超高壓容器的密封設(shè)計(jì)

1、超高壓容器的密封設(shè)計(jì)超高壓容器的密封結(jié)構(gòu)是超高壓設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，超高壓容器能否正常運(yùn)行在很大程度上取決于密封結(jié)構(gòu)的完善性。近年來，隨著化工、石油化工、核能、電力等工業(yè)的飛速發(fā)展，對超高壓容器的密封結(jié)構(gòu)提出了更多、更新的要求，如超高壓容器的大型化，要求密封直徑越來越大；容器開啟頻繁，要求結(jié)構(gòu)輕巧、裝拆方便；容器內(nèi)往往是易燃易爆介質(zhì)，要求密封可靠等，這同時(shí)促進(jìn)了超高壓容器密封技術(shù)的發(fā)展。大多數(shù)超高壓容器的操作條件都很復(fù)雜，除了壓力極高外，壓力、溫度的波動(dòng)，都會(huì)給密封設(shè)計(jì)帶來困難。進(jìn)行超高壓密封設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素：操作壓力、溫度的波動(dòng)及其變化；容器的幾何尺寸及操作空間的限制；容器接觸介質(zhì)對

2、材質(zhì)的要求。超高壓密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣主要依據(jù)以下幾方面來衡量：在正常操作壓力和溫度波動(dòng)的情況下都能保證良好的密封；結(jié)構(gòu)簡單，加工制造以及裝拆檢修方便；結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，元件少，占有高壓空間少；能重復(fù)使用。本章將介紹常用的超高壓密封結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。第一節(jié) “B”形環(huán)密封 一、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)1“B”形環(huán)密封是一種自緊徑向密封，它依靠“B”形環(huán)波峰和筒體、頂蓋上密封槽之間的徑向過盈來產(chǎn)生初始密封比壓，以達(dá)到密封，如圖6.1所示。當(dāng)內(nèi)壓作用后，“B”形環(huán)向外擴(kuò)張，工作密封比壓增加。圖6.1 “B”形環(huán)密封的局部結(jié)構(gòu)1.平蓋或封頭；2.“B”形環(huán)；3.筒體端部123“B”形環(huán)密封的主要特點(diǎn)為：因有徑向自緊作用，

3、故對連接結(jié)構(gòu)的剛度要求較低，即使頂蓋在內(nèi)壓作用下軸向有較大位移時(shí)，也能保證密封，因此能適用于溫度和壓力波動(dòng)較大的場合；壓力越高、直徑越大，密封性能越好；結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便；加工精度和表面粗糙度要求高，“B”形環(huán)和筒體、頂蓋上密封槽接觸表面的粗糙度應(yīng)控制在0.8mm以內(nèi)；裝拆要求仔細(xì)謹(jǐn)慎，防止擦傷密封面而影響密封性能，故重復(fù)使用性能差。對“B”形環(huán)的材料沒有特殊的要求，常用材料為20、25號鋼，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力較高，筒體材質(zhì)選用高強(qiáng)度鋼時(shí)，也可選用35，45號鋼?！癇”形環(huán)的表面硬度要求通常為HB£190?！癇”形環(huán)通常不重復(fù)使用，重復(fù)使用時(shí)需經(jīng)過修正和適當(dāng)選配。二、設(shè)計(jì)計(jì)算2目前有關(guān)“B”

4、形環(huán)的設(shè)計(jì)公式都是半經(jīng)驗(yàn)半理論的。按照這些公式設(shè)計(jì)的高壓容器（壓力小于100MPa）“B”形環(huán)密封是可靠的，但超高壓容器“B”形環(huán)密封的設(shè)計(jì)迄今尚無成熟的公式。設(shè)計(jì)時(shí)，可行的辦法是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定相關(guān)尺寸，然后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)其密封可靠后再用于實(shí)際的超高壓容器。在確定尺寸時(shí)應(yīng)注意如下問題：“B”形環(huán)的環(huán)厚應(yīng)適中。若設(shè)計(jì)得過薄，雖然初始密封效果較好，但在較高壓力下，“B”形環(huán)容易彎曲而造成失效或破壞；若設(shè)計(jì)得過厚，有可能影響初始密封。所以，厚度設(shè)計(jì)的原則是：在保證實(shí)現(xiàn)初始密封的前提下，盡量增加厚度，以利于承受較高的壓力。合理選擇過盈量。通常對直徑較小的容器，過盈量應(yīng)取大一些；對直徑較大的容器，

5、過盈量宜取小一些。過盈量過大，會(huì)造成裝配時(shí)擠壓力過大，裝卸困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致“B”形環(huán)表面損壞，影響密封性能；過盈量過小，難以實(shí)現(xiàn)初始密封。表6.1為0.25m3聚乙烯反應(yīng)釜用“B”形環(huán)實(shí)際尺寸及過盈量對密封效果的影響，表中數(shù)據(jù)為試驗(yàn)得到的實(shí)測值。表6.1 “B”形環(huán)實(shí)際尺寸及過盈量對密封效果的影響密封部位尺 寸 和 過 盈 量使用效果“B”形環(huán)變形情況“B”形環(huán)端蓋槽直徑D1(mm)端蓋槽直徑D2(mm)過盈量(mm)內(nèi)徑d(mm)外徑D(mm)厚度s (mm)高度h(mm)圓弧半徑r1(mm)r2(mm)筒體與端蓋94110.048321015110.020.02安裝方便不漏變形嚴(yán)重110

6、.04109.920.1290110.1210321015110.020.10安裝方便不漏有明顯變形110.21110.150.0690110.241032.41015110.000.24過盈量太大有鐵屑，有滲漏有明顯變形110.19109.920.2783110.2511321015110.140.11安裝方便不漏變形較小110.20110.150.0586110.0912321015110.000.09安裝方便不漏基本不變形110.00109.920.0586110.1012321015110.14安裝方便不漏基本不變形110.21110.150.06由表6.1可見，在相同條件下，“B”形

7、環(huán)的厚度不同，其變形情況亦不同；改變環(huán)與槽的過盈量會(huì)得到不同的密封效果。表6.2為部分國內(nèi)已使用并且證明密封效果良好的超高壓容器密封用“B”形環(huán)尺寸。表6.2 部分國內(nèi)已使用過的“B”形環(huán)尺寸項(xiàng)目容 器 名 稱 或 用 途氫加熱器超高壓容器氫加熱器超高壓容器250升高壓聚乙烯反應(yīng)器超高壓壓縮機(jī)出口緩沖器高壓聚乙烯試驗(yàn)裝置油分離器自增強(qiáng)試驗(yàn)用容器爆破試驗(yàn)用容器設(shè)計(jì)壓力（MPa）100100100150230220330416420容器直徑（mm）4103803608030515010010035“B”形環(huán)尺寸（mm）內(nèi)徑d413380360803061501009032外徑D4634203809

8、633117013011043厚度S252010812.51015105.5高度h806540323530403215波峰間距C48392419.22018229圓弧半徑r116178151994154圓弧半徑r2161781014918103與筒體配合過盈量（mm）0.070.10.10.150.070.10.0350.040.190.0270.020.050.050.120.0640.128“B”形環(huán)材質(zhì)20鋼20Cr35鋼45鋼20CrMo20鋼備注密封良好，低壓時(shí)靠 “O”形環(huán)密封三、制造2“B”形環(huán)是依靠波峰和筒體及端蓋的密封槽的徑向接觸實(shí)現(xiàn)密封的，密封效果的好壞與環(huán)本身的制造質(zhì)量密

9、切相關(guān)，其制造要求為：嚴(yán)格按照圖紙要求的加工精度加工，確保過盈量值；密封面的光潔度應(yīng)不低于Ra0.8mm；環(huán)粗加工后應(yīng)進(jìn)行100超聲波探傷；環(huán)加工完畢后需作正火處理，處理后的硬度不能高于規(guī)定值；加工完成后的碳鋼“B”形環(huán)應(yīng)作防銹處理，并妥善包裝、保管，防止碰壞和劃傷密封面。四、改良的“B”形環(huán)密封結(jié)構(gòu)圖6.2 雙“O”環(huán)密封1.軟墊片；2.外背環(huán)；3.“B”形環(huán)本體“B”形環(huán)的最大確點(diǎn)是當(dāng)操作壓力還未達(dá)到規(guī)定值時(shí)，也即容器在升壓過程中壓力尚較低時(shí)，密封處往往會(huì)出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，壓力越低泄漏越嚴(yán)重。為解決這一問題，可對“B”形環(huán)作適當(dāng)改進(jìn)。圖6.2是用于高壓聚乙烯裝置反應(yīng)器上的經(jīng)過改進(jìn)的“B”形環(huán)結(jié)

10、構(gòu)2。這種組合式“B”形環(huán)其初始密封依靠軟墊片實(shí)現(xiàn)，當(dāng)壓力升高后，則依靠“B”形環(huán)自身的徑向擴(kuò)張實(shí)現(xiàn)自緊密封。第二節(jié) Bridgman密封一、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)Bridgman密封是在容器的內(nèi)壁和墊環(huán)之間放一墊片，利用作用在凸肩頭蓋端面上的壓力使頭蓋在軸向作一定范圍的自由移動(dòng)而壓緊墊片，從而形成自緊密封。如圖6.3所示1。密封所需的外部力只要達(dá)到墊片初始密封就可以了。由于內(nèi)壓作用使墊片產(chǎn)生塑性變形而實(shí)現(xiàn)密封，所以內(nèi)壓越高密封越可靠。但在低壓時(shí)，由于自緊密封效果不顯著，所以要施以充分的初始緊固力。另外在高壓試驗(yàn)時(shí)，壓力和溫度的波動(dòng)，使墊片表面變形而連接松弛，所以需進(jìn)行二次緊固壓緊頂蓋。圖6.3 Brid

11、gman密封1.壓緊頂蓋；2.壓環(huán)；3.墊環(huán)；4.墊片；5.墊環(huán)；6.凸肩頭蓋；7.筒體1234567Bridgman密封結(jié)構(gòu)簡單，沒有需要特殊加工或者加工要求很高的零件，所以加工方便、制造成本低廉。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是主要元件都裝于容器筒體內(nèi)部，占據(jù)較多的高壓空間。在操作狀態(tài)下，由壓力產(chǎn)生的軸向載荷是由壓緊頂蓋與筒體的螺紋連接來承受的，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是螺紋受載很大，容易損壞。當(dāng)容器直徑較大時(shí)，不但凸肩頭蓋、壓緊頂蓋十分笨重，擰緊頂蓋也不甚容易，而且大直徑并有精度要求的螺紋也不易加工。該密封結(jié)構(gòu)常用于內(nèi)徑300mm、壓力700MPa以下的超高壓容器上。 二、材料的選擇為了保證容器的初始密封及在超

12、高壓條件下密封可靠，選擇有關(guān)零件的材質(zhì)時(shí)應(yīng)考慮如下幾個(gè)因素：墊片材料應(yīng)能產(chǎn)生足夠大的塑性變形，以使密封面很好地相互貼合，同時(shí)應(yīng)有足夠大的彈性，以防止密封墊片被擠入墊環(huán)與筒體頂部的間隙中。另外，還應(yīng)考慮到墊片與筒體材料間可能發(fā)生的“擦傷”或“咬死”現(xiàn)象。常用的墊片材料有橡膠、聚四氟乙烯等軟材料，黃銅、退火紫銅等也用得較多。鋁、軟鋼、純鐵、不銹鋼等常被用在工作溫度較高、操作介質(zhì)對材質(zhì)有特殊要求的場合。另外，為了改善金屬墊片的密封性能，往往在其表面進(jìn)行鍍銀處理。操作狀態(tài)下，墊片、墊環(huán)所受的表面壓力很大，墊環(huán)應(yīng)采用強(qiáng)度較高的材料，避免被壓碎，但它的強(qiáng)度應(yīng)低于壓緊頂蓋材料的強(qiáng)度。常用的材料有40Cr、3

13、5CrMo等。凸肩頭蓋、壓緊頂蓋是直接受力部件，因此可選用與筒體相同的材質(zhì)，也可選用如34CrNi3MoA、35CrMo、40Cr等高強(qiáng)度鋼。三、墊片設(shè)計(jì)計(jì)算操作狀態(tài)下，墊片上的壓緊應(yīng)力應(yīng)大于墊片材料的屈服限，以保證有效的密封。但該值應(yīng)小于壓緊頂蓋鋼材的屈服限，以防止將壓緊頂蓋及筒體的密封面壓壞。由于墊片是用軟金屬制成的，受壓變形后容易擠入周圍的間隙內(nèi)，所以壓環(huán)與頭蓋、筒體頂部的配合間隙以及凸肩頭蓋與筒體頂部的配合間隙應(yīng)盡量小，一般約為0.05mm左右。墊片的最終壓緊應(yīng)力與內(nèi)壓成正比，其比例系數(shù)為內(nèi)壓作用的面積與墊片面積之比。（6.1）式中，為墊片壓緊應(yīng)力，為設(shè)計(jì)壓力，為內(nèi)壓作用面積，為墊片面

14、積。如果墊片面積太大，壓緊應(yīng)力較小，就保證不了密封。如果太小，墊片承受的壓緊應(yīng)力很大，當(dāng)內(nèi)壓較高時(shí)可能超出四周筒體器壁的強(qiáng)度極限，使器壁材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，進(jìn)而墊片膨脹被擠入筒體器壁與壓環(huán)間的間隙中，造成拆卸困難。根據(jù)國內(nèi)超高壓容器的密封試驗(yàn)，建議取比值1.21.4。當(dāng)工作壓力小時(shí)取大值，當(dāng)工作壓力大時(shí)取小值，但必須滿足墊片壓緊應(yīng)力大于墊片材料的屈服限、小于壓緊頂蓋鋼材的屈服限的條件。四、類似Bridgman密封的結(jié)構(gòu)2在直徑較小的超高壓容器中應(yīng)用Bridgman密封已被實(shí)踐證明是可靠的。對某些直徑較大的超高壓容器，或出于介質(zhì)、使用溫度的考慮，在工程實(shí)際中還出現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)型式，圖6.4和6.5

15、分別為經(jīng)實(shí)際使用證明是可靠的密封結(jié)構(gòu)。圖6.5 150MPa壓力密封結(jié)構(gòu)1.座圈；2.壓蓋(14CrMnMoVB)；3.壓環(huán)(碳鋼)；4.密封環(huán)(丁腈橡膠)；5.異形環(huán)(聚四氟乙烯)；6.異形環(huán)（黃銅）；7.筒體圖6.4 130MPa壓力密封結(jié)構(gòu)1.密封環(huán)（1Cr18Ni9Ti）；2.密封墊(真空橡膠)；3.凸肩頭蓋；4.筒體第三節(jié) 楔形墊密封2一、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)圖6.6 楔形墊密封1.頂緊螺栓；2.卡環(huán)；3.壓緊頂蓋；4.壓環(huán)；5.楔形墊；6.凸肩頭蓋；7.筒體1234567楔形墊密封是軸向自緊式密封的一種，其結(jié)構(gòu)如圖6.6所示。楔形墊放置在容器的內(nèi)壁和壓環(huán)之間，其初始密封是通過壓環(huán)壓緊楔形墊來

16、實(shí)現(xiàn)的。操作時(shí)，內(nèi)部壓力升高，作用在凸肩頭蓋上，使凸肩頭蓋有沿軸向向上自由移動(dòng)的趨勢，從而壓緊楔形墊，達(dá)到自緊密封的效果。壓力越高，密封力越大，密封也就越可靠。楔形密封的特點(diǎn)是：螺栓預(yù)緊力較小，螺栓載荷也較小。如果把頂蓋與筒體頂部的連接改為螺紋連接，就無需采用強(qiáng)制式密封的笨重而復(fù)雜的大螺栓法蘭；由于凸肩頭蓋可以自由移動(dòng)，容器的初始密封可以通過預(yù)緊頂蓋壓緊楔形墊來實(shí)現(xiàn)，所以在溫度、壓力有波動(dòng)的情況下，仍能保證良好的密封性能；結(jié)構(gòu)簡單，密封元件加工方便；因?yàn)樾ㄐ螇|大部分是用軟金屬制成，在壓緊頂蓋通過壓環(huán)壓緊楔形墊時(shí)，楔角已經(jīng)被插入凸肩頭蓋與筒體頂部的間隙之中，在工作壓力作用下，就會(huì)進(jìn)一步擠入此間隙

17、中，使頂蓋打開困難，裝拆不便；占據(jù)了較多的高壓空間，操作空間減少。楔形墊密封用于直徑小于1000mm，溫度小于350，操作壓力小于100MPa的場合，但因開啟困難而限制了它的大量推廣使用。按楔形墊使用的材料和采用的密封比壓的不同，可分為塑性環(huán)和彈性環(huán)。塑性環(huán)是在工作壓力作用下，在環(huán)上產(chǎn)生的密封比壓足以使環(huán)產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)的密封條件是：（此處為楔形墊材料的屈服極限，為筒體端部材料的屈服極限，是作用在環(huán)上的密封比壓）。由于環(huán)是在屈服狀態(tài)并有一定塑性的條件下工作，所以容易實(shí)現(xiàn)密封。塑性環(huán)的材料通常由軟金屬制成，如退火紫銅、鋁、軟鋼、不銹鋼等。彈性環(huán)是使用強(qiáng)度較高的鋼制成的楔形墊。在工作壓力作用下，

18、環(huán)上的密封比壓小于環(huán)材料的屈服極限，但在楔尖有可能有局部的塑性變形。它的密封主要是靠楔形墊兩邊接觸面來保證，所以被應(yīng)用于需經(jīng)常裝拆的容器密封中。由于該環(huán)是在彈性范圍內(nèi)使用，即使有微小擦傷或者楔尖有局部塑性變形，只要略經(jīng)修磨后還可重復(fù)使用。常見的兩種楔形墊結(jié)構(gòu)如圖6.7所示。圖6.7 楔形墊的形狀（a）單邊傾斜楔形墊；（b）雙邊傾斜楔形墊（b）（a）單邊傾斜楔形墊一般有較小的楔尖角，通常角（內(nèi)錐角）在45°左右，也可選用30°、60°。由于外錐角為零，小于摩擦角，所以裝拆比較困難。如果采用塑性環(huán)，裝拆更加困難。因此它適用于要求一次試用成功并要求長期工作可靠、不需拆卸

19、的場合。雙邊傾斜楔形墊內(nèi)錐角一般仍在30°40°，而外錐角要求大于摩擦角。這樣就給裝拆帶來很大的方便。圖6.8 單邊傾斜楔形墊N2N3二、設(shè)計(jì)計(jì)算（一）單邊傾斜楔形墊設(shè)計(jì)時(shí)通常先確定結(jié)構(gòu)尺寸，然后校核墊片密封面上的擠壓應(yīng)力。單邊傾斜楔形墊結(jié)構(gòu)尺寸如圖6.8所示。楔形墊尺寸，一般可選取，角可選30°、45°、60°，通常取45°。在確定楔形墊的結(jié)構(gòu)尺寸后，就可計(jì)算各面上的擠壓應(yīng)力值。由內(nèi)壓引起的軸向載荷為（6.2）式中，為楔形墊外徑。預(yù)緊時(shí)，楔形墊密封力的軸向分量為（6.3）式中，為楔形墊的錐角，為摩擦角，為楔形墊密封力，可取以下兩式中

20、之較大值（6.4）式中，、為楔形墊尺寸，為楔形墊密封力作用處的直徑，為密封比壓。計(jì)算載荷應(yīng)選取與中之較大者。楔形墊各密封面上的法向反力為（6.5）（6.6）（6.7）楔形墊各密封面上的擠壓應(yīng)力為（6.8）式中，為楔形墊尺寸。、應(yīng)分別滿足以下條件，（6.9）式中，為墊片材料的屈服限，為筒體端部材料的屈服限。（二）雙邊傾斜楔形墊圖6.9 雙邊傾斜楔形墊雙邊傾斜楔形墊的結(jié)構(gòu)尺寸如圖6.9所示。計(jì)算方法與單邊楔形墊基本相似。由內(nèi)壓引起的軸向載荷為（6.10）預(yù)緊時(shí)，楔形墊密封力的軸向分量為（6.11）式中，、為楔形墊的內(nèi)外錐角?？扇∫韵聝墒街兄^大值（6.12）式中，、為楔形墊尺寸，、為楔形墊密封力、

21、作用處的直徑。計(jì)算載荷應(yīng)選取與中之較大者。當(dāng)時(shí)，楔形墊各密封面上的法向反力為 （6.13）（6.14）（6.15）然后計(jì)算出密封面的面積，各密封面上擠壓應(yīng)力，最后進(jìn)行強(qiáng)度校核。三、改良的楔形墊密封結(jié)構(gòu)楔形墊密封的應(yīng)用已有一定的經(jīng)驗(yàn)，但是使用中尚存在一些問題，如楔尖如何優(yōu)先實(shí)現(xiàn)初始密封；如何合理選擇楔形墊材料和各密封面的比壓值，既保證密封又便于裝卸；如何重復(fù)使用楔形墊等。為解決這些問題，出現(xiàn)了一些新的密封結(jié)構(gòu)，其主要改進(jìn)可歸納為兩個(gè)方面。（一）使楔形墊的尖角處優(yōu)先實(shí)現(xiàn)接觸變形，以保證初始密封1. 開設(shè)密封槽 如圖6.10所示，在靠近楔形墊尖角的內(nèi)外兩側(cè)開設(shè)密封槽，減小了剛性，使尖角處優(yōu)先進(jìn)入塑性

22、變形狀態(tài)。圖6.10 開槽雙邊傾斜楔形環(huán)2. 鑲嵌軟金屬絲“O”形環(huán) 在靠近楔形墊尖角處的外錐面上鑲嵌兩個(gè)軟金屬絲“O”形環(huán)，使軟金屬絲“O”形環(huán)首先接觸并發(fā)生變形，實(shí)現(xiàn)初始密封，如圖6.11所示。軟金屬絲“O”形環(huán)通常由直徑為2mm的銀絲制成。這種楔形墊使用一次后將銀絲除去，鑲嵌上新的銀絲，便可再次使用。（二）鋼制球面楔形墊這種楔形墊屬于彈性墊，外錐角大于摩擦角，球面與筒體頂部接觸面較小，拆卸方便，如圖6.12所示。圖6.11 150MPa壓力用楔墊圖6.12 鋼質(zhì)球面楔形墊1.壓緊頂蓋；2.壓環(huán)；3.球面楔形墊；.凸肩頭蓋；.筒體頂部第四節(jié) 組合式密封2一、“O”形環(huán)加三角墊的密封結(jié)構(gòu)典型

23、的結(jié)構(gòu)如圖6.13所示。“O”形環(huán)較容易實(shí)現(xiàn)初始密封，在高壓力時(shí)，由三角墊發(fā)揮密封作用。該結(jié)構(gòu)密封性能良好，已成功應(yīng)用于壓力300MPa、溫度200°C的容器的密封，其“O”形環(huán)由氟橡膠制成。圖6.14所示結(jié)構(gòu)已用于壓力250MPa、直徑400mm的靜水壓機(jī)高壓釜的密封，效果良好，該結(jié)構(gòu)亦被用于500MPa的超高壓容器。圖6.15結(jié)構(gòu)用于350MPa超高壓容器密封。圖6.16密封結(jié)構(gòu)用于500MPa超高壓自增強(qiáng)容器。圖6.176.19結(jié)構(gòu)分別用于800MPa、1000MPa和3000MPa的超高壓容器的密封。圖6.16 500MPa壓力用密封1.三角墊(黃銅)；2.O形環(huán)(耐油橡膠)；3.壓環(huán)；4.凸肩頭蓋；5.筒體圖6.15 350MPa壓力用密封1.O