线性特性并将管箱法兰预紧状态和操作状态紧密的联系起来,建立的三维有限元模型,具有一定的完整性。     (2)将管箱密封系统作为一个整体来研究,考虑各部件(管箱封头、管箱筒体、管箱法兰、管板、螺栓)的变形和垫片的非线性特性对密封性能的影响,在一定范围内可以真实模拟管箱的密封情况。     (3)通过分析只有压力作用下和压力与温差联合作用下的2种工况的管箱法兰垫片应力可以得出,当管程介质温差较大时,应充分考虑该温差对法兰密封性能的影响。     参考文献:     [1] GB 151-1999,管壳式换热器[s].     [2]JB/T 4700-2000.压力容器法兰分类与技术条件Is].     [3]GB 15O一1998。钢制压力容器[s].     [4] 黄荚.高温差换热器管箱法兰密封性能的研究[D].东营:中国石油大学(华东),2005.(杜编)
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