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特殊机械密封结构的密封特性分析
作者:曹明 贺寅彪
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国内某核电站改造项目中,要求对其中的承压部件按照规范进行应力分析以及疲劳分析。在承压部件中部,通过夹具和螺栓压紧上下法兰以及其中的一个特殊的密封圈来实现机械密封。但是在未作实际操作之前无法得知在施加预紧力之后密封结构是处于何种状态的,无法继续对承压部件进行应力分析。为此对该结构进行数值模拟分析,不仅为机械密封提供支持性材料,同时也为承压部件的应力分析提供载荷。

1 结构及参数

1.1 结构简介

该承压部件安装在管座上,其承压边界部分主要由上下法兰和管座共同组成。下法兰与管座之间采取梯形螺纹连接,并以omega焊密封。上下法兰之间加金属垫片,并使用螺栓和夹具压紧以实现机械密封。顶部依靠螺栓预紧,在热电偶导管与上法兰之间产生作用力实现机械密封,热电偶承压部件结构简图见图1。由图1可以发现,在未作装配或分析之前不能清楚的得知预紧力会使整个结构处于怎样的状态以及上下法兰与密封圈之间的作用力大小。

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图1 承压部件结构简图及密封结构实际装配
1,上法兰;2,夹具及螺栓;3,下法兰

1.2 材料及材料参数

上下法兰、密封圈、夹具以及螺栓所使用的材料及其性能如表1所示。

表1 材料机械性能表
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1.3 载荷

1.3.1 设计载荷

承压部件的设计压力为17.16MPa,密封预紧力F=15563N。

1.3.2 上下法兰与夹具之间的接触压力

承压部件的设计压力为17.16MPa,密封预紧力F=15563N。

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图2 轴对称截面上力分解示意图

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图3 水平方向力分解示意图

假设夹具与法兰接触面上有接触压力为p,如图2和3所示,有

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所以,接触压力p=67.6MPa。

2 计算模型

2.1 有限元模型及边界条件

密封是一个典型的非线性接触问题,而计算中还需考虑材料特性的非线性(本文对材料进行理想弹塑性假设),所以本工作采用非线性功能较为强大的有限元软件MSC.Marc进行分析计算。根据结构的几何及载荷条件,使用轴对称单元对结构进行模拟。将使用解析法得到的接触压力作为边界条件,采用有限元软件MSC.MARC进行接触分析,轴对称有限元模型及边界条件。密封结构有限元模型及边界条件如图4和图5。节点数和单元数分别为:2750和2547。

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图4 密封结构有限元模型及轴向位移约束条件

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图5 计算模型的载荷(接触压力和内压)示意

2.2 载荷

分布施加载荷,先加接触压力,然后加内压,卸载顺序与加载相反,加载路线分别示于图6、7。图6中a b c d表示接触压力加载过程(其中b c之间考虑法兰与垫圈之间的接触情况,为提高计算精度适当放慢加载速度),d e间对应内压载荷加载卸载过程(图7),e f表示接触压力卸载过程。

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图6 接触压力加载路线

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图7 内压加载路线

3 计算结果

3.1 接触力

通过对计算结果的分析,如图8和图9所示,得到在密封圈各个位置的密封力,如表2所示,这样就可以将总接触力作为整个承压部件的应力分析以及疲劳分析的边界条件,不再详细叙述。根据核电厂的使用经验,在这样预紧载荷条件下,该密封结构的密封性能可以得到保证。

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图8 接触力分布情况

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图9 等效应力强度分布情况

表2 密封圈上的接触力
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3.2 结构密封特性

当法兰端部与垫片接触以后!倾斜密封面上的密封力基本上不再增加,而载荷全部被端部接触面承受(图10),即倾斜密封面上的密封力主要与密封圈的材料和形状有关,而与载荷(预紧力)大小的关系不大。因此,可避免现场施工时不确定因素造成的密封力不足或过大的问题。由图10还可看出,内压使端部的密封力减小,而使倾斜密封面上的密封力增加,说明该密封结构还有一定“自紧”能力。

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图10 密封力随加载变化情况
1--倾斜密封面上的密封力;2--端部封面上的密封力

4 结束语

本文尝试运用非线性分析程序MSC.Marc对一种较为特殊的机械密封结构进行了弹塑性大应变分析,对其密特性能有了较为深入的了解。结果表明,使用MSC.Marc进行密封性能的弹塑性大应变分析的方法可行,并且将其计算结果作为后续的应力分析以及疲劳分析计算的边界条件,节省了试验或者实际操作成本。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/7/2011)
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