超高压容器的密封设计.doc

超高压容器的密封设计超高压容器的密封结构是超高压设备的一个重要组成部分，超高压容器能否正常运行在很大程度上取决于密封结构的完善性。近年来，随着化工、石油化工、核能、电力等工业的飞速发展，对超高压容器的密封结构提出了更多、更新的要求，如超高压容器的大型化，要求密封直径越来越大；容器开启频繁，要求结构轻巧、装拆方便；容器内往往是易燃易爆介质，要求密封可靠等，这同时促进了超高压容器密封技术的发展。大多数超高压容器的操作条件都很复杂，除了压力极高外，压力、温度的波动，都会给密封设计带来困难。进行超高压密封设计时应考虑以下因素：操作压力、温度的波动及其变化；容器的几何尺寸及操作空间的限制；容器接触介质对材质的要求。超高压密封结构的优劣主要依据以下几方面来衡量：在正常操作压力和温度波动的情况下都能保证良好的密封；结构简单，加工制造以及装拆检修方便；结构紧凑、轻巧，元件少，占有高压空间少；能重复使用。本章将介绍常用的超高压密封结构及其设计方法。第一节 “B”形环密封 一、结构与特点1“B”形环密封是一种自紧径向密封，它依靠“B”形环波峰和筒体、顶盖上密封槽之间的径向过盈来产生初始密封比压，以达到密封，如图6.1所示。当内压作用后，“B”形环向外扩张，工作密封比压增加。图6.1 “B”形环密封的局部结构1.平盖或封头；2.“B”形环；3.筒体端部123“B”形环密封的主要特点为：因有径向自紧作用，故对连接结构的刚度要求较低，即使顶盖在内压作用下轴向有较大位移时，也能保证密封，因此能适用于温度和压力波动较大的场合；压力越高、直径越大，密封性能越好；结构简单，装拆方便；加工精度和表面粗糙度要求高，“B”形环和筒体、顶盖上密封槽接触表面的粗糙度应控制在0.8mm以内；装拆要求仔细谨慎，防止擦伤密封面而影响密封性能，故重复使用性能差。对“B”形环的材料没有特殊的要求，常用材料为20、25号钢，当设计压力较高，筒体材质选用高强度钢时，也可选用35，45号钢。“B”形环的表面硬度要求通常为HB190。“B”形环通常不重复使用，重复使用时需经过修正和适当选配。二、设计计算2目前有关“B”形环的设计公式都是半经验半理论的。按照这些公式设计的高压容器（压力小于100MPa）“B”形环密封是可靠的，但超高压容器“B”形环密封的设计迄今尚无成熟的公式。设计时，可行的办法是先根据经验，确定相关尺寸，然后进行试验验证，确认其密封可靠后再用于实际的超高压容器。在确定尺寸时应注意如下问题：“B”形环的环厚应适中。若设计得过薄，虽然初始密封效果较好，但在较高压力下，“B”形环容易弯曲而造成失效或破坏；若设计得过厚，有可能影响初始密封。所以，厚度设计的原则是：在保证实现初始密封的前提下，尽量增加厚度，以利于承受较高的压力。合理选择过盈量。通常对直径较小的容器，过盈量应取大一些；对直径较大的容器，过盈量宜取小一些。过盈量过大，会造成装配时挤压力过大，装卸困难，严重时会导致“B”形环表面损坏，影响密封性能；过盈量过小，难以实现初始密封。表6.1为0.25m3聚乙烯反应釜用“B”形环实际尺寸及过盈量对密封效果的影响，表中数据为试验得到的实测值。表6.1 “B”形环实际尺寸及过盈量对密封效果的影响密封部位尺 寸 和 过 盈 量使用效果“B”形环变形情况“B”形环端盖槽直径D1(mm)端盖槽直径D2(mm)过盈量(mm)内径d(mm)外径D(mm)厚度s (mm)高度h(mm)圆弧半径r1(mm)r2(mm)筒体与端盖94110.048321015110.020.02安装方便不漏变形严重110.04109.920.1290110.1210321015110.020.10安装方便不漏有明显变形110.21110.150.0690110.241032.41015110.000.24过盈量太大有铁屑，有渗漏有明显变形110.19109.920.2783110.2511321015110.140.11安装方便不漏变形较小110.20110.150.0586110.0912321015110.000.09安装方便不漏基本不变形110.00109.920.0586110.1012321015110.14安装方便不漏基本不变形110.21110.150.06由表6.1可见，在相同条件下，“B”形环的厚度不同，其变形情况亦不同；改变环与槽的过盈量会得到不同的密封效果。表6.2为部分国内已使用并且证明密封效果良好的超高压容器密封用“B”形环尺寸。表6.2 部分国内已使用过的“B”形环尺寸项目容 器 名 称 或 用 途氢加热器超高压容器氢加热器超高压容器250升高压聚乙烯反应器超高压压缩机出口缓冲器高压聚乙烯试验装置油分离器自增强试验用容器爆破试验用容器设计压力（MPa）100100100150230220330416420容器直径（mm）4103803608030515010010035“B”形环尺寸（mm）内径d413380360803061501009032外径D4634203809633117013011043厚度S252010812.51015105.5高度h806540323530403215波峰间距C48392419.22018229圆弧半径r116178151994154圆弧半径r2161781014918103与筒体配合过盈量（mm）0.070.10.10.150.070.10.0350.040.190.0270.020.050.050.120.0640.128“B”形环材质20钢20Cr35钢45钢20CrMo20钢备注密封良好，低压时靠 “O”形环密封三、制造2“B”形环是依靠波峰和筒体及端盖的密封槽的径向接触实现密封的，密封效果的好坏与环本身的制造质量密切相关，其制造要求为：严格按照图纸要求的加工精度加工，确保过盈量值；密封面的光洁度应不低于Ra0.8mm；环粗加工后应进行100超声波探伤；环加工完毕后需作正火处理，处理后的硬度不能高于规定值；加工完成后的碳钢“B”形环应作防锈处理，并妥善包装、保管，防止碰坏和划伤密封面。四、改良的“B”形环密封结构图6.2 双“O”环密封1.软垫片；2.外背环；3.“B”形环本体“B”形环的最大确点是当操作压力还未达到规定值时，也即容器在升压过程中压力尚较低时，密封处往往会出现泄漏现象，压力越低泄漏越严重。为解决这一问题，可对“B”形环作适当改进。图6.2是用于高压聚乙烯装置反应器上的经过改进的“B”形环结构2。这种组合式“B”形环其初始密封依靠软垫片实现，当压力升高后，则依靠“B”形环自身的径向扩张实现自紧密封。第二节 Bridgman密封一、结构与特点Bridgman密封是在容器的内壁和垫环之间放一垫片，利用作用在凸肩头盖端面上的压力使头盖在轴向作一定范围的自由移动而压紧垫片，从而形成自紧密封。如图6.3所示1。密封所需的外部力只要达到垫片初始密封就可以了。由于内压作用使垫片产生塑性变形而实现密封，所以内压越高密封越可靠。但在低压时，由于自紧密封效果不显著，所以要施以充分的初始紧固力。另外在高压试验时，压力和温度的波动，使垫片表面变形而连接松弛，所以需进行二次紧固压紧顶盖。图6.3 Bridgman密封1.压紧顶盖；2.压环；3.垫环；4.垫片；5.垫环；6.凸肩头盖；7.筒体1234567Bridgman密封结构简单，没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。这种结构的缺点是主要元件都装于容器筒体内部，占据较多的高压空间。在操作状态下，由压力产生的轴向载荷是由压紧顶盖与筒体的螺纹连接来承受的，虽然结构简单，但是螺纹受载很大，容易损坏。当容器直径较大时，不但凸肩头盖、压紧顶盖十分笨重，拧紧顶盖也不甚容易，而且大直径并有精度要求的螺纹也不易加工。该密封结构常用于内径300mm、压力700MPa以下的超高压容器上。 二、材料的选择为了保证容器的初始密封及在超高压条件下密封可靠，选择有关零件的材质时应考虑如下几个因素：垫片材料应能产生足够大的塑性变形，以使密封面很好地相互贴合，同时应有足够大的弹性，以防止密封垫片被挤入垫环与筒体顶部的间隙中。另外，还应考虑到垫片与筒体材料间可能发生的“擦伤”或“咬死”现象。常用的垫片材料有橡胶、聚四氟乙烯等软材料，黄铜、退火紫铜等也用得较多。铝、软钢、纯铁、不锈钢等常被用在工作温度较高、操作介质对材质有特殊要求的场合。另外，为了改善金属垫片的密封性能，往往在其表面进行镀银处理。操作状态下，垫片、垫环所受的表面压力很大，垫环应采用强度较高的材料，避免被压碎，但它的强度应低于压紧顶盖材料的强度。常用的材料有40Cr、35CrMo等。凸肩头盖、压紧顶盖是直接受力部件，因此可选用与筒体相同的材质，也可选用如34CrNi3MoA、35CrMo、40Cr等高强度钢。三、垫片设计计算操作状态下，垫片上的压紧应力应大于垫片材料的屈服限，以保证有效的密封。但该值应小于压紧顶盖钢材的屈服限，以防止将压紧顶盖及筒体的密封面压坏。由于垫片是用软金属制成的，受压变形后容易挤入周围的间隙内，所以压环与头盖、筒体顶部的配合间隙以及凸肩头盖与筒体顶部的配合间隙应尽量小，一般约为0.05mm左右。垫片的最终压紧应力与内压成正比，其比例系数为内压作用的面积与垫片面积之比。（6.1）式中，为垫片压紧应力，为设计压力，为内压作用面积，为垫片面积。如果垫片面积太大，压紧应力较小，就保证不了密封。如果太小，垫片承受的压紧应力很大，当内压较高时可能超出四周筒体器壁的强度极限，使器壁材料产生塑性流动，进而垫片膨胀被挤入筒体器壁与压环间的间隙中，造成拆卸困难。根据国内超高压容器的密封试验，建议取比值1.21.4。当工作压力小时取大值，当工作压力大时取小值，但必须满足垫片压紧应力大于垫片材料的屈服限、小于压紧顶盖钢材的屈服限的条件。四、类似Bridgman密封的结构2在直径较小的超高压容器中应用Bridgman密封已被实践证明是可靠的。对某些直径较大的超高压容器，或出于介质、使用温度的考虑，在工程实际中还出现了类似的结构型式，图6.4和6.5分别为经实际使用证明是可靠的密封结构。图6.5 150MPa压力密封结构1.座圈；2.压盖(14CrMnMoVB)；3.压环(碳钢)；4.密封环(丁腈橡胶)；5.异形环(聚四氟乙烯)；6.异形环（黄铜）；7.筒体图6.4 130MPa压力密封结构1.密封环（1Cr18Ni9Ti）；2.密封垫(真空橡胶)；3.凸肩头盖；4.筒体第三节 楔形垫密封2一、结构与特点图6.6 楔形垫密封1.顶紧螺栓；2.卡环；3.压紧顶盖；4.压环；5.楔形垫；6.凸肩头盖；7.筒体1234567楔形垫密封是轴向自紧式密封的一种，其结构如图6.6所示。楔形垫放置在容器的内壁和压环之间，其初始密封是通过压环压紧楔形垫来实现的。操作时，内部压力升高，作用在凸肩头盖上，使凸肩头盖有沿轴向向上自由移动的趋势，从而压紧楔形垫，达到自紧密封的效果。压力越高，密封力越大，密封也就越可靠。楔形密封的特点是：螺栓预紧力较小，螺栓载荷也较小。如果把顶盖与筒体顶部的连接改为螺纹连接，就无需采用强制式密封的笨重而复杂的大螺栓法兰；由于凸肩头盖可以自由移动，容器的初始密封可以通过预紧顶盖压紧楔形垫来实现，所以在温度、压力有波动的情况下，仍能保证良好的密封性能；结构简单，密封元件加工方便；因为楔形垫大部分是用软金属制成，在压紧顶盖通过压环压紧楔形垫时，楔角已经被插入凸肩头盖与筒体顶部的间隙之中，在工作压力作用下，就会进一步挤入此间隙中，使顶盖打开困难，装拆不便；占据了较多的高压空间，操作空间减少。楔形垫密封用于直径小于1000mm，温度小于350，操作压力小于100MPa的场合，但因开启困难而限制了它的大量推广使用。按楔形垫使用的材料和采用的密封比压的不同，可分为塑性环和弹性环。塑性环是在工作压力作用下，在环上产生的密封比压足以使环产生塑性变形，此时的密封条件是：（此处为楔形垫材料的屈服极限，为筒体端部材料的屈服极限，是作用在环上的密封比压）。由于环是在屈服状态并有一定塑性的条件下工作，所以容易实现密封。塑性环的材料通常由软金属制成，如退火紫铜、铝、软钢、不锈钢等。弹性环是使用强度较高的钢制成的楔形垫。在工作压力作用下，环上的密封比压小于环材料的屈服极限，但在楔尖有可能有局部的塑性变形。它的密封主要是靠楔形垫两边接触面来保证，所以被应用于需经常装拆的容器密封中。由于该环是在弹性范围内使用，即使有微小擦伤或者楔尖有局部塑性变形，只要略经修磨后还可重复使用。常见的两种楔形垫结构如图6.7所示。图6.7 楔形垫的形状（a）单边倾斜楔形垫；（b）双边倾斜楔形垫（b）（a）单边倾斜楔形垫一般有较小的楔尖角，通常角（内锥角）在45左右，也可选用30、60。由于外锥角为零，小于摩擦角，所以装拆比较困难。如果采用塑性环，装拆更加困难。因此它适用于要求一次试用成功并要求长期工作可靠、不需拆卸的场合。双边倾斜楔形垫内锥角一般仍在3040，而外锥角要求大于摩擦角。这样就给装拆带来很大的方便。图6.8 单边倾斜楔形垫N2N3二、设计计算（一）单边倾斜楔形垫设计时通常先确定结构尺寸，然后校核垫片密封面上的挤压应力。单边倾斜楔形垫结构尺寸如图6.8所示。楔形垫尺寸，一般可选取，角可选30、45、60，通常取45。在确定楔形垫的结构尺寸后，就可计算各面上的挤压应力值。由内压引起的轴向载荷为（6.2）式中，为楔形垫外径。预紧时，楔形垫密封力的轴向分量为（6.3）式中，为楔形垫的锥角，为摩擦角，为楔形垫密封力，可取以下两式中之较大值（6.4）式中，、为楔形垫尺寸，为楔形垫密封力作用处的直径，为密封比压。计算载荷应选取与中之较大者。楔形垫各密封面上的法向反力为（6.5）（6.6）（6.7）楔形垫各密封面上的挤压应力为（6.8）式中，为楔形垫尺寸。、应分别满足以下条件，（6.9）式中，为垫片材料的屈服限，为筒体端部材料的屈服限。（二）双边倾斜楔形垫图6.9 双边倾斜楔形垫双边倾斜楔形垫的结构尺寸如图6.9所示。计算方法与单边楔形垫基本相似。由内压引起的轴向载荷为（6.10）预紧时，楔形垫密封力的轴向分量为（6.11）式中，、为楔形垫的内外锥角。可取以下两式中之较大值（6.12）式中，、为楔形垫尺寸，、为楔形垫密封力、作用处的直径。计算载荷应选取与中之较大者。当时，楔形垫各密封面上的法向反力为 （6.13）（6.14）（6.15）然后计算出密封面的面积，各密封面上挤压应力，最后进行强度校核。三、改良的楔形垫密封结构楔形垫密封的应用已有一定的经验，但是使用中尚存在一些问题，如楔尖如何优先实现初始密封；如何合理选择楔形垫材料和各密封面的比压值，既保证密封又便于装卸；如何重复使用楔形垫等。为解决这些问题，出现了一些新的密封结构，其主要改进可归纳为两个方面。（一）使楔形垫的尖角处优先实现接触变形，以保证初始密封1. 开设密封槽 如图6.10所示，在靠近楔形垫尖角的内外两侧开设密封槽，减小了刚性，使尖角处优先进入塑性变形状态。图6.10 开槽双边倾斜楔形环2. 镶嵌软金属丝“O”形环 在靠近楔形垫尖角处的外锥面上镶嵌两个软金属丝“O”形环，使软金属丝“O”形环首先接触并发生变形，实现初始密封，如图6.11所示。软金属丝“O”形环通常由直径为2mm的银丝制成。这种楔形垫使用一次后将银丝除去，镶嵌上新的银丝，便可再次使用。（二）钢制球面楔形垫这种楔形垫属于弹性垫，外锥角大于摩擦角，球面与筒体顶部接触面较小，拆卸方便，如图6.12所示。图6.11 150MPa压力用楔垫图6.12 钢质球面楔形垫1.压紧顶盖；2.压环；3.球面楔形垫；.凸肩头盖；.筒体顶部第四节 组合式密封2一、“O”形环加三角垫的密封结构典型的结构如图6.13所示。“O”形环较容易实现初始密封，在高压力时，由三角垫发挥密封作用。该结构密封性能良好，已成功应用于压力300MPa、温度200C的容器的密封，其“O”形环由氟橡胶制成。图6.14所示结构已用于压力250MPa、直径400mm的静水压机高压釜的密封，效果良好，该结构亦被用于500MPa的超高压容器。图6.15结构用于350MPa超高压容器密封。图6.16密封结构用于500MPa超高压自增强容器。图6.176.19结构分别用于800MPa、1000MPa和3000MPa的超高压容器的密封。图6.16 500MPa压力用密封1.三角垫(黄铜)；2.O形环(耐油橡胶)；3.压环；4.凸肩头盖；5.筒体图6.15 350MPa压力用密封1.O形环(耐油橡胶)；