Eine neue, verbesserte selbstverschließende Dichtungsstruktur – die elegante Verwandlung des Achtkantdichtstücks

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Dieser Artikel stammt aus dem Originalinhalt des WeChat-Accounts „ANSYS Analysis Designer“. Wir respektieren das Urheberrecht – für weitere Inhalte können Sie den Account folgen. 1. Hintergrundinformationen? Die Zuverlässigkeit der Dichtung ist eine wichtige Voraussetzung für den sicheren Betrieb von Druckbehältern. Ein vernünftiges und zuverlässiges Design der Dichtungsstruktur ist daher ein wichtiger Bestandteil bei der Konstruktion von Druckbehältern. Im Vergleich zu Behältern mittleren und niedrigen Drucks ist die Abdichtung von Hochdruckbehältern schwieriger. Um dieses Problem zu lösen, wurden verschiedene Hochdruckabdichtungsstrukturen entwickelt, die in erzwungene und selbstanschließende Abdichtungen unterteilt werden. Dazu gehören unter anderem Flachdichtungen, Achtkantdichtungen, Zwillingskegeldichtungen, Kazari-Dichtungen sowie Wood-Dichtungen. Dabei gehören die Flachdichtungen, Kazari-Dichtungen und Achtkantdichtungen zu den erzwungenen Abdichtungsstrukturen, während die Zwillingskegeldichtungen und Wood-Dichtungen zu den selbstanschließenden Abdichtungsstrukturen zählen. Obwohl die üblich verwendete Dichtkonstruktion mit Achtkantdichtungen über eine gewisse Selbstverdichtungseigenschaft verfügt, ist diese aufgrund der geringen Höhe der ringförmigen Dichtungen sowie der Tatsache, dass die Dichtungen keine Fähigkeit zur radialen Kompression oder Rückstellung haben, äußerst begrenzt. Deshalb werden diese Konstruktionen heutzutage immer als konventionelle Dichtkonstruktionen ausgelegt. 2. Zwangsmäßige Achtkantdichtung + Doppelkegeldichtungsprinzip = selbstanschließende Achtkantdichtungsstruktur? Die selbstanspannende achteckige Dichtung hat eine Struktur, die der einer achteckigen Dichtung ähnelt. Das Prinzip der Dichtung entspricht dem einer Doppelkegeldichtung. Die Struktur der Dichtung ist in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt:
https://pic4.zhimg.com/80/v2-99d986ca8ae551049dff72c11646c09e_hd.jpg – Abbildung 1: Selbstanspannende achteckige Dichtung sowie die zugehörigen Dichtkanäle
https://pic3.zhimg.com/80/v2-ea1058aa851268eca0297171e6acabcd_hd.jpg – Abbildung 2: Zeichnung zur Montage der selbstanspannenden achteckigen Dichtung an der Flanschverbindung

Eigenschaften der selbstanspannenden achteckigen Dichtung: [1] Sowohl die inneren als auch die äußeren Halbkegelwinkel der selbstanspannenden achteckigen Dichtung sowie der zugehörigen Dichtkanäle betragen 23° ； 【2】Die selbstanschließenden achteckigen Dichtungen sowie die konvexen Flächen an der Außenseite der Dichtkanäle bilden gemeinsam eine Dichtstruktur – genauso wie bei einer Doppeltellerrichtungsdichtung. Zwischen diesen Dichtflächen der achteckigen Dichtungen und der Dichtkanäle werden weiche Metalldichtungen eingesetzt, oder auf den konvexen Flächen an der Außenseite der achteckigen Dichtungen wird Graphit aufgetragen ； 【3】Die konische Oberfläche an der Innenseite der Dichtungsschale dient als Stützkonus für die Achtkantdichtung und zur Steuerung der maximal zulässigen radialen Deformation der Achtkantdichtung ； 【4】Zwischen der Mittellinie der Querschnittsfläche des Achtkantpolsters und der Mittellinie der Querschnittsfläche der Dichtungsschale besteht ein radialer Abstand. Nach der Vorspannung der Dichtkonstruktion wird die achteckige Dichtung radial elastisch komprimiert, bis sie mit den innen liegenden Kegelflächen der Dichtmulde in Berührung kommt, siehe Abbildung 3. Dieser radiale Spielraum entspricht dem Spielraum zwischen dem Doppelkegelschloss und den Stützflächen in der Doppelkegelschlosskonstruktion. 【5】Im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten, fest verschließbaren Achtkantdichtungen weisen die selbstanspannenden Achtkantdichtungen eine größere Höhe auf, um die Anforderungen an eine ausreichende Selbstanspannung zu erfüllen und somit eine gute Dichtigkeit zu gewährleisten. https://pic3.zhimg.com/80/v2-4433443d1c4b60cac173f9aa55faaf33_hd.jpg Abbildung 3: Elastische Kompression der selbstansprechenden achteckigen Dichtung vor und nach der Vorspannung der Schrauben. Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, besteht im montierten Zustand vor der Vorspannung der Schrauben ein Abstand zwischen dem Zentrum des Kreises der achteckigen Dichtung und dem Zentrum des Kreises der Dichtungsrille – also der in Abbildung 3 dargestellte Radialabstand g. Nach der Vorspannung der Schrauben liegen die Zentren dieser beiden Kreise übereinander, wodurch die konvexe Oberfläche der Dichtung an die konvexe Oberfläche der Dichtungsrille anschließt. 3. Vergleich der Unterschiede zwischen den drei Hochdruckdichtungsstrukturen? Die selbstanschließende Achtkantdichtungsstruktur vereint die Vorteile einer Doppelkegeldichtung mit denen einer herkömmlichen Achtkantdichtungsstruktur und stellt somit eine selbstanschließende Dichtungsstruktur dar. Die Unterschiede zu den traditionellen Achtkantpolstern sowie der Doppelkegelschließkonstruktion hinsichtlich der wichtigsten Strukturparameter und Schließeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt. https://pic4.zhimg.com/80/v2-bf4b4ef1e919542b1a40b4b0ed8dfd3f_hd.jpgTabelle 1: Elastische Kompressionsdeformation der selbstanspannenden achteckigen Dämpfer vor und nach der Vorspannung der Schrauben 4. Überprüfung des Finite-Element-Modells der selbstanspannenden achteckigen Dämpfer? 【Konstruktionsbedingungen】: Die Strukturparameter der finite-Element-Simulation für das selbstsichere Achtkantdichtungsprofil sind in Tabelle 2 aufgeführt. https://pic3.zhimg.com/80/v2-b6b210fbc123dc94718b9c2c8e765b42_hd.jpg Tabelle 2: Hauptgeometrische Abmessungen der Dichtkonstruktion 【Material- und Leistungsparameter】: Nach den Vorgaben von GB/T150-2011 „Druckbehälter“ beträgt der Druck auf die Metalldichtungen 124,1 MPa. Der Dichtungskoeffizient m liegt bei 5,5. Dadurch ergibt sich eine Vorlast pro Schraube von 131.542 N. Die Materialien und Leistungsparameter der einzelnen Komponenten der Dichtkonstruktion sind in Tabelle 3 aufgeführt. https://pic1.zhimg.com/80/v2-77b27a763056b3040552d3d1efdca6f7_hd.jpgTabelle 3: Materialien und Leistungsparameter der einzelnen Komponenten der Dichtkonstruktion【Modellierung und Wahl der Elemente】: Um die Rechenlast zu verringern, wird aufgrund der periodischen Symmetrie der geometrischen Struktur, der Lasten sowie der Randbedingungen ein Modell mit einer Skalierung von 1/20 verwendet. Dieses Modell verwendet Solid185-Körperelemente sowie PRETS179-Vorspannelemente zur Gitterbildung. Alle Körper werden dabei als Hexahedren strukturiert. Die Gitter in den Bereichen der Dämpfer sowie in den direkt mit ihnen in Berührung stehenden Bereichen werden detaillierter gestaltet, um die Konvergenz der Struktur sowie die Richtigkeit der Lösungsergebnisse zu gewährleisten. Alle Komponenten im Modell werden als linear-elastische Materialien angenommen. Das dreidimensionale Modell der Struktur sowie die Gitterstruktur sind in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt. https://pic2.zhimg.com/80/v2-a1c8e0208c282414c9ae24f75a974962_hd.jpg Abbildung 4: 3D-Finiten-Element-Modell, 1/20 https://pic2.zhimg.com/80/v2-9a42bb399baeb22e1542a91acfffc948_hd.jpg Abbildung 5: Detailliertere Gitterstruktur 【Anwendung von Lasten und Randbedingungen】: 【Innendruck und äquivalente Lasten】 Auf die innere Oberfläche der Struktur wird ein gleichmäßiger Druck von 15 MPa ausgeübt. Auf die obere Oberfläche des Zylinders wird ein äquivalenter Druck von -65,44 MPa ausgeübt ； 【Vorspannlast】Auf den Knoten der Vorspanneinheit wird eine Vorspannlast ausgeübt; die Vorspannkraft des Bolzens steigt von null auf die vorgegebene Vorspannkraft an ； 【Begrenzung der Translation von Starren Körpern】Um eine axiale Verschiebung des Modells zu verhindern, wird die Verschiebung in Richtung Z an der Endfläche des unteren Zylinders eingeschränkt ； 【Symmetriebeschränkung】An der Symmetrieebene des 1/20-Modells werden Symmetriebeschränkungen angelegt ； 【Kontaktpaar-Einstellungen】In der Analyse werden zur Definition der Kontaktpaare die Kontaktflächen-Einheiten Contact174 sowie die Ziel-Einheiten Targe170 verwendet. In dem Modell sind insgesamt 6 Kontaktpaare zwischen Flächen definiert: Der Kontakt zwischen der Mutter und der oberen Flanschplatte, der Kontakt zwischen der Mutter und der unteren Flanschplatte sowie 4 Kontaktpaare zwischen den 4 kegelförmigen Oberflächen der Dichtung und den zugehörigen Dichtkanälen ； 【Anwendung der Lastschritte】Da im Simulationsprozess eine Analyse der Kontaktlinearität erforderlich ist, wird zur Gewährleistung der Konvergenz und Genauigkeit der Berechnungsergebnisse eine mehrstufige Lastanwendung verwendet. Für den Algorithmus zur Behandlung der Kontaktkonstanten wird dabei der erweiterte Lagrange-Algorithmus eingesetzt. Die detaillierten Lasten sowie die Anwendung der Randbedingungen sind in Abbildung 6 dargestellt. https://pic4.zhimg.com/80/v2-3da35a6982c93cceeae1003a3e63c130_hd.jpgAbbildung 6: Lasten und Randbedingungen 5. Analyse der Ergebnisse der Finite-Element-Simulation? Die Diagramme zur Gesamtstruktur sowie zur gleichwertigen Spannungsverteilung in den Dämpfern sind in den Abbildungen 7 und 8 zu sehen:
https://pic3.zhimg.com/80/v2-7654aeee90b33482fbe371572708ea57_hd.jpg – Abbildung 7: Diagramm zur Spannungsverteilung in der Gesamtstruktur
https://pic4.zhimg.com/80/v2-811f379510256ccbe49f708f98adb6e5_hd.jpg – Abbildung 8: Diagramm zur gleichwertigen Spannungsverteilung in den Dämpfern
Aus Abbildung 7 geht hervor, dass die maximale gleichwertige Spannung in der Struktur 287,834 MPa beträgt. Diese Spannung tritt an der Kontaktfläche zwischen dem Dämpfer und der Flanschstelle auf. Sie liegt damit unter der Bruchfestigkeit des Materials ； Aufgrund des Innendrucks kommt es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Spannungen im Bolzen ； Wie in Abbildung 8 zu erkennen ist, beträgt die maximale äquivalente Spannung des Dichtungsstücks 83,64 MPa. Dieser Wert liegt unter der Zugfestigkeit des Materials des Dichtungsstücks. Die maximale Spannung tritt auf der Seite der Dichtfläche des Dichtungsstücks auf. https://pic3.zhimg.com/80/v2-0d98b1853e53b3b6d92206fd68ff1a08_hd.jpg Abbildung 9: Kurve der axialen Kraft des Bolzens und der inneren Drucke. https://pic2.zhimg.com/80/v2-3f8cc3290bd53ce4d7dc13c78a892487_hd.jpg Abbildung 10: Kurve der Spannungen in den Dämpfern und der inneren Drucke. In Abbildung 9 ist die Kurve der axialen Kraft des Bolzens sowie der auftretenden inneren Drücke dargestellt; sie wird mit den Ergebnissen der theoretischen Berechnungen verglichen. Es ist zu erkennen, dass die Ergebnisse der Finite-Element-Simulationen in hohem Maße mit den Ergebnissen der theoretischen Berechnungen übereinstimmen ； Abbildung 10 zeigt die Kurven für den Druck auf der Dichtseite des Dichtstücks sowie den Innendruck. In der Anfangsphase der Druckerhöhung nimmt die Spannung auf der Abdichtungsfläche des Dichtstücks mit zunehmendem Innendruck ab. Wenn der Innendruck einen bestimmten Wert erreicht hat, steigt die Spannung auf der Abdichtungsfläche des Dichtstücks wieder linear mit dem weiteren Anstieg des Innendrucks an. Der Druck auf der Dichtfläche des Dämpfungsschalters ist stets höher als der Betriebsdichtdruck, was darauf hindeutet, dass die Dichtigkeit des Schalters während des Aufdruckvorgangs zuverlässig ist.