Uma nova estrutura de vedação autocompensatória aprimorada – a transformação magnífica da almofada octogonal

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Este texto é baseado em conteúdo original do perfil WeChat “ANSYS Analysis Designer”. Respeitamos a propriedade intelectual dos criadores originais. Para mais conteúdos, siga o perfil no WeChat. 1. Introdução ao contexto? A confiabilidade do selamento é uma garantia importante para o funcionamento seguro dos recipientes sob pressão. Um design de estrutura de selamento adequado e confiável é um aspecto essencial no projeto desses recipientes. Em comparação com os recipientes de pressão média e baixa, a vedação dos recipientes de alta pressão é mais difícil. Para resolver esse problema, foram desenvolvidas diversas estruturas de vedação para alta pressão, que se dividem em tipos forçados e autocompressíveis. Entre elas estão: vedação com junta plana, vedação com junta octogonal, vedação bicônica, vedação Kazzari, vedação Wood, entre outras. As vedações com junta plana, Kazzari e octogonal pertencem ao tipo forçado, enquanto as vedações bicônicas e Wood pertencem ao tipo autocompressível. Embora a estrutura de vedação com anel de oito lados, amplamente utilizada, possua certas características de vedação automática, como a altura do anel de vedação é pequena e o próprio anel não possui capacidade de compressão radial nem de recuperação, a ação de vedação automática que ele oferece é muito limitada. Por isso, atualmente essas estruturas são projetadas com base em um sistema de vedação forçada. 2. Almofada octogonal forçada + princípio de vedação por duplo cone = estrutura de vedação autocomprimível com almofada octogonal? A estrutura de vedação com junta octogonal autoapertável é semelhante a uma junta octogonal comum. O princípio de vedação é similar ao da estrutura de vedação em forma de duplo cone. As estruturas de vedação são mostradas nas Figuras 1 e 2:
https://pic4.zhimg.com/80/v2-99d986ca8ae551049dff72c11646c09e_hd.jpg – Figura 1: Estrutura da junta octogonal autoapertável e do canal de vedação.
https://pic3.zhimg.com/80/v2-ea1058aa851268eca0297171e6acabcd_hd.jpg – Figura 2: Diagrama de montagem da junta octogonal autoapertável com a flange.
Características da estrutura da junta octogonal autoapertável: [1] Os ângulos dos cones internos e externos da junta octogonal autoapertável e do canal de vedação são ambos de 23° ； 【2】A junta octogonal autoapertável e a superfície cônica externa do canal de vedação constituem as superfícies de vedação do sistema de vedação. Assim como no caso da estrutura de vedação biconica, são utilizadas pastilhas de metal macio entre a junta octogonal e essas superfícies de vedação, ou então grafite é aplicado na superfície cônica externa da junta octogonal ； 【3】A superfície cônica interna do sulco de vedação atua como superfície de suporte para a almofada octogonal, sendo utilizada para controlar o valor máximo permitido de deformação radial da almofada octogonal ； 【4】Existe um espaço radial entre a linha central da seção transversal do apoio octogonal e a linha central da seção transversal do canal de vedação. Quando a estrutura de vedação é pré-compactada, a bucha octogonal é comprimida elasticamente em direção ao raio, até que ela fique em contato com as superfícies cônicas internas do canal de vedação, conforme mostrado na Figura 3 abaixo. Esse espaço radial é equivalente ao espaço entre o anel cônico e a superfície de suporte na estrutura de vedação bicônica. 【5】Em comparação com as buchas octogonais de vedação forçada normalmente utilizadas, as buchas octogonais autoapertáveis possuem dimensões maiores, a fim de satisfazer a necessidade de fornecer uma força de aperto suficiente, garantindo assim um bom desempenho de vedação. https://pic3.zhimg.com/80/v2-4433443d1c4b60cac173f9aa55faaf33_hd.jpg Figura 3: Deformação elástica da bucha octogonal autoapertável antes e depois do aperto do parafuso. Como mostrado na Figura 3, no estado de montagem, antes do aperto do parafuso, existe um espaço entre o círculo central da bucha octogonal e o círculo central do sulco de vedação; esse espaço é representado pelo raio g, como mostrado na figura. Após o aperto do parafuso, os círculos centrais se alinham, e a superfície cônica interna da bucha fica em contato com a superfície cônica interna do sulco de vedação. 3. Qual é a comparação entre as três estruturas de vedação de alta pressão? A estrutura de vedação com junta octogonal autoapertável combina as vantagens da vedação bicônica e da estrutura de vedação tradicional com junta octogonal, sendo uma estrutura de vedação autoapertável. As diferenças entre seus parâmetros estruturais principais e características de vedação, em comparação com os blocos octogonais tradicionais e as estruturas de vedação biconicas, estão apresentadas na Tabela 1. https://pic4.zhimg.com/80/v2-bf4b4ef1e919542b1a40b4b0ed8dfd3f_hd.jpgTabela 1: Situação da deformação elástica do coxim octogonal autoapertável antes e depois do aperto dos parafusos. 4. Análise e verificação do modelo de elementos finitos do coxim octogonal autoapertável? 【Condições de projeto】: Os parâmetros da estrutura de simulação por elementos finitos para a vedação com junta octogonal autoapertável estão indicados na Tabela 2. https://pic3.zhimg.com/80/v2-b6b210fbc123dc94718b9c2c8e765b42_hd.jpg Tabela 2: Principais dimensões geométricas da estrutura de vedação 【Parâmetros de material e desempenho】: De acordo com a norma GB/T150-2011 “Reatores sob pressão”, a pressão exercida pelo gaxeta metálica é de 124,1 MPa. O coeficiente da gaxeta é m=5,5. Assim, a carga de aperto necessária para cada parafuso é de 131542 N. Os materiais e parâmetros de desempenho de cada componente da estrutura selada estão indicados na Tabela 3. https://pic1.zhimg.com/80/v2-77b27a763056b3040552d3d1efdca6f7_hd.jpg Tabela 3: Materiais e parâmetros de desempenho dos componentes da estrutura selada 【Criação do modelo e seleção das células elementares】: Para reduzir a carga computacional, levando em consideração a simetria periódica da estrutura geométrica, das cargas e das condições de contorno, foi utilizada uma versão 1/20 da estrutura para a criação do modelo de elementos finitos. Este modelo utiliza unidades elementares sólidas Solid185 e unidades de pré-tenção PRETS179 para a divisão da malha. Todos os volumes são divididos em hexaedros. A malha das pastilhas e das áreas locais que entram em contato com elas é refinada, a fim de garantir a convergência da estrutura e a precisão dos resultados obtidos. Todos os componentes do modelo são considerados como materiais elásticos lineares. O modelo tridimensional da estrutura e a divisão em malhas são mostrados nas Figuras 4 e 5. https://pic2.zhimg.com/80/v2-a1c8e0208c282414c9ae24f75a974962_hd.jpg Figura 4: Modelo tridimensional de elementos finitos 1/20 https://pic2.zhimg.com/80/v2-9a42bb399baeb22e1542a91acfffc948_hd.jpg Figura 5: Divisão detalhada da malha 【Aplicação de cargas e condições de borda】: 【Pressão interna e cargas equivalentes】 É aplicada uma pressão uniforme de 15 MPa na superfície interna da estrutura, enquanto na superfície superior do cilindro é aplicada uma pressão equivalente de -65,44 MPa ； 【Carga de pré-aperto】Uma carga de pré-aperto é aplicada nos nós da unidade de pré-aperto; a força de pré-aperto do parafuso aumenta de zero até atingir a força de pré-aperto especificada ； 【Restrição de deslocamento do corpo rígido】Para evitar o deslocamento axial do modelo, restringe-se o deslocamento na direção Z nas extremidades do cilindro abaixo ； 【Restrição de simetria】Aplicar restrição de simetria na superfície simétrica do modelo 1/20 ； 【Pares de contato e configurações】Na análise, são utilizadas as unidades de contato Contact174 e as unidades-alvo Targe170 para definir os pares de contato. No modelo, foram definidos um total de 6 pares de contatos entre superfícies planas: o contato entre a porca e a flange superior, o contato entre a porca e a flange inferior, além de 4 pares de contatos entre as 4 superfícies cônicas da bucha e as ranhuras de vedação ； 【Aplicação da carga】Como o processo de simulação envolve análise de não linearidade em contato, para garantir a convergência e a precisão dos resultados dos cálculos, a aplicação da carga é feita por meio de vários passos. O algoritmo de restrição de contato utilizado na análise é o algoritmo de Lagrange ampliado. A aplicação detalhada das cargas e condições de contorno é mostrada na Figura 6. https://pic4.zhimg.com/80/v2-3da35a6982c93cceeae1003a3e63c130_hd.jpgFigura 6: Cargas e condições de contorno 5. Análise dos resultados da simulação por elementos finitos? Os mapas de distribuição das tensões na estrutura como um todo e nas pastilhas podem ser vistos nas Figuras 7 e 8, respectivamente:
https://pic3.zhimg.com/80/v2-7654aeee90b33482fbe371572708ea57_hd.jpg – Figura 7: Mapa de distribuição das tensões na estrutura como um todo.
https://pic4.zhimg.com/80/v2-811f379510256ccbe49f708f98adb6e5_hd.jpg – Figura 8: Mapa de distribuição das tensões nas pastilhas.
A partir da Figura 7, pode-se observar que a maior tensão efetiva na estrutura é de 287,834 MPa. Essa tensão ocorre na superfície de contato entre as pastilhas e as flanges. Esse valor não atinge a resistência à flexão do material ； Devido à ação da pressão interna, a tensão nos parafusos se distribui de maneira desigual ； Como pode ser visto na Figura 8, a maior tensão equivalente na gaxeta é de 83,64 MPa, valor que não atinge a resistência à flexão do material da gaxeta. Além disso, a maior tensão ocorre no lado da superfície de vedação da gaxeta. https://pic3.zhimg.com/80/v2-0d98b1853e53b3b6d92206fd68ff1a08_hd.jpg Figura 9: Curvas da força axial do parafuso e da pressão interna. https://pic2.zhimg.com/80/v2-3f8cc3290bd53ce4d7dc13c78a892487_hd.jpg Figura 10: Curvas da tensão nos juntas de vedação e da pressão interna. A Figura 9 mostra as curvas da força axial do parafuso e da pressão interna aplicada, sendo esses valores comparados com os resultados obtidos por cálculos teóricos. Pode-se observar que os resultados da simulação por elementos finitos estão em boa concordância com os resultados dos cálculos teóricos ； A Figura 10 mostra o gráfico da tensão de compressão no lado de vedação da junta, em relação à pressão interna. Na fase inicial de pressurização, a tensão no lado da superfície de vedação da junta diminui à medida que a pressão interna aumenta. Quando a pressão interna atinge um certo valor, a tensão nesse mesmo lado passa a aumentar de maneira linear com o aumento da pressão interna. A tensão no lado da superfície de vedação da junta do modelo é sempre maior do que a pressão de vedação operacional, o que indica que o desempenho de vedação da junta durante o processo de pressurização é confiável.