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金属透镜垫系统密封性能的研究

刘凯  
【摘要】:金属透镜垫广泛地应用在合成氮、尿素等高压管道和深海密封管道中。金属透镜垫系统密封的可靠性直接关系到设备运行、人员安全、经济损失、环境污染等问题。金属透镜垫密封面为两个球面,与管道(或法兰)的锥形密封面形成线接触密封,在承受压紧力后,其密封变成环带密封,且其接触面宽度会随接触面上的作用力变化而变化。在工程实际使用中对透镜垫表面接触宽度、表面应力分布等的规律缺乏比较清晰的认识,为此本文开展了金属透镜垫系统密封性能的研究。本文首先开展了两个方面的试验研究:一是预紧载荷下透镜垫表面接触宽度大小的测量;二是透镜垫系统密封性能试验的研究。然后采用二维Hertz接触理论、ANSYS有限元软件的线弹性和弹塑性分析计算方法分别分析了透镜垫在不同预紧力下接触表面的受力和变形情况。将试验测得接触宽度、有限元模拟计算得到的接触宽度与文献及利用相关标准计算的接触宽度的结果进行了对比分析。再结合试验以及有限元模拟对透镜垫系统在操作工况下的密封特性进行分析研究。最后利用两个具体的算例对几种常见的透镜垫计算方法进行了分析,深入地讨论它们在计算中所存在的问题,得到如下的结论:1)透镜垫的实测接触宽度与理想弹塑性的有限元模拟计算方法所得的结果较吻合,也与当欧盟压力容器标准EN13445.3-G公式中Qmax取2ReL时计算的结果较接近。2)透镜垫表面接触压力近似呈抛物线分布。当表面接触压力超过2倍的屈服强度后,表面接触压力和分布宽度的线弹性模拟结果与弹塑性的模拟结果差距变得越来越明显,两者开始出现差异约在Hertz最大接触应力等于2倍的透镜垫材料屈服强度处。3)当内部介质为氮气时,根据工程上常见的几种透镜垫计算方法计算得到的透镜垫预紧力的大小都达不到PVRC标准T2等级的密封要求,且利用试验结果计算得到的垫片系数y和m的大小比标准规范中更大。


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