Una nueva estructura de sellado autocompresivo mejorada: la transformación espectacular de la junta octogonal

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Este artículo es un contenido original del perfil oficial WeChat “ANSYS Analysis Designer”. Se respeta la propiedad intelectual de los autores originales. Para ver más contenido, síganse este perfil oficial. 1. ¿Introducción al contexto? La fiabilidad del sellado es una garantía importante para el funcionamiento seguro de los recipientes a presión. Un diseño de estructura de sellado adecuado y fiable constituye un elemento esencial en el diseño de dichos recipientes. En comparación con los recipientes de presión media y baja, los recipientes de alta presión presentan mayores dificultades en cuanto al sellado. Para resolver este problema, se han desarrollado diversas estructuras de sellado para altas presiones, que se dividen en tipos forzados y autocompresivos. Entre estas estructuras se encuentran: el sellado con juntas planas, el sellado con juntas octogonales, el sellado con dobles conos, el sellado Kazari y el sellado Wood. Las juntas planas, la estructura Kazari y las juntas octogonales pertenecen al grupo de los sellos forzados, mientras que los sellos con dobles conos y el sellado Wood pertenecen al grupo de los sellos autocompresivos. Aunque la estructura de sellado con juntas octogonales, que se utiliza con frecuencia, posee ciertas características de sellado automático, debido a que la altura de las juntas circulares es pequeña y estas no tienen capacidad de compresión radial ni de recuperación, el efecto de sellado automático resultante es muy limitado. Por lo tanto, actualmente se diseñan estos sistemas siguiendo una estructura de sellado forzado. 2. Junta octogonal forzada + principio de sellado con doble cono = estructura de sellado con junta octogonal autocompresiva? La estructura de sellado con junta octogonal autoajustable es similar a una junta octogonal tradicional. El principio de sellado es similar al de las estructuras de sellado de doble cono. Las estructuras de sellado se muestran en las figuras 1 y 2:
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**Figura 1**: Estructura de la junta octogonal autoajustable y los canales de sellado.
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**Figura 2**: Diagrama de montaje de la junta octogonal autoajustable con la brida.
**Características de la estructura de la junta octogonal autoajustable**: [1] Los ángulos de los semiconos tanto en el interior como en el exterior de la junta octogonal autoajustable y de los canales de sellado son de 23° ； 【2】La superficie de sellado, que está formada por el cojín octogonal autoapretante y la superficie cónica exterior del canal de sellado, funciona como estructura de sellado. Al igual que en la estructura de sellado biconica, se pueden utilizar juntas de metal blando entre el cojín octogonal y dicha superficie de sellado, o bien se puede aplicar grafito sobre la superficie cónica exterior del cojín octogonal ； 【3】La superficie cónica en el interior de la ranura de sellado sirve como superficie de soporte para la almohadilla octogonal, y se utiliza para controlar la deformación radial máxima permitida de dicha almohadilla ； 【4】Existe un espacio radial entre la línea central de la sección transversal del cojín octogonal y la línea central de la sección transversal del canal de sellado. Cuando la estructura de sellado se prensa, el cojín octogonal se comprime elasticamente en dirección radial, hasta que su superficie interior en forma de cono se apoya contra la superficie interior del canal de sellado; véase la Figura 3 a continuación. Este espacio radial es comparable al espacio entre el anillo bicono y la superficie de soporte en la estructura de sellado bicono. 【5】En comparación con los juntas octogonales de sellado forzado que se suelen utilizar, las juntas octogonales autoapretantes tienen un tamaño mayor en altura, a fin de satisfacer la necesidad de generar una fuerza de apriete suficiente y así garantizar un buen rendimiento de sellado. https://pic3.zhimg.com/80/v2-4433443d1c4b60cac173f9aa55faaf33_hd.jpg
Imagen 3: Deformación elástica del cojín octogonal autoapretante antes y después del apriete del tornillo. Como se muestra en la imagen 3, en el estado de montaje antes del apriete del tornillo, existe un espacio entre el círculo central del cojín octogonal y el círculo central de la ranura de sellado; ese espacio es el espacio radial g que se muestra en la imagen. Cuando el tornillo se aprieta, los círculos centrales coinciden, y la superficie cónica interna del cojín se ajusta contra la superficie cónica interna de la ranura de sellado. 3. ¿Cuál es la comparación de las diferencias entre las tres estructuras de sellado a alta presión? La estructura de sellado con junta octogonal autoapretante combina las ventajas tanto del sellado bicono como de la estructura de sellado tradicional con junta octogonal, siendo así una estructura de sellado autoapretante. Las diferencias en los principales parámetros estructurales y características de sellado en comparación con los cojines octogonales tradicionales y las estructuras de sellado biconicas se muestran en la Tabla 1. https://pic4.zhimg.com/80/v2-bf4b4ef1e919542b1a40b4b0ed8dfd3f_hd.jpgTabla 1: Deformación elástica por compresión de los cojinetes octogonales autoapretantes antes y después del preensamblaje de los pernos. 4. ¿Análisis y verificación del modelo de elementos finitos de los cojinetes octogonales autoapretantes? 【Condiciones de diseño】: Los parámetros estructurales de la simulación por elementos finitos para el sello de junta octogonal autoapretante se muestran en la Tabla 2. https://pic3.zhimg.com/80/v2-b6b210fbc123dc94718b9c2c8e765b42_hd.jpg
Tabla 2: Dimensiones geométricas principales de la estructura de sellado
【Parámetros de materiales y propiedades】: Según la norma GB/T150-2011 “Recipientes a presión”, la presión específica de los sellos metálicos es de 124,1 MPa. El coeficiente m es igual a 5,5. Por lo tanto, la carga de preensamblaje para cada tornillo es de 131542 N. Los materiales y parámetros de rendimiento de las distintas partes de la estructura hermética se indican en la Tabla 3. https://pic1.zhimg.com/80/v2-77b27a763056b3040552d3d1efdca6f7_hd.jpgTabla 3: Materiales y parámetros de rendimiento de las distintas partes de la estructura hermética【Creación del modelo y selección de elementos】: Para reducir la cantidad de cálculos, y teniendo en cuenta la simetría periódica de la estructura geométrica, las cargas y las condiciones de los bordes, se utiliza una versión 1/20 de la estructura para crear el modelo de elementos finitos. Este modelo utiliza elementos sólidos Solid185 y elementos de precarga PRETS179 para la creación de la malla. Todos los volúmenes se dividen en hexáedros. La malla de las juntas y de las áreas locales que entran en contacto con ellas se refina, a fin de garantizar la convergencia de la estructura y la precisión de los resultados obtenidos. Se supone que todas las piezas del modelo están hechas de materiales elásticos lineales. El modelo tridimensional de la estructura y su particionamiento en mallas se muestran en las figuras 4 y 5. https://pic2.zhimg.com/80/v2-a1c8e0208c282414c9ae24f75a974962_hd.jpg Imagen 4: Modelo tridimensional de elementos finitos, 1/20. https://pic2.zhimg.com/80/v2-9a42bb399baeb22e1542a91acfffc948_hd.jpg Imagen 5: División más detallada de la malla. 【Aplicación de cargas y condiciones de borde】: 【Presión interna y cargas equivalentes】: Se aplica una presión uniforme de 15 MPa en las superficies internas de la estructura; en la parte superior del cilindro, se aplica una presión equivalente de -65.44 MPa ； 【Carga de preensamblaje】Se aplica una carga de preensamblaje en los nodos de la unidad de preensamblaje; la fuerza de preensamblaje del perno aumenta de cero hasta alcanzar la fuerza de preensamblaje especificada ； 【Restricción de desplazamiento del cuerpo rígido】Para evitar que el modelo se desplace axialmente, se restringe el desplazamiento en la dirección Z de las caras laterales del cilindro inferior ； 【Restricción de simetría】Se aplican restricciones de simetría en la superficie simétrica del modelo 1/20 ； 【Pares de contacto y configuración】En el análisis, se utilizan las unidades de superficie de contacto Contact174 y las unidades de objetivo Targe170 para definir los pares de contacto. En el modelo se han establecido un total de 6 pares de contactos entre planos: el contacto entre la tuerca y la brida superior, el contacto entre la tuerca y la brida inferior, y 4 pares de contactos entre las 4 superficies cónicas de la junta y las ranuras de sellado ； 【Aplicación de la carga】Dado que en el proceso de simulación se tiene en cuenta el análisis de la no linealidad de los contactos, y con el fin de garantizar la convergencia y precisión de los resultados de cálculo, la aplicación de la carga se realiza mediante un método de carga por pasos múltiples. Para el algoritmo de restricciones de contacto utilizado en el análisis, se emplea el algoritmo de Lagrange ampliado. La aplicación detallada de las cargas y las condiciones de contorno se muestra en la Figura 6. https://pic4.zhimg.com/80/v2-3da35a6982c93cceeae1003a3e63c130_hd.jpg Figura 6: Cargas y condiciones de contorno. 5. Análisis de los resultados de la simulación por elementos finitos Las distribuciones de esfuerzo en la estructura general y en los sellos se muestran respectivamente en las figuras 7 y 8:
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**Figura 7**: Distribución de esfuerzos en la estructura general.
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**Figura 8**: Distribución de esfuerzos equivalentes en los sellos.
Según la Figura 7, el valor máximo de esfuerzo equivalente en la estructura es de 287,834 MPa. Este valor se produce en la superficie de contacto entre los sellos y las bridas. Dicho valor no alcanza la resistencia a la deformación plástica del material ； Debido a la presión interna, la tensión en los pernos se distribuyó de manera desigual ； Como se puede observar en la Figura 8, la fuerza equivalente máxima en el disco de sellado es de 83,64 MPa. Este valor no alcanza la resistencia a la deformación plástica del material del disco de sellado. Además, la mayor tensión se produce en la superficie de sellado del disco. https://pic3.zhimg.com/80/v2-0d98b1853e53b3b6d92206fd68ff1a08_hd.jpg Figura 9: Curvas de la fuerza axial del perno y de la presión interna. https://pic2.zhimg.com/80/v2-3f8cc3290bd53ce4d7dc13c78a892487_hd.jpg Figura 10: Curvas de la tensión en los arandelas y de la presión interna. La Figura 9 muestra las curvas de la fuerza axial del perno y de la presión interna, y se comparan con los resultados obtenidos mediante cálculos teóricos. Se puede observar que los resultados de la simulación por elementos finitos coinciden en alto grado con los resultados de los cálculos teóricos ； La Figura 10 muestra el gráfico de la tensión de presión en el lado sellado por las arandelas y la presión interna. En la fase inicial de presurización, la tensión en la superficie de sellado del juntas disminuye a medida que aumenta la presión interna. Cuando la presión interna alcanza un valor determinado, la tensión en dicha superficie aumenta de forma lineal con el aumento de la presión interna. La tensión en el lado de la superficie de sellado del juntador del modelo siempre es mayor que la presión de sellado operativa, lo que demuestra que el rendimiento de sellado del juntador es fiable durante el proceso de presurización.