高温高压下旋转补偿器强度及密封性能分析.pdf

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1、第53卷第3期化工设置与■蕾v01．53No．32016年6月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGJun．2016高温高压下旋转补偿器强度及密封性能分析张再阳1，颜廷俊1，宋章根2，张白茹1(1．北京化工大学机电工程学院，北京100029；2．江苏宏鑫集团，江苏宜兴214200)摘要：旋转补偿器强度和密封性是保证管道安全运行的前提。针对旋转补偿器在应用过程中发生过爆裂及泄漏现象，以江苏某化工公司设计的旋转补偿器为例，利用有限元分析软件ANSYS对旋转补偿器在高温高压情况下进行模拟，确定了危险位置为异径管

2、变径处，爆裂现象通常发生于此处：提取密封垫片的接触比压，分析密封失效的原因是由于管口栽荷的存在，降低了密封性能；采用应变计测量方法对其进行应力测量，得到危险区域的应力，与有限元结果进行对比，验证结果的正确性。关键词：旋转补偿器；强度；密封；实验中图分类号：TQ050．3：TH136文献标识码：A文章编号：1009—3281(2016)03·0053-005热力管道在使用过程中，由于输送介质以及外界环境温度变化的影响，会发生热胀冷缩。如果热胀冷缩受到约束，在管壁会产生巨大的热应力。当热应力超过管道材料的强度极限时，

3、管道会产生破坏。为了保证管道在运行过程中安全、稳定，必须放置补偿器，对管道的热膨胀进行补偿，消除热应力。旋转补偿器是近10年针对克服传统补偿器(方形补偿器、套简式补偿器、球形补偿器和波纹管补偿器)在实际应用过程中存在的使用压力低、补偿量小等问题而发展起来的新型补偿器11-2]。其具有补偿量大、安装容易、压力降小，且长期运行过程中不需要维护、节约运行成本等特点[3-4]得到了广泛的应用。但在南通、镇江等现场热力管道的使用过程中，出现过补偿器爆裂及气体泄漏现象。并且通过查阅相关文献发现，对于旋转补偿器的整体受力、危险

4、位置和密封性能研究较少[5-6]o针对上述情况，本文利用AYSYS软件对545℃，13．5MPa下旋转补偿器进行模拟，得出危险位置，分析密封失效的原因，并通过实验验证。转补偿器中心旋转，从而吸收力偶两侧的直管段产生的热膨胀量，实现吸收管道热位移，减少管道应力的目的[7-81。雌1测iIK蕊刚点51．芯管；2．滚珠：3．密封压盖：4．密封座：5．压紧螺栓；6．环面密封材料；7．端面密封材料；8．异径管图1旋转补偿器结构图Fig．1Structurechartoftherotatingcompensator1旋转补偿

5、器的结构及工作原理2旋转补偿器参数设定旋转补偿器的结构如图1所示，主要由密封座、密封压盖、异径管、密封材料、旋转简体等构件组成。旋转补偿器的工作原理是首先安装成对的旋转补偿器，通过芯管和力臂的旋转来形成一定的力偶，从而产生一对方向相反但大小相等的力，力臂围绕两对旋某化工公司的一条高压管道设计压力为13．5收稿日期：2016．01．28基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)，项目编号：2012CB026004。作者简介：张再阳(1990一)，男，北京人，研究生。主要从事过程设备设计和管道应力分析。化工设置

6、与售遵第53卷第3期MPa，安装温度为20℃，最高运行温度为545℃，管道规格为西610mill×46mm，材质为P91号钢。旋转补偿器外径为620mln，高度为726mm，主体材料为F91号钢。对于设计压力低于5MPa的工况，在管道上一般按每200—500m安装一组旋转补偿器一】。由于本文所研究的旋转补偿器，用于压力、温度均较高的场合，考虑到安全性，选取每100m管道放置一组旋转补偿器。旋转补偿器采用典型的L型布置方式，如图2所示。图2管道布置图Fig．2Pipinglayout在安装旋转补偿器时，通常根据预计

7、的补偿量确定接管段的位置，以保证补偿前后跨接管水平段长度不变，从而达到无附加推力的位移补偿效果。主管线的偏装位移△￡与热膨胀系数和温度变化有关，其公式如下：址：竽：盟警(1)二Z式中￡——主管路长度，mm；△卜温度的变化量，℃；△S——旋转补偿器的轴向位移，mm；s——热膨胀系数，mm／(mm·℃)。根据公式(1)，得到热膨胀量为750innl，预偏装量为375FILm，如图3所示。3旋转补偿器有限元分析3．1管道整体补偿性能分析由于管道产生热膨胀，在补偿器管口会产生弯矩，影响密封效果，所以在建立补偿器实体模型之

8、前，首先建立管道整体模型，提取管口载荷。使用图3管道模型Fig．3PipelinemodelANSYS软件建立有限元模型，对其进行受力分析，确定管口载荷。对于管道整体模型分析采用两种不同的单元，管道采用Beaml88单元，补偿器采用Solidl85单元，具体模型如图3所示。使用间接温度法，将温度和压力作为体载荷施加在模型上进行应力分析，得出补偿器最大轴向位移为807．91