【案例分享】一种新型的改进自紧密封结构—八角垫的华丽变身
1.背景介绍？
密封可靠性是压力容器安全运行的重要保证，合理、可靠的密封结构设计是压力容器设计的重要环节。相比中低压容器而言，高压容器密封更困难，为了解决这一问题，人们开发了多种高压密封结构，分为强制式和自紧式，包括：平垫密封、八角垫密封、双锥密封、卡扎里密封、伍德密封等等，其中的平垫、卡扎里、八角垫密封属于强制密封结构，双锥密封、伍德密封属于自紧密封结构。虽然常用的八角垫密封结构具有一定的自紧密封的特性，但因其所采用的环形垫高度较小且垫片无径向压缩及回弹能力，产生的自紧作用非常有限，目前均按照强制密封结构进行设计。
2.强制式八角垫+双锥密封原理=自紧式八角垫密封结构？
自紧式八角垫密封结构类似于八角垫，密封原理类似于双锥密封结构，密封结构如图1和图2所示：
图1 自紧式八角垫及密封槽结构
图2 自紧式八角垫与法兰装配示意图
自紧式八角垫结构特点：
【1】自紧式八角垫和密封槽的内、外侧半锥角均为23 º；
【2】自紧式八角垫和密封槽外侧锥面为密封结构的密封面，与双锥密封结构相同，在八角垫与密封槽的该密封面间加入软金属垫片或者在八角垫的外侧锥面上复合石墨；
【3】密封槽内侧锥面作为八角垫的支撑锥面，用于控制八角垫最大允许径向变形量；
【4】八角垫截面中心线与密封槽截面中心线间具有径向间隙。当密封结构预紧后，八角垫被径向弹性压缩，直至八角垫和密封槽的内侧锥面贴靠在一起，详见下图3。该径向间隙与双锥密封结构中的双锥环与支撑端面的间隙相当。
【5】与通常所采用的强制密封八角垫相比，自紧式八角垫高度尺寸较大，以便满足提供足够自紧力的要求，保证密封性能。
图3 螺栓预紧前后自紧式八角垫弹性压缩变形情况
如图3所示，螺栓预紧前组装状态下，八角垫中心圆与密封槽中心圆间具有间隙，即图3所示的半径方向间隙g，当螺栓预紧后，两者中心圆重合，垫片内锥面贴靠到密封槽的内锥面。
3.三种高压密封结构的区别比较？
自紧式八角垫密封结构结合了双锥密封和传统式八角垫密封结构双重优势特点，是一种自紧式密封结构。其与传统八角垫及双锥密封结构主要结构参数及密封特点的区别见表1。
表1 螺栓预紧前后自紧式八角垫弹性压缩变形情况
4.自紧式八角垫有限元模型分析验证？
【设计条件】：自紧式八角垫密封有限元模拟结构参数如表2所示。
表2 密封结构的主要几何尺寸
【材料和性能参数】：根据GB/T150-2011《压力容器》查得金属垫片的垫片比压为124.1 MPa，垫片系数m=5.5，计算出单个螺栓的预紧载荷为131542 N。密封结构各个部件的材料和性能参数如表3所示。
表3 密封结构各个部件的材料和性能参数
【模型建立和单元选择】：为了减少计算量，考虑到几何结构、载荷及边界条件的周期对称性，取1/20结构建立有限元模型。本模型采用了Solid185实体单元和PRETS179预紧单元进行网格划分，所有的体均采用六面体进行网格划分，对垫片和与其相接触的局部区域网格进行细化，确保结构的收敛性和求解结果的正确性。模型中所有的部件均假设为线弹性材料，结构的三维模型与网格划分见图4和图5。
图4 1/20三维有限元模型
图5 网格的精细化划分
【载荷与边界条件的施加】：
【内压和等效载荷】结构的内表面施加均布压力15 MPa，筒体上端面施加等效压力-65.44 MPa；
【预紧载荷】在预紧单元节点上施加预紧载荷，螺栓预紧力由零增加至规定的预紧力；
【刚体 位移限制】为了防止模型发生轴向位移，约束下面筒体端面的Z方向位移；
【对称约束】在1/20模型的对称面上施加对称约束；
【接触对设置】分析中采用Contact174接触面单元和Targe170目标单元设置接触对，模型中一共设置了6对平面间的接触，分别为螺母与上法兰接触、螺母与下法兰接触、垫片4个锥面与密封槽之间的4对接触；
【载荷步施加】由于模拟过程中涉及到了接触非线性分析，为了保证计算结果的收敛性和正确性，载荷的施加均采用多步载荷加载方式，分析中的接触约束算法选用增广的拉格朗日算法。详细的载荷与边界条件的施加如图6所示。
图6 载荷与边界条件
5.有限元模拟结果分析？
整体结构和垫片的等效应力云图分别见图7和图8：
图7 整体结构应力分布云图
图8 垫片等效应力分布云图
从图7可以看出结构的最大等效应力为287.834 MPa，发生在垫片与与法兰接触面上，未达到材料的屈服强度；由于内压的作用，螺栓的应力发生了不均匀分布；从图8可以看出，垫片的最大等效应力为83.64 MPa，未达到垫片材料的屈服强度，且最大应力发生在垫片密封面侧。
图9 螺栓轴向力与内压曲线
图10 垫片应力与内压曲线
图9为螺栓轴向力与施加内压曲线图，并与理论计算结果进行比较。可以看出，有限元模拟结果与理论计算结果吻合度比较高；图10为垫片密封侧的压应力与内压曲线图。在加压的初始阶段，垫片密封面侧的应力随内压的增加而减小，在内压达到一定值时，垫片密封面侧的应力随内压的增加而呈线性增加。模型垫片密封面侧的应力始终大于操作密封比压，说明加压过程中垫片密封性能是可靠的。
