锆制压力容器活套法兰接管的结构分析.pdf

第51卷第6期
化工设与道
2014年12月
PROCESS EQUIPMENT& PIPING
Dec.2014
锆制压力容器活套法兰接管的结构分析
宁远林!,冯秋元,张永强,划继雄,萸晚刚,陈仓社,王剑如2,熊富仓2
(1.华陆工程科技有限责任公司,西安71005;52.宝钛集闭有限公司,陕西宝鸡721014
摘要:针对结制压力容器活套法兰接管不同的衬环结构,利用 ANSYS1.0软件进行应力分析,得到其最
大的应力区城。根据树环的应力分布情況,对其各种结构的优劣性进行分析,并提出在不同工况条件下
衬环结构的选择建议,可为工程设计提供参考依据。
关键词:锆制压力容器;活套法兰;村环;受力分析
中图分类号:TQ050.2;TH123
文献标识码:A
文章编号:1009-3281(2014)06-0010-003
由于锆设备在强腐蚀性介质中具有优良的抗腐工程设计提供参考依据
蚀性,所以在工业领域得到越来越广泛的应用,主
要用于核反应雄和化工设备,用来制作压力容器、
换热器、塔器、搅拌器和其他结构件2。纯错(Zr)
的熔点约为1845℃,沸点约为3577℃,相变温度
862℃,在相变温度以上为体心立方晶格(β相)
整体翻边衬环
单面焊接翻边衬环
在相变温度以下为密排六方晶格(ロ相)。工业中最
常用的是Zr-3。
由于锆的价格十分昂贵,通常锆制压力容器的
接管法兰主要采用活套形式,这样法兰可釆用钢材来
制作,从而节省成本。锆制压力容器活套法兰的结构
双面焊接翻边树环
双焊衬环
图如图1所示
钢法
错
插入式树环(1)插入式衬环(2)插入式村环(3)
图2衬环结构
Fig. 2 Structure schematic of bush ring
1受力分析
图1锆制压力容器活套法兰的结构
取图1中的接管上部及树环作为研究对象,忽
Fig, I Structure schematic of loose flange for zirconium略下部接管与筒体连接处对接管和衬环的影响,上
pressure vessel
部接管与树环在操作状态下的受力图如图3所示。
锆制压力容器的接管与衬环根据不同的设计条件
接管所受的轴向力按式(1)进行计算
和制造工艺,主要有以下几种形式:整体翻边衬环、
F2=3.,14RPn
单面焊翻边村环、双面焊衬环、对焊村环以及插入焊式中F接管所受的轴向カ,N
衬环等。如图2所示。
收稿日期:2014-0
本文针对锆制力容器所采用活套法兰不同的
基金项目:陕西省科技统筹创新工程计划项目(201 KITZBO1-03-03)。
衬环结构,通过应力分析得到其最大的应力区域,在
作者简介:宁远林(197--),男,陕西镇安人,教授级高级工程
此基础上分析各种结构的优劣性,为锆制压力容器的师。从事压力容器及工业炉的设计。
2014年12月
宁远林,等.锆制压力容器活套法兰接管的结构分析
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R一接管的内径,
mm:
焊衬环和插入式结构的话,衬环的厚度取筒体厚度的
P。一接管所受内压,MPa。
1.5倍,经过分析得到的应力云图如图6所示。
F
Fa
图4整体翻边衬环应力云图
图3接管与衬环的受力
Fig 4 Stress nephogram of bush ring of integral flange
Fig. 3 Stress schematic of nozzle and bush ring
垫片上承受压力。为了满足垫片的密封要求,
垫片上所受最小压紧力例为:
F。=6.28D。bmP(工作时)
(2)
式中F。垫片上承受的最小压紧力,N
D。垫片压紧力作用中心圆的直径,mm
b一垫片有效密封宽度,mm
m一垫片系数。
在预紧状态下,接管内没有内压的作用,垫片
图5单面焊接翻边衬环应力云图
上的最小压紧力的可用式(3)表示。
Fig. 5 Stress nephogram of bush ring of single-sided welding
F。=3.14D,by(预紧时)
flange
式中y一垫片的比压力,MPa
在一般情况下,垫片上的最小压紧力是由预紧
状态下的力所决定的。当垫片预紧后,所受的压紧力
是最大的。而当工作时,由于内压的作用,使垫片上
的压紧力有所减小,但此时垫片上压紧力依然大于工
作时密封所要求的压紧力,因此我们以预紧时的最小
压紧力来分析其受力状况,这样相对保守。
由图3的受力图来看,在接管内主要是接管受
到内压作用下的轴向应力和环向应力。衬环与接管的
图6插入式与对焊衬环应力云图
连接处在垫片压力和内压作用下,由于边缘效应受到Fig,6 Stress nephogram of bush ring of plug-type and welding
弯矩的作用,因而也是应力的集中区域。
neck
我们采用一实例对不同结构的衬环进行应力分
析,以确定其应力分布,并对应力分布情况进行比较。2计算结果分析
分析采用的接管为DN100,设计压力为1.6MPa,设
根据图4~6中的应力分布及图2衬环不同结
计温度为150℃,材料采用锆材(Zr-3),垫片采用构的对比分析可以看出,由于对焊衬环结构及插人入式
非金属软垫片,分析软件采用 ANSYS1.0。
的结构中衬环的厚度加厚,所以在衬环中的最大应力
根据焊环的结构和受力状况,在 ANSYS软件环相对较小,但是对焊衬环结构中的焊缝也不在高应力
境下建立轴对称模型进行加载计算,图4为整体翻边区,所以这种结构是相对最为合理的。
焊环的应力云图,图5为单面焊翻边衬环的应力云图。
三种插入衬环的结构,由于图2中的插入式衬
这两种结构的衬环厚度与筒体是等厚的。如果采用对环3的结构为全焊透,所以优于其他两个非整体结构