加氢高压换热器用法兰预紧碟簧有限元分析

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　　【摘要】针对加氢高压换热器法兰密封用预紧碟簧，运用非线性有限元分析软件 ABAQUS 对螺栓 - 法兰连接用预紧碟簧在轴向载荷下的压缩回弹性能进行计算模拟，得到了预紧碟簧在轴向载荷下加载 - 卸载的轴向位移分布规律，并在此基础上，给出了有无摩擦作用时预紧碟簧的压缩 - 回弹性能曲线，得到了摩擦力对预紧碟簧工作性能的影响，该研究为进一步对加氢高压换热器用法兰预紧碟簧的参数化设计以及螺栓 - 预紧碟簧 - 法兰连接系统的紧密性设计提供了理论指导。

　　【关键词】加氢高压换热器; 预紧碟簧;密封性能; 有限元法
　　石油加氢是石油产品精制、改质和重油加工的重要手段。随着石油、化工装置向着大型化和高参数方向发展， 换热器作为装置系统能量平衡和能量回收中不可缺少的关键设备，其长周期安全运行已愈来愈受到设备管理工程师们的重视。加氢装置中的高压换热器担负着原料油与反应生成油的热量交换任务，由于其内部的介质为易燃易爆的含氢介质，而且操作温度、操作压力均较高，临氢、内部有温度差、膨胀不均匀，不允许有任何泄漏。研究发现，加氢高压换热器的密封主要集中在提高密封垫片性质以提高密封性能上。由于加氢高压换热器的工作环境极为苛刻，对垫片的性能要求比较高，而且垫片在这种环境下的寿命也比较短，于是就面临着经常更换垫片的问题，密封性能直接影响加氢换热器的可靠性，因此密封结构成为加氢换热器结构设计中最重要的环节。解决好加氢换热器内漏问题，对加氢装置的安全、平稳生产具有重大意义。

　　高温工况下，由于垫片材质发生蜕变、老化以及垫片、螺栓和法兰蠕变松弛，连接系统更易产生泄漏。为解决法兰螺栓预紧力松弛这一问题，在螺母和法兰间加上若干个预紧碟簧(见图 1)，在高温下密封垫片出现蠕变和应力松弛时，可利用预紧碟簧优异的回弹性能补偿密封垫片与法兰密封面间的松弛，以预紧碟簧的微小变形量提供足够的预紧力负荷，从而解决因垫片回弹量不足和螺栓蠕变松弛引起的密封面分离导致的介质泄漏问题。



　　目前，法兰预紧碟簧已被逐渐应用于国内外的石化装置中，但对其结构参数及其载荷变形特性未见报导。针对高温预紧碟簧在法兰密封中的使用，本文以有限元软件 ABAQUS 为研究平台，采用非线性轴对称有限元法对螺栓-法兰连接用预紧碟簧在轴向载荷下的压缩回弹性能进行计算模拟。通过模拟计算得到了预紧碟簧在轴向载荷下加载 -卸载的轴向位移分布规律， 并在此基础上，分析了在有无摩擦作用时预紧碟簧的压缩-回弹性能曲线，研究了摩擦力对预紧碟簧工作性能的影响，该研究为进一步对加氢高压换热器用法兰预紧碟簧的参数化设计以及螺栓-预紧碟簧-法兰连接系统的紧密性设计提供理论指导。

　　1 碟簧的工作原理

　　碟簧是采用特殊材质冲制而成的，可以在很小的变形下提供足够的预紧力载荷，从而有效地减少密封失效的风险，碟簧外形结构见图 2，其中 D 为外径，d 为内径，D0 为中性径( 中性径是指碟簧截面翻转点所在圆的直径，点所在圆的直径 D0 = ( D - d) /ln( D /d) ) ，t 为厚度，H0 为单片碟簧的自由高度，h0为碟簧压平时变形量的计算值( H0 - t) 。




　　碟簧的压缩变形量 f 与预紧力 p 的关系:



　　式中，μ—泊松系数; E—屈服强度; f—碟簧压缩量;



　　μ 和 E 取决于碟簧材质和热处理工艺，M 取决于碟簧的结构形式，一般来说，α 越大，碟簧的刚度越大。不同的碟簧由于材质和结构参数不同，其回复力和变形的关系也不相同，即使是同样材质和规格的碟簧，由于热处理工艺的不同，其回复力和变形的关系也不相同。当螺栓拧紧时，预紧碟簧吸收机械能转化成位能( 势能) 储存在碟簧中，当设备由于温度变化、 压力变化或机械振动导致螺栓的预紧力松弛时，将释放位能( 势能) 转化成机械能，对螺栓的预紧力进行补偿，使螺栓的预紧力始终保持在垫片密封所需要的预紧力范围之内。

　　2 模型建立及模拟参数设定

　　2. 1 建立几何模型

　　从预紧碟簧的形状、所受载荷及约束情况来看，由于整个结构是轴对称的，因而在建立有限元模型时， 采用二维轴对称平面几何模型， 见图 3。在考虑非线性问题时， 除考虑了几何与物理非线性问题外，针对接触非线性问题， 将螺母与法兰简化为刚性体。该碟簧外径 D = 90 mm、内径 d = 46 mm、厚度 t = 5 mm、碟簧的自由高度 H0 = 7、碟簧压平时变形量的计算值 h0 = 2。



　　2. 2 定义材料模型

　　为开展碟簧的弹塑性分析，通过简单拉伸试验测定了预紧碟簧材料的应力 - 应变关系，见图 4。材料的弹性模量为 2. 06 × 105 MPa，泊松比为 0. 3，屈服强度约 1100 MPa。在 ABAQUS 有限元软件中采用弹塑性硬化材料模型，此时应力是塑性应变的函数。在本实例中材料的初始屈服条件使用 Mises 屈服准则。



　　2. 3 有限元网格划分

　　对平面二维轴对称模型的碟簧采用双线性减缩积分轴对称四边形单元 CAX4R，划分 8 184 个轴对称规则四边形单元， 由于螺母及法兰简化为刚性体，不用对其划分网格，预紧碟簧的网格结构见图 5。



　　2. 4 接触条件及摩擦属性的定义
　　由于在螺栓拧紧和预紧碟簧工作过程中，轴向载荷是由螺母和法兰通过接触和挤压途径传递给垫圈的，所以在建模时，还考虑到了螺母、法兰和预紧碟簧之间的接触状况，在螺母、垫圈和法兰间设置了接触单元。在螺母与碟簧的接触对中， 主面为螺母表面，从面为碟簧上表面; 碟簧与法兰接触对中主面为法兰上表面，从面为碟簧下表面，在各个接触对中选用经典库伦摩擦，接触对之间的滑移选用有限滑移。

　　2. 5 加载及求解
　　由于法兰 - 螺栓连接系统及碟簧的形状、 所受载荷及约束均具有轴对称性， 因此对碟簧及法兰施加轴对称约束。对螺母采用集中力加载方式，加载力为 50 kN，加载采用 Smooth step 的幅值曲线。

　　3 模拟结果分析


　　3. 1 预紧碟簧在承受轴向载荷时的应力及位移

　　50 kN 轴向载荷下预紧碟簧 Mises 应力分布见图 6，50 kN 轴向载荷预紧碟簧轴向位移分布见图7。由图可知在该载荷下， 预紧碟簧中的部分材料已进入了塑性屈服阶段，但沿预紧碟簧径向能够保持均匀变形。从图 6 可以看出， 首次压缩到工作位置时， 碟簧截面上Ⅱ点和Ⅳ点连线附近是 Mises 等效应力最小值分布区域， 由该区域沿轴向向两侧扩展，Mises 等效应力逐渐增大， 碟簧的最大 Mises 等效应力发生于Ⅲ点处。





　　3. 2 预紧碟簧在轴向载荷卸载时的应力及位移分析

　　轴向载荷卸除后预紧碟簧 Mises 应力分布见图8，轴向载荷卸除后预紧碟簧轴向位移分布见图 9。由图可知，在轴向 50 kN 载荷卸除后除了在碟簧与螺母、 法兰的接触部位有较大的残余应力以外，垫圈的其余部分基本处于零应力状态， 且各节点在卸载后沿垫圈径向的轴向变形仍保持均匀状态。





　　3. 3 预紧碟簧的压缩回弹性能分析

　　采用非线性有限元软件 ABAQUS 对碟簧的压缩回弹性能进行分析，在考虑摩擦力影响的前提下，预紧碟簧承受 0 ～ 50 kN 轴向载荷下的压缩-回弹曲线见图 10，从图中可以看出轴向载荷 30 kN 以下碟簧基本处于弹性( 线性) 段。在 30 ～ 50 kN 碟簧处于非线性段，这是由于加载或卸载时，碟簧与螺母、法兰之间存在摩擦力，导致此时的回弹曲线也具有一定程度的非线性特征，因此可知螺母、碟簧和法兰间的润滑状况，即三者之间摩擦力的大小对碟簧压缩 - 回弹性能有较显著的影响。



　　在不考虑摩擦力时预紧碟簧的压缩- 回弹曲线见图 11，由图可见，该碟簧第一次加载时的压缩曲线与考虑摩擦时的基本相同，而第一次卸载时的回弹曲线、再次加载时的压缩曲线和再次卸载时的回弹曲线基本上属于线性特征。


　　图 10 和图 11 均表明，无论摩擦状况如何，在同一载荷下重复加、卸载时，碟簧的回弹曲线均彼此重合，即具有相同的回弹刚度，且在弹性段，压缩刚度近似等于回弹刚度。图 10 和图 11 还表明，在加、卸载的弹性段，有摩擦时的碟簧压缩刚度和回弹刚度略低于无摩擦时的刚度。



　　3. 4 等效塑性应变分析

　　等效塑性应变 PEEQ是整个变形过程中塑性应变的累积结果，等效塑性应变 PEEQ大于0 表明材料发生了屈服。预紧碟簧在承受轴向载荷 50 kN卸载后的等效塑性应变分布见图 12，从图中可以看出，除了预紧碟簧右下角Ⅲ处的等效塑性应变PEEQ大于0，表明已经发生了屈服外，其余部分的等效塑性应变 PEEQ均接近于0，表明碟簧材料处在弹性范围内。



　　4 结语

　　本文采用非线性有限元方法对螺栓-法兰连接用碟簧轴向载荷下的压缩回弹特性进行了数值模拟，研究了碟簧轴向载荷下的变形规律，并分析了在轴向载荷卸载后碟簧的等效塑性应变，为预紧碟簧的规范化、参数化设计以及含预紧碟簧的螺栓-法兰连接系统的紧密性分析与设计提供了依据。本文所研究的碟簧适用于螺栓温度低于 650 ℃ 的法兰连接，应用于反应器、热交换器、高温阀门、高温泵以及高、低温管线等的螺栓法兰连接系统，碟簧除了可增加连接系统的弹性储备，以补偿高温下垫片的蠕变松弛以及压力温度波动造成的螺栓、法兰和密封件的变形外，还能将机械振动的危害降到最低，密封连接持久可靠，能够有效解决高温工况下螺栓法兰连接系统的泄漏问题，因此碟簧广泛应用于石化、电力、核能、冶金、造纸、制药、食品加工等部门。


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