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平推式門蓋硫化罐開蓋過程安全性分析

文檔作者：羅凡許林濤劉浩波郭吉林汪文超洪志明文檔來源： 1．上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 2．臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心 3．北京化工大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年03月19日
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平推式門蓋硫化罐開蓋過程安全性分析
羅凡 ，許林濤 ，劉浩波 ，郭吉林 ，汪文超 ，洪志明
(1．上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200062；2．臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江
臺(tái)州318000；3．北京化工大學(xué)，北京100029)
摘要：平推式門蓋硫化罐是橡膠制品行業(yè)主要的生產(chǎn)設(shè)備。對(duì)平推式門蓋硫化罐的開啟門蓋過程
及其結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，得到了在罐內(nèi)帶少量余壓的情況下開啟門蓋結(jié)構(gòu)不
會(huì)發(fā)生事故的原因以及保證安全使用的相關(guān)條件。對(duì)平推式門蓋硫化罐的設(shè)計(jì)和使用具有重要意
義。
關(guān)鍵詞：平推式門蓋硫化罐；仿真分析；安全性研究
中圖分類號(hào)：TQ053．2；TQo50．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001-4837《2010)08—0051—06
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2010．08．010
Security Analysis on Process of Opening Flat——throw
Type Head Vulcanizer
LUO Fan ，XU Lin—tao。，LIU Hao—bo ，GUO ji—lin ，W ANG W en—chao ，HONG Zhi—ming
(1．Shanghai Institute of Special Equipment Inspection&amp;amp;Technical Research，Shanghai 200062，China；
2．Taizhou Institute of Special Equipment Inspection，Taizhou 3 1 8000，China；3．Beijing University of
Chemical Technology，Beijing 100029，China)
Abstract：F1at—throw type head vulcanizer is the main production facility for rubber item vocation．The
stress intensity of the series of flat·—throw type head vulcanizers opening and closing with structural stress
were analyzed．It was researched by method of simulation analyses and predigestion equivalent calculation．
The reason of no trouble in this structure，because opening the head of vulcanizer with little residual
pressure．The results show that the correlated condition guaranting the structure in a safe state．It S of
great significance in desining and using flat—throw type head vulcanizer．
Key words：flat—throw type head vulcanizer；simulation analysis；security analysis
0 引言
平推式門蓋硫化罐是橡膠制品行業(yè)主要的生
產(chǎn)設(shè)備。通常為立式，鎖緊結(jié)構(gòu)為連接在上門蓋
和下筒體法蘭上的卡箍通過平移嚙合，內(nèi)壓自緊
式橡膠密封，門蓋開閉的驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)。圖l，
2示出平推式門蓋開閉狀態(tài) 。
這類快開門蓋結(jié)構(gòu)的硫化罐，絕大多數(shù)都未
安裝安全聯(lián)鎖裝置，但使用至今(有的已達(dá)十幾
年)均未發(fā)生過諸如門蓋在開啟過程中飛出等造
成人員傷亡的事故。因此，文中對(duì)其開啟門蓋過
程及其結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，
研究其結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生事故的原因及保證安全使用
平推式門蓋硫化罐開蓋過程安全性分析 VoE7．N08 2010
的相關(guān)條件。
圖1 平推式門蓋硫化罐門蓋閉合狀態(tài)
圖2 平推式門蓋硫化罐開蓋后狀態(tài)
1 開啟門蓋過程仿真分析計(jì)算
1．1 硫化罐門蓋結(jié)構(gòu)及開門過程
硫化罐的門蓋結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 門蓋結(jié)構(gòu)不意
實(shí)際開門過程的仿真解析表明：硫化罐卸壓
后門蓋以平移的方式打開，在門蓋與卡箍開始脫
離、罐內(nèi)外貫通的瞬間，在門蓋運(yùn)動(dòng)方向垂直的兩
邊，卡箍與門蓋和高頸仍存在4塊接觸面，見圖
4。而這部分接觸面積就使得若罐內(nèi)仍有余壓
· 52 ·
圖4 卡箍與門蓋和高頸仍存在4塊接觸面
(包括罐內(nèi)殘存的高溫飽和水的爆沸)時(shí)，門蓋無
法飛離罐體。隨著門蓋的平移，接觸面積不斷減
少直至消失，但此時(shí)硫化罐內(nèi)外已完全貫通，壓差
為零。因此，只要硫化罐在內(nèi)外即將貫通的瞬間，
4塊接觸面能夠承受一定的罐內(nèi)余壓，則平推式
門蓋硫化罐開蓋過程的安全是有保證的 -4 。
1．2 硫化罐快開結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)
系列硫化罐快開結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表1。
表1 硫化罐的主要參數(shù)
項(xiàng)目 參數(shù)
設(shè)計(jì)(計(jì)算)壓力／MPa 0．6～1．68
公稱直徑／ram 400～2oo0
設(shè)計(jì)溫度／℃ 164
計(jì)算溫度／℃ 60
主要材料 鍛件16Mn(門蓋、高頸、卡箍)
疲勞分析計(jì)算總的 100O0o
循環(huán)次數(shù)／次
載荷組合系數(shù) 1．0
材料(16Mnm)在計(jì)算 設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度 彈性模量 松比
S ／MPa ／MP a ? ?
溫度下的力學(xué)性能
150 210×10 1 0．3
1．3 硫化罐接觸面積的簡(jiǎn)化計(jì)算
圖5示出硫化罐門蓋實(shí)際的接觸面。
平移開蓋過程中的接觸面積實(shí)際大小可通過
積分公式(I)獲得，門蓋平移到簡(jiǎn)體內(nèi)壁時(shí)(即罐
體內(nèi)外貫通的瞬間)的面積見表2。鑒于平移過
程接觸面積瞬間變化且門蓋與卡箍開始脫離后，
罐體的實(shí)際密封狀態(tài)已改變，即產(chǎn)生了密封面的
泄漏。因此，將門蓋與卡箍開始脫離時(shí)的接觸面，
作為簡(jiǎn)化計(jì)算的基礎(chǔ)，計(jì)算接觸面積為：
2+ =( )
第27卷第8期 壓 力 容 器 第213期
圖5 實(shí)際接觸面示意
( 一 )z-t-y2：( )z
(D／2) 一(D1／2) +s
a,0— 2s
DI—D0
— 一
．s：
√(
s=SDl—SD—S矩
s = 1
×
1 2
。= 訂D
5。=÷×}竹D = 竹D
D1一D D
s矩 『_×
故： = 百D 一 耵 一 x孚
計(jì)算接觸面積5 ：
s =4s= 1
叮T
2
一
1
1TD 一D1(D。一D) (2)
設(shè)：未移開時(shí)的接觸面積為．s：
S=÷竹(D —D ) (3)
則：計(jì)算接觸面積S．與未移開時(shí)的接觸面積
s比值為：
一
一
5 1T(D +D)
采取的PIJANE 82軸對(duì)稱模型中，在封頭的
上端施加對(duì)稱約束，在筒體的低端施加軸向約束，
如圖6所示 -6 3。
圖6 整體軸對(duì)稱模型
由計(jì)算結(jié)果知：開啟至筒體內(nèi)壁時(shí)的總接觸
面積|s 約為I／2～1／3的計(jì)算接觸面積s，。硫化
罐的系列尺寸參數(shù)及4塊接觸面積數(shù)據(jù)見表2。
表2 硫化罐的系列尺寸參數(shù)及4塊接觸面積數(shù)據(jù)
硫化罐內(nèi)徑 卡箍?jī)?nèi)壁直徑 卡箍?jī)?nèi)徑 門蓋未開啟時(shí)接觸 開啟至筒體內(nèi)壁時(shí)的 簡(jiǎn)化計(jì)算接觸
D0／mm Dl／ram D，mm 面積S／mm 總接觸面積 S,／mm S ／S 面積 S SI／Sl
l／mm
400 480 436 3l654．69 4087．59 1／8 l0518．64 O．39
500 580 540 35185．84 4249．33 1／8 11968 O．36
600 696 630 68734．91 12765．69 1／5 22764．06 O．56
800 896 836 816l8．58 14106．45 l／6 27817．2 0．51
10o0 1096 1O42 9O675．79 14234．33 1／6 31445．82 0．45
l200 13l2 1256 112946．54 15395．27 1／7 39417．28 O．39
160o l728 l666 l65269．76 22218．96 1／7 58049．98 0．38
2000 2l44 2082 205783．74 24389．80 1／8 72751．42 0．34
1．4 硫化罐開門瞬間的有限元分析
對(duì)靜力進(jìn)行分析和開門瞬間接觸面積部分的
有限元分析，采用LANE 82軸對(duì)稱模型，建立二
維對(duì)稱模型。采取TARGE 169和CNTA 172接觸
單元定義接觸對(duì)，施加載荷為設(shè)計(jì)壓力1．68
MPa。在建立開門瞬間模型時(shí)，采用的Workbench
進(jìn)行建模，先將封頭和右卡箍、左卡箍和簡(jiǎn)體分別
綁定接觸，在封頭和筒體以及卡箍和筒體定義接
觸，給定摩擦系數(shù)0．3，自由劃分網(wǎng)格，在筒體端
部進(jìn)行y方向的軸向約束如圖7所示。
· 53·
CPVT 平推式門蓋硫化罐開蓋過程安全性分析 Vo127．N08 2010
圖7 開門瞬間實(shí)體模型
對(duì)應(yīng)力集中部分進(jìn)行疲勞分析，假定循環(huán)次
數(shù)為lO萬次，計(jì)算的耗用系數(shù)為0．55(小于1)，
因此疲勞分析通過，結(jié)果見表3。
表3 各應(yīng)力路徑評(píng)定的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果
最大應(yīng)力 MPa
路徑 1—1 2—2 3—3
應(yīng)力分類 pL+P b p| +P b P L+P b
應(yīng)力強(qiáng)度 l86．1 46．1 48．6
許用極限 225 225 225
評(píng)定結(jié)果 通過 通過 通過
經(jīng)過理論分析以及有限元分析，在開門瞬間
過程中，在卡箍的接觸處受到的應(yīng)力最大。圖8，
9示出在開門瞬間接觸模型中，卡箍接觸部位的
應(yīng)力云圖 。
圖8 DN500罐右卡箍接觸面應(yīng)力云圖
在上述硫化罐快開結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算的基礎(chǔ) ．， ， ? L
■■●■●■==== 、
上，用協(xié)同仿真環(huán)境平臺(tái)ANSYS Workbench，對(duì) “
化 行了
75~
4
o
種不
壓力、0 ． 05 ，0 ． 075 0 ．1 MP同a )開門瞬盞間 的有限 IN 9 DNSO0~L卡?箍?接觸‘一 云。圖
元分析，結(jié)果見表4。 2 仿真與計(jì)算結(jié)果分析
表4 DN500硫化罐不同內(nèi)壓開門瞬間的
最大應(yīng)力值 MPa
內(nèi)壓 左卡箍最大應(yīng)力 右卡箍最大應(yīng)力
0．024 11。7 10．9
0．05 24．5 22．9
0．075 36 34
0．1 49 45
2．1 平推式門蓋結(jié)構(gòu)的安全性探討
從上述分析可知，平推式門蓋結(jié)構(gòu)與采用多
個(gè)螺栓連接的法蘭結(jié)構(gòu)有相似之處，隨著螺栓的
不斷卸去，法蘭連接面不斷松開，直至最后2個(gè)螺
栓擰松時(shí)，雖然內(nèi)外基本貫通，但連接依然存在。
圖10～12分別示出快開門式壓力容器常見的門
蓋結(jié)構(gòu)—— 平推式、卡箍式、嚙齒式。
圖10 平推式門蓋結(jié)構(gòu)示意 圖1 1 卡箍式門蓋結(jié)構(gòu)示意 圖12 嚙齒式門蓋結(jié)構(gòu)示意
· 54 ·
第27卷第8期 壓 力 容 器 第213期
比較發(fā)現(xiàn)，3種門蓋結(jié)構(gòu)的零部件基本相同，
但由于開啟門蓋時(shí)，其運(yùn)動(dòng)部件不同或運(yùn)動(dòng)軌跡
不同，平推式是卡箍與門蓋同時(shí)平移；卡箍式是卡
箍平移；嚙齒式是門蓋旋轉(zhuǎn)或卡箍旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)的帶
壓開門的風(fēng)險(xiǎn)程度完全不同。同樣是門蓋運(yùn)動(dòng)，
平推式在門蓋平移后，罐體內(nèi)外出現(xiàn)貫通時(shí)，門蓋
與罐體高頸仍有部分連接；而嚙齒式在門蓋旋轉(zhuǎn)
后，唯有門蓋與罐體高頸完全脫離連接，才能實(shí)現(xiàn)
罐體內(nèi)外貫通；同樣，卡箍式在卡箍平移后，雖然
卡箍與門蓋和罐體高頸出現(xiàn)了分離，但門蓋與罐
體未出現(xiàn)位移，只有當(dāng)卡箍與門蓋和罐體完全脫
離連接，才能實(shí)現(xiàn)罐體內(nèi)外貫通。因此，這3個(gè)快
開門蓋結(jié)構(gòu)中，平推式安全性能最佳 j。
2．2 有限元計(jì)算的結(jié)果分析
通過有限元建模分析和計(jì)算，比較清晰地了
解并得到了卡箍與門蓋和高頸仍存在的4塊接觸
面的受力狀況及應(yīng)力大小。通過設(shè)定一些內(nèi)壓并
校核其應(yīng)力最大值，確定接觸面積可承受的內(nèi)壓
區(qū)間。表5列出計(jì)算接觸面積．s 與未移開時(shí)的
接觸面積|s之比與1／'8最大設(shè)計(jì)內(nèi)壓的乘積而確
定的內(nèi)壓值下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，在此
內(nèi)壓值下，不論是平推式門蓋卡箍等結(jié)構(gòu)件的應(yīng)
力水平還是疲勞分析，均在其材料性能安全的范
圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)限制門蓋在該瞬間飛離罐體的功
能 。。。。
表5 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
罐體直徑 設(shè)定內(nèi)壓 左卡箍最大應(yīng)力 右卡箍最大應(yīng)力
／mm ／MPa ／MPa ／MPa
500 0．075 37 34
80o 0．075 43 36
1200 0．075 79 52
2000 0．075 171 124
2．3 最大門蓋開啟壓力的確定
由于門蓋平移過程中的實(shí)際接觸面積不斷變
化，同時(shí)使用中也不會(huì)在表壓很明顯時(shí)硬性開門
蓋。根據(jù)分析計(jì)算并結(jié)合工程實(shí)際，最大門蓋開
啟壓力可簡(jiǎn)化為：
在D。>D 一JD 一D 時(shí)，最大門蓋開啟壓力
≤÷8 × 未移開時(shí)接觸面積 S×付容們器 設(shè)計(jì)川 壓力／J
其中，計(jì)算接觸面積s 與未移開時(shí)接觸面積
的比值為： =1一
通過上式計(jì)算，可方便地得到平推式門蓋需
限制的最大門蓋實(shí)際開啟壓力值的大小，確保平
推式門蓋硫化罐的安全使用。表6列出平推式門
蓋系列在各設(shè)計(jì)壓力下的最大門蓋開啟壓力。
表6 平推式門蓋系列在各設(shè)計(jì)壓力下的
最大門蓋開啟壓力 MPa
DN 設(shè)計(jì)壓力／MPa
／mm 0
． 6 O．7 0．8 1．68
4()0 0．026 0．030 0．034 0．072
500 0．025 0．029 0．033 0．070
60o O．O26 0．030 0．034 0．072
800 0．026 0．O31 0．035 0．073
1000 0．026 O．O31 0．035 0．074
1200 0．027 O．O3l 0．035 0．074
1600 0．027 0．O31 0．036 0．075
2000 0．027 0．031 0．036 0．075
3 實(shí)際門蓋開啟時(shí)摩擦力對(duì)門蓋開啟壓力的影
響
通常平推式門蓋硫化罐都是通過活塞氣缸來
推動(dòng)門蓋平移的，不論是人工操作，還是電器控
制，實(shí)現(xiàn)平推式門蓋硫化罐安全使用的最基本的
條件是：活塞氣缸的推力小于罐內(nèi)壓力達(dá)到最大
門蓋開啟壓力時(shí)啟動(dòng)門蓋的阻力。比較試驗(yàn)以
DN500 mm的平推式門蓋硫化罐為例，表7列出
試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表7 DN500 Film平推式門蓋硫化罐的試驗(yàn)數(shù)據(jù)
活塞氣缸壓力 開門內(nèi)壓1 開門內(nèi)壓2 開門內(nèi)壓3
／MPa ／kPa ／kPa ／kPa
0．4(第一次) 15．89 20．29 19．1l
0．4(最后) 28．65 19．51 23．46
0．5 18．59 17．61
O．6 l7．63 l6．13 20．37
0．8 26．54 24．78 26．53
注：活塞氣缸直徑50 mm (空壓機(jī)輸出最大壓力o．8 MPa)。
試驗(yàn)時(shí)，空壓機(jī)的輸出壓力由0．4 MPa提高
到0．8 MPa，即活塞氣缸的推力由785 N提高到
1570 N，但拉動(dòng)門蓋時(shí)的罐內(nèi)壓力范圍分布在
0．015～0．029 MPa之間，集中在0．019—0．026
MPa區(qū)間。試驗(yàn)測(cè)得在氣缸壓力0．5 MPa下的系
列開門瞬問，罐內(nèi)壓力值見圖13。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表
明，門蓋開啟阻力與瞬間罐內(nèi)壓值有一定的關(guān)系，
但真正影響開門阻力大小的還是門蓋與密封圈及
門蓋與卡箍之問的靜摩擦狀態(tài)。
． 55．
CPVT 平推式門蓋硫化罐開蓋過程安全性分析 Vo127．No8 2010
0．050
寶
o．025
趟
0．000
0 l000 2000
DN
圖l3 系列門蓋開啟瞬間罐內(nèi)壓力值
因此，選擇合適的氣缸活塞和空壓機(jī)，使活塞
氣缸的推力絕對(duì)小于罐內(nèi)壓力達(dá)到最大門蓋開啟
壓力時(shí)啟動(dòng)門蓋的阻力，則完全可避免出現(xiàn)開啟
門蓋時(shí)，門蓋飛出的事故。使用至今的平推式門
蓋硫化罐，其實(shí)際開啟門蓋時(shí)的罐內(nèi)壓均遠(yuǎn)小于
最大門蓋開啟壓力，因而也就不會(huì)出現(xiàn)門蓋在開
啟時(shí)飛出的事故。
4 結(jié)語
在一定的條件下，平推式快開門蓋結(jié)構(gòu)具有
自身運(yùn)動(dòng)過程中，使得容器內(nèi)部壓力完全釋放后，
打開快開門蓋的結(jié)構(gòu)功能，即快開門蓋結(jié)構(gòu)的自
身聯(lián)鎖功能。符合我國《固定式壓力容器安全技
術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中3．20條快開門式壓力容器應(yīng)當(dāng)
具有“當(dāng)壓力容器的內(nèi)部壓力完全釋放，方能打
開快開門”的安全聯(lián)鎖功能要求_l 。
以下公式：最大門蓋開啟壓力≤
÷8 ×未集 移摹開薔時(shí) 接觸面積S^× 容玎 器設(shè)計(jì)川 壓力／J
及其簡(jiǎn)化式：p≤ [1一 ]
可作為分析及檢驗(yàn)該類硫化罐的控制系統(tǒng)和
安全聯(lián)鎖裝置響應(yīng)壓力是否適用的量化參考指
標(biāo)，判斷平推門蓋式硫化罐的安全使用狀態(tài)。
參考文獻(xiàn)：
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TSGR 0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察
規(guī)程[S]．
收稿日期：2009—12—03 修稿日期：2010—03—04
作者簡(jiǎn)介：羅凡(1960一)，男，高級(jí)工程師，長期從事壓力
容器的檢驗(yàn)與研究工作，通信地址：200062上海市金沙江
路915號(hào)上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，E—mail：luo—
fansh@ 163．con。
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TSG R0004-2009(固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察
規(guī)程》[S]．
收稿日期：2010—07—10 修稿日期：2010—07—22
作者簡(jiǎn)介：鄭津洋(1964一)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要
從事先進(jìn)能源承壓設(shè)備、極端承壓設(shè)備研究，通信地址：
310027浙江省杭州市浙大路38號(hào)浙江大學(xué)化工機(jī)械研

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