机械密封焊接波纹管波片的应力计算及分析

第３４卷第１期　兰州理工大学学报　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１　２００８年２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｆｅｂ．２ｏ０８　文章编号：１６７３－５１９６（２００８）０１－００５８－０３　机械密封焊接波纹管波片的应力计算及分析　丁雪兴　，王　悦　，刘雪岭　，王安静　（１．兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州７３００５０；２．成都一通密封有限公司，Ｉ￣１１１Ｉ成都６１０１００）　摘要：利用ＡＮＳＹＳ有限元程序对机械密封焊接金属波纹管波纹膜片进行应力分析计算．通过实例求出由轴向变　形力、薄膜应力和离心应力３种静态应力组合的总应力．结果表明：波纹管的应力主要由轴向位移载荷引起，应严　格控制波纹管压缩量的大小；通过增加最大应力点所在圆弧的曲率半径来减小最大应力，提高膜片的使用寿命．　关键词：焊接金属波纹管；膜片；ＡＮＳＹＳ有限元；应力分析　中图分类号：ＴＱ０１５　文献标识码：Ａ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ｍｅｍｂｒａｎｅｓ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｍｅｔａｌ　ｂｅｌｌｏｗｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌｉｎｇ　ＤＩＮＧ　Ｘｕｅ－ｘｉｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｙｕｅ　，ＬＩＵ　Ｘｕｅ－ｌｉｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ａｎ＿ｊｉｎ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖ．ｏｆＴｅｃｈ．，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｙｉｔｏｎｇ　Ｓｅａｌｉｇｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１０１００，Ｃｈｉａｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＮＳＹＳ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ｍｅｍｂｒａｎｅｓ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｍｅｔａｌ　ｂｅｌｌｏｗｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌｉｎｇ．Ａｎ　ａｃｔｕａｌ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｗａｓ　ｔａｋｅｎ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ａｘｉａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｔｒｅｓｓ，ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｂｅｌｌｏｗｓ　ｗａｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｄｕｅ　ｔｏ　ａｘｉａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．Ｓｏ，ｉｔ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒｉｃｔｌｙ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅｌｌｏｗｓ；ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄ　ｅｎｄｕｒａｎｃｅ　ｌｉｒｅ　ｏｆ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｂｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｕｒｖａｔｕｒｅ　ｒａｄｉｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒ—　ｃｕｌａｒ　ａｒｃ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｔｒｅｓｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｅｄ　ｍｅｔａｌ　ｂｅｌｌｏｗ；ｍｅｍｂｒａｎｅ；ＡＮＳＹＳ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　焊接金属波纹管机械密封主要用于炼油厂热油　必须降低波纹膜片的应力水平．本文以波纹管膜片　泵的轴封．利用金属波纹管代替了弹簧和辅助密封　作为研究对象，在轴向预紧力、旋转离心力和内外压　圈，解决了高温下辅助密封的问题［１］．焊接金属波纹　差作用的工况下进行应力计算，为实际生产膜片的　管不仅起着补偿及缓冲因动磨损、轴向串动及振动　结构优化设计提供有用数据．　等原因产生的轴向位移，而且靠本身的弹力与密封　介质压力一起对密封端面施加一定的比压，以起到　１力学模型的简化　密封的作用［２］．焊接金属波纹管机械密封作为一种　由于波纹膜片是轴对称圆环壳单元，故取单个　先进的密封，得到国内外的广泛认同，并获得极大的　膜片的半波剖面如图１所示，进行应力分析计　发展Ｌ３］．我国自２Ｏ世纪８Ｏ年代初引进并生产焊接　算［４．５］．为计算方便，做如下假设：在膜片的外焊接　金属波纹管机械密封以来，实践表明由于使用的温　处施加　轴方向、Ｙ轴方向和　轴方向的位移约束　度，压力介质等参数的不同，波纹管膜片在使用过程　处理，膜片的波形处自由．　中会造成应力集中和失弹现象，从而使得密封不稳　具体加载载荷分为以下３种：　定和使用寿命较短．为此要提高波纹管的使用寿命，　１）轴向（即为Ｙ轴方向）预紧力产生的轴向变　形力，此预紧力施加在内焊接处且垂直于膜片平面，　收稿日期；２００７－０４－１０　如图２ａ所示．　基金项目；甘肃省教育技术基金（０５１４Ｂ－０１）　作者简介：丁雪兴（１９６４一），男，江苏苏州人。博士生，副教授．　２）内外压力差产生的薄膜应力，内外压力差施　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　丁雪兴等：机械密封焊接波纹管波片的应力计算及分析　加在膜片的波纹处，如图２ａ所示．　３）离心惯性力产生的离心应力，其离心惯性力　厂一（２ｎｎ／６０）　ｒＰ作用在膜片的圆周平面上，方向　沿膜片半径向外，在给定的膜片外半径和角速度的　情况下直接加载，如图２ｂ所示．　图１膜片模型简化图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｍｅｍｂｒａｎｅ’Ｓ　ｍｏｄｅｌ　ｌ　（ｂ）　图２膜片力学模型　Ｆｉ．ｇ２　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｅｍｂｒａｎｃｅ　２膜片的有限元分析模型的建立　根据简化的力学模型，在ＡＮＳＹＳ软件中建立　实体模型　引．采用壳单元ＳＨＥＩ　Ｉ　６３进行有限元单　元划分，生成有限元模型　］．其自动生成结点数为　９２，单元数为４５，有限元网格的划分情况如图２和　图３所示．　图３有限元模型　Ｆｉｇ．３　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ　３实例应力分析　３．１技术参数　１）单个膜片的结构尺寸如图４～７所示．　图４有限元Ａ视局部图　Ｆｉｇ．４　Ｌｏｃａｌ　Ａ－ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　图５膜片的立体视图　Ｆｉ．ｇ５　Ｓｐａｔｉａｌ　ｖｉｅｗ　ｏｆｍｅｍｂｒａｎｅ　图６膜片的几何模型　Ｆｉｇ，６　Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌ　ｏｆｍｅｍｂｒａｎｅ　图７膜片的几何模型剖视图　ｉＦｇ．７　Ｃｕｔａｗａｙ　ｖｉｅｗ　ｏｆｍｅｍｂｒａｎｅ’Ｓ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌ　２）波纹管波数１２．　３）工作参数．　转速７２—２　９６０　ｒ／ｒａｉｎ，内外压力差Ａｐ一　１　ＭＰａ，密度』Ｄ一７．９　Ｔ／ｍ３，弹性模量Ｅ一１８７　ＧＰａ，　泊松比　一０．３，温度ｔ－－－２２０℃．　４）膜片的刚度．　根据目前国内推荐采用的刚度计算公式为　一　旦　～Ｄｏ　一　口　Ｄ；　其中，Ｄｍ：膜片中径，Ｄ　：膜片内径，Ｄ０：膜片外径，　维普资讯 http://www.cqvip.com

・６Ｏ・　兰州理工大学学报　第３４卷　ａ　：膜片宽度，　：波纹管波数，　：膜片厚度．　计算得到Ｋ一１７．６９　Ｎ／ｍｍ．已知：压缩量　Ｘ＝２　ｍｍ，最终得到轴向预紧力Ｆ—Ｋ・Ｘ一　３５．３８　Ｎ．　３．２静态应力计算结果　本文给出在已知温度、转速、内外压差及轴向预　紧力的工况下膜片的应力计算结果．ＡＮＳＹＳ软件　绘制出膜片的应力分布图如下：　１）仅在轴向预紧力的作用下产生的Ｍｉｓｅｓ应　力的大小及位置如图８所示，最大应力点发生在外　焊接边沿处，最小应力点发生在内焊接处．　——■■■■■■■■———■●●■——■■■■———　｜露蠹嚣　Ｊ．０９　ｌ１．５３　２１．９７　３２．４ｌ　４２．８４　５３．２８　６３．７２　７４．１６　８４．６０　９５．０４　图８轴向预紧力作用下的Ｍｉｓｅｓ应力　Ｆｉｇ．８　Ｍｉ髓ｓｔｒｅｓｓ￣ａｌｌｌ￣ｄ　ｂｙ　ａｘｉａｌ　ｐｒｅ－ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅ　２）在轴向预紧力的作用下继续加载内外压差　为１　ＭＰａ的薄膜应力，其最大，最小应力点的位置　没有发生改变，如图９所示．　●■●■■●■■■●■■■■■■■■■■■■■■■■●■■■■■■■■■■■■●■■■■●■■－舞＿　ｇ｜　１．０９　ｌ１．５３　２１．９７　３２．４ｌ　４２＿８５　５３．２９　６３．７３　７４　ｌ７　８４．６０　９５　０４　图９轴向力和流体压力作用下的Ｍｉｓｅｓ应力　Ｆｉｇ．９　Ｍｉｓｅｓ￥ＩＩ＂Ｉ￣Ｓ￣ａｌｌｌ￣ｄ　ｂｙ　ｂｏｔｈ　ｏｆ　ａｘｉｌａ　ｆｏｒｃｅ　ｎａｄ　ｌｆｕｉｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　３）在轴向预紧力、内外压差的薄膜应力作用下　继续加载离心应力构成３种应力的静态组合应力，　其最大，最小应力点的位置仍然没有发生改变，如图　１Ｏ所示．　１　Ｏ９　Ｉ１．７８　２２．４７　３３．１５　４３＿８４　５４．５２　６５．２ｌ　７５　８９　８６　５８　９７．２７　图１０　３种组合力引起的Ｍｉｓｅｓ应力　Ｆ　１０　Ｍｉｓｅｓ　ｓｔｒｅｓｓ￣ａｌｌｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　从Ｍｉｓｅｓ应力图８～１Ｏ可以得到焊接金属波纹　管波纹膜片应力的最大最小值及其位置如表１所　示．　表１机械密封焊接金属波纹管波纹膜片应力的最大最小　值及其位置　Ｔａｂ．Ｉ　Ｍａｘｉｍｕｍ　ａｎｄ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｓｈ＿ｅ　ｎａｄ　ｔｈｅｉｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｗｉｔＩｌｉｎ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｍｅｔａｌ　ｂｅｌｌｏｗｓ　４结论　１）由３种组合引起的Ｍｉｓｅｓ应力图及表可知　最大应力值为　一９７．２６５　ＭＰａ，小于［　］许用应力一　１３９　ＭＰａ，即在安全范围内，满足强度要求．　２）膜片上的应力分布很不均匀，圆弧顶点处的　应力情况差别显著．其最大应力位置发生在外焊接　边缘处，这与实际生产中发生裂纹破坏而泄漏的情　况相吻合，可以通过增加最大应力点所在圆弧的曲　率半径来减小最大应力，提高膜片的使用寿命．　３）３种工况下最大应力值相差无几，说明在３　项静态应力（薄膜应力、轴向变形力和离心应力）中，　轴向变形力比薄膜应力和离心应力大得多．波纹管　膜片的最大应力主要是由轴向位移载荷引起的，因　此应严格控制压缩量的大小．　４）模拟计算得到焊接金属波纹管波纹膜片最　大Ｍｉｓｅｓ应力点的大小及位置，为实际生产膜片的　优化设计提供有利的数据，达到提高其工作寿命及　强度的目的．　参考文献：　［１］顾永泉．流体动密封［Ｍ］．北京：中国石化出版社，１９９２．　［２］安源胜．机械密封用焊接金属波纹管失效机理研究［Ｄ］．上海：　华东理工大学，２００２．　［３］ＰＩ．ＵＭＲＩＤＧＥ　Ｊ　Ｍ，ＫＥＴＣＨ　Ｄ　Ｐ，　ＲＡＳ：　：Ｗ＿ＳＫＩ　Ｃ　Ｊ．Ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｂｅｌｌｏｗｓ　ｓｅａｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ　Ｉｎｔｅｒｎａ—　ｔｉｏｎａｌ，１９８６，４：１９３－１９７．　［４］李春燕，王秀丽，张贵文．ＡＮＳＹＳ前处理能力的轻钢结构ＣＡＤ　参数建模程序［Ｊ］．兰州理工大学学报。２００６，３２（４）：１２６—１２９．　［５］李波．ＡＮＳＹＳ结构建模技巧［Ｊ］．山西建筑，２００７，３３（５）；　７６．　［６］高兴军，赵恒华．大型通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ简介［Ｊ］．　辽宁石油化工大学学报，２００４，２４（３）：９４－９８．　［７］丁雪兴，李超，赵永刚．圆环式联轴器膜片的疲劳寿命计算　［Ｊ］．兰州理工大学学报，２００４，３０（５）；４９—５１．　［８３朱水，艾宴清，梁波．精通ＡＮＳＹＳ　７．０有限元分析［Ｍ］＿　北京：清华大学出版社，２００４．