一、前言
中腔密封失效是閥門的*基本失效形式之一，閥門中空的密封性能與由法蘭、螺栓、墊片與閥體閥蓋頭構(gòu)成的系統(tǒng)剛度分布和變形形態(tài)有關(guān)，并涉及密封環(huán)性能、開槽尺寸和表面粗糙度等材料和工藝因素，且存在多種瞬態(tài)工況及傳熱影響，分析和試驗(yàn)過程相當(dāng)復(fù)雜。
2010年底，某閘閥在歐洲用戶發(fā)生中腔泄漏問題，拆卸后，發(fā)現(xiàn)中腔密封墊片破損嚴(yán)重。為了查明閘閥中腔泄漏的根本原因以及提供科學(xué)依據(jù)，筆者對(duì)該閥門的法蘭墊片螺栓系統(tǒng)進(jìn)行初步的分析和研究。在參考前人的工作基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元方法建立法蘭墊片密封系統(tǒng)的三維有限元計(jì)算模型，進(jìn)行了彈塑性接觸分析和穩(wěn)態(tài)熱－結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，得到法蘭墊片密封系統(tǒng)的溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。分析結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)工況下閘閥的法蘭密封系統(tǒng)可以同時(shí)滿足強(qiáng)度要求和密封要求，但在溫度劇變使中腔結(jié)冰的情況下，由于螺栓的軸向變形及墊片的回彈性，使得作用在墊片的接觸壓應(yīng)力小于密封比壓，從而形成泄漏。
二、問題描述
發(fā)生泄漏的某閘閥的三維幾模型如圖1所示，泄漏閥門大部分安裝在豎直管道上，閥桿處于水平位置。用戶*初對(duì)整個(gè)管道充滿介質(zhì)水，進(jìn)行打壓檢查管路密封性能，試驗(yàn)壓力2.89MPa，閥門未有異常；試驗(yàn)結(jié)束后，管道內(nèi)有水殘留，殘留水量不詳。后來在歐洲當(dāng)?shù)貧鉁丶s-10℃時(shí)，管道內(nèi)和閥門內(nèi)部水存在結(jié)冰現(xiàn)象，用戶在對(duì)整個(gè)管路試運(yùn)行時(shí)（氣溫約為1℃），閘閥中腔發(fā)生嚴(yán)重泄漏，且密封墊片破損嚴(yán)重。
圖1 三維幾何模型
根據(jù)內(nèi)部質(zhì)量記錄，該批閥門在出廠前一律通過了1.5倍設(shè)計(jì)壓力的殼體試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)用戶提供的信息，閥門在*初安裝到管道上后，整個(gè)管路打壓，閥門中法蘭處也沒有發(fā)現(xiàn)泄漏，可初步認(rèn)為，閥門的設(shè)計(jì)及制造過程是沒有什么問題的。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)人員反饋，在管道內(nèi)部發(fā)現(xiàn)大量結(jié)冰體，懷疑可能存在管路打壓后，介質(zhì)未排出或未全部排出現(xiàn)象，這可能是引起泄漏的表面原因。為此，對(duì)該閥門的復(fù)雜工況進(jìn)行仿真模擬，科學(xué)分析泄漏的實(shí)質(zhì)原因。
三、三維密封系統(tǒng)有限元模型
由于該閥門幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件大致呈1/4對(duì)稱，在有限的時(shí)間內(nèi)，為減少工作量，取模型的1/4作為研究對(duì)象并建立有限元計(jì)算模型。
（1）網(wǎng)格劃分
在本計(jì)算模型中，共選用了四種單元，高階次實(shí)體單元SOLID95，面面接觸單元TARGE170與CONTA174，螺栓預(yù)緊單元PRETS179，質(zhì)量單元MASS21。本模型全六面體劃分，一共74927個(gè)單元，158376個(gè)結(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格模型如圖2所示。
圖2 網(wǎng)格模型
面－面接觸單元支持低階和高階單元，支持有大滑動(dòng)和摩擦的大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計(jì)算，單元不對(duì)稱剛度陣的選項(xiàng)，允許有自然的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)。在接觸面、應(yīng)力集中區(qū)域網(wǎng)格要進(jìn)行加密，共形成12個(gè)接觸對(duì)，單元總數(shù)2682個(gè)。螺栓與墊片部件的網(wǎng)格及接觸對(duì)單元如圖3所示。
圖3 部件網(wǎng)格及接觸單元對(duì)
（2）材料特性及邊界條件
有限元計(jì)算模型中各部件的材料分為線彈性和非線彈性兩種，除了墊片以外的各部件，在本分析中都假設(shè)為線彈性材料。墊片加載和卸載的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線性，在本文中采用了指數(shù)曲線σ＝1.5e10ε2+1.39e9ε+100000來擬合這種非線性關(guān)系。
位移邊界條件包括對(duì)稱約束、出口端面全約束和水結(jié)冰膨脹位移，載荷邊界條件涉及螺栓預(yù)緊力、內(nèi)壓和熱載荷。計(jì)算工況包括預(yù)緊工況、設(shè)計(jì)工況（預(yù)緊+內(nèi)壓）以及工作工況（預(yù)緊+內(nèi)壓+溫變+膨脹位移）。
四、計(jì)算結(jié)果及分析
多工況計(jì)算可以全面研究螺栓法蘭墊片系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律和密封機(jī)理，能得到法蘭墊片密封系統(tǒng)各部件的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，尤其可以獲得墊片的壓縮量、墊片與接觸狀態(tài)、接觸應(yīng)力、結(jié)合面的間隙等很重要的定量數(shù)據(jù)。這里僅給出的部分計(jì)算結(jié)果，著重分析閘閥中腔泄漏的根本原因。
無論是設(shè)計(jì)工況還是工作工況，墊片的應(yīng)力分布均呈復(fù)雜狀態(tài)。要保證密封良好，必須在墊片上形成一條壓應(yīng)力不小于密封比壓的周向閉合環(huán)帶，這里有幾個(gè)要求：一是環(huán)帶必須要閉合，否則就會(huì)泄漏；二是壓力不能過大，否則墊片被壓潰；三是閉合環(huán)帶的應(yīng)力分布盡量均勻；四是閉合環(huán)帶寬度越大越好。根據(jù)墊片的材料性能參數(shù)，此處要求墊片的壓應(yīng)力應(yīng)不小于65MPa，以保證緊密度。
圖4為法蘭密封系統(tǒng)工作工況下的變形云圖，從圖中可以看出，上下法蘭中部的內(nèi)側(cè)相對(duì)原來位置張開，而上下法蘭中部的外緣則產(chǎn)生相互靠近變形，使得螺栓除了拉伸變形外，還有向外的彎曲變形，從而引起以拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力合成的應(yīng)力強(qiáng)度，如圖5、圖6所示。在預(yù)緊力和外載荷的作用下，墊片受壓，但由于在上述變形條件下，墊片的外邊緣緊緊受壓，而內(nèi)側(cè)受壓狀態(tài)不理想。
圖4 工作工況下的閥門變形（50倍）
從圖5、圖6可以看出，由于結(jié)構(gòu)的周期不對(duì)稱性，各個(gè)螺栓的應(yīng)力狀態(tài)及大小是不一樣的，中部螺栓的應(yīng)力*大。設(shè)計(jì)工況時(shí)，由于螺栓預(yù)緊力作用而引起，以拉伸應(yīng)力為主和少量彎曲應(yīng)力合成的應(yīng)力強(qiáng)度值為252MPa，稍超出了螺栓材料的屈服強(qiáng)度值，螺栓產(chǎn)生塑性變形。而工作工況時(shí)，其以拉伸應(yīng)力為輔和彎曲應(yīng)力為主的合成應(yīng)力強(qiáng)度值僅為66.8MPa，反而比設(shè)計(jì)工況時(shí)小，這是因?yàn)檫B接件之間的間隙變大的緣故。
圖5 設(shè)計(jì)工況下的螺栓應(yīng)力強(qiáng)度
圖6 工作工況下的螺栓應(yīng)力強(qiáng)度
圖7為工作工況下的墊片的接觸應(yīng)力分布云圖，可以看出，墊片的應(yīng)力分布不是均勻分布的。上下兩個(gè)被壓面應(yīng)力分布狀態(tài)相似，但大小不一樣；徑向（從內(nèi)圈到外圈）應(yīng)力分布狀態(tài)差別很大，墊片的外邊緣主要受壓縮作用，產(chǎn)生壓應(yīng)力。同時(shí)，墊片的周向應(yīng)力大小也有所不同，為了保證緊密性，要求在墊片的周向壓緊面上必須存在一條壓應(yīng)力不小于密封比壓的閉合環(huán)帶，否則就會(huì)泄漏。而工作工況時(shí)，外載荷產(chǎn)生的附加彎矩導(dǎo)致墊片沿周向應(yīng)力分布極不均勻，墊片的受拉側(cè)（即內(nèi)側(cè)）與法蘭產(chǎn)生相對(duì)分離趨勢(shì)，使得墊片壓應(yīng)力迅速減小，墊片的*大壓應(yīng)力不到30MPa，遠(yuǎn)小于所要求的密封比壓65MPa，并且應(yīng)力分布極不均勻，這是閘閥中腔泄漏的根本原因。
圖7 工作工況下的墊片接觸應(yīng)力
從以上分析來看，在設(shè)計(jì)工況時(shí)，采用較大的預(yù)緊力擰緊螺栓，能使閥門中腔墊片壓緊而不泄漏。但設(shè)計(jì)所取的預(yù)緊力偏大，不但使得螺栓的應(yīng)力超出屈服極限而產(chǎn)生塑性變形，而且使得墊片的壓應(yīng)力分布不均勻，壓應(yīng)力閉合環(huán)帶寬度偏窄。在工作工況時(shí)，由于復(fù)雜外載荷的作用，產(chǎn)生螺栓應(yīng)變?cè)龃蠖疬B接部件間間隙變大，從而過分減少墊片壓力而導(dǎo)致泄漏。
五、結(jié)語
本文應(yīng)用有限元理論、非線性接觸模型和熱－結(jié)構(gòu)耦合模型，建立三維有限元計(jì)算模型進(jìn)行求解，科學(xué)分析閘閥中腔泄漏的原因，為中法蘭泄漏原因及法蘭墊片螺栓系統(tǒng)的強(qiáng)度及緊密度設(shè)計(jì)及研究提供了新的思路和技術(shù)手段。
參考文獻(xiàn)
[1]杭華江，李潤(rùn)方，林騰蛟.某電站核容器法蘭三維瞬態(tài)密封分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26（11）：27-30.
[2]張婧，金圭.O形密封圈接觸壓力的有限元分析[J].潤(rùn)滑與密封，2010，35（2）：80-83.
[3]周恩濤，李建勛，林君哲.液壓缸活塞密封性能的有限元分析[J].潤(rùn)滑與密封，2006（4）：84-89.
[4]曹占飛.法蘭、螺栓連接系統(tǒng)的三維有限元分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2004（6）：17-24
[5]吳芳，張海永，李開建.管法蘭泄漏淺析[J].安裝，2006（5）：27-29.
[6]馮長(zhǎng)青.發(fā)電廠高壓閥門泄漏原因及處理方法[J].通用機(jī)械，2010（7）：50-53.
[7]劉紹鋒，石桂榮，鄧斌，等.內(nèi)壓自封式閥門泄漏原因探討和設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇[J].閥門，2009（3）：24-27.
熱線電話：021-51602999
聯(lián)系手機(jī)：13816268805
Copyright ?2011-2024 上海齊威閥門有限公司