流体静密封技术ppt课件

1、化工装备密封技术 (Sealing Technology for Chemical Engineering Equipment,主讲人: 刘炳成,实现以人为本 健康 安全 环保 经济 现代化生产新理念,青岛科技大学机电工程学院 电话E-mail：bingchengL,2,主要内容,一垫片密封 二法兰密封 三高压与自紧密封,垫片的定义,垫片是一种夹持夜两个独立的连接件之间的材料或材料的组合，其作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件间的密封。垫片必须能够密封结合面，并对密封介质不渗透和不被腐蚀，能经受温度和压力等的作用,垫片密封一般由连接件（如法兰）、垫片和紧固件（如螺

2、栓和螺母等）等组成。 影响密封效果的因素，除了垫片本身的性能外，还取决于系统的刚性和变形、组合面的粗糙度和不平行度、紧固载荷的大小和均匀性等,尼桑（NISSAN）汽缸垫,三菱（MITSUBISHI）4G63BK 汽缸垫,7,1、垫片密封结构及工作原理,图2-1 垫片密封的结构1螺母，2螺栓，3垫片，4法兰,属于强制型、中低压密封结构,8,1、垫片密封结构及工作原理,图2-2 高压自紧密封1螺母，2主螺栓，3压环，4密封垫，5浮动顶盖，6筒体，7垫圈,属于高压自紧式密封结构,9,垫片密封分类,按密封原理（即密封垫片受力情况）：强制型密封、自紧式密封和半自紧式密封三类。 强制型密封：完全靠外力(如

3、螺栓)对垫片施加载荷； 自紧式密封：主要利用介质的压力对垫片施加载荷； 半自紧式密封：上述两种方法兼而有之。 按操作压力：中、低压和高压密封。 低压密封：P100MPa,10,垫片泄漏的方式,穿漏（Penetration） O P 渗漏（Percolation,Very smallsmallbiggross LEAK,两种方式：穿漏（界面泄漏）、渗漏,第一种泄漏占了总泄漏量的80一90； 第二种泄漏占总泄漏量的10一20： 第三种被称为吹出(blowout)泄漏属于一种事 故性泄漏。 第一种泄漏通常可通过不同材料的复合或机械组合形成不渗透性结构或者使用较大的夹紧力使材料更加密实，减少以至消除泄

4、漏； 第二种和第三种与垫片材料性质、接头的机械特征、密封而的性质与状态、密封流体的特性以及紧固件夹紧程度等有关。它们也是解决垫片密封设计、安装、使用以及密封失效分析等问题的关键,12,垫片密封的机理,1）垫片应力的定义 密封表面上垫片接触压强(单位接触面上的压力，MPa或N/m2) F F P g,13,2）初始预紧,F（螺栓预紧载荷） M = K F d 或 F = M / K d gi = F / Ag 目的：填平密封表面形状不平度、波度 、粗糙度等， 达到初始密封,M（螺栓扭矩,密封机理,初始密封 应用：垫片用于对两个连接件密封面产生初始装配密封和保持工作密封。 要产生初始密封的基本要求

5、是压缩垫片，使其与密封面间产生足够的压力，通常称为垫片预紧应力，也有称初始垫片比压，以阻止介质通过材料本身的渗透，同时保证垫片对连接件有较大的顺应性，即垫片材料受压缩后发生的弹性或弹塑性变形能够填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道,15,3）工作密封 go = （gi Ag - pB）/ Ag,端部流体静压力 P,密封面分离,目的：正常操作状态保持持续密封,16,4）允许泄漏率标准,PVRC 紧密度水平 紧密度等级 质量泄漏率 应用场合 Tightness Level Mass leakage rate Applications （mg/s/mm .dia.） T1（经济） 21

6、01 公用（水、空气）工程 T2（标准） 2103 一般要求 T3（紧密） 2105 易燃、中、高度毒性介质 T4（严密） 2107 极度毒性介质、高真空 T5（极密） 2109 核装置,17,5）零逸出的概念,A、零逸出 很微小的只凭听、看感觉不能发现的易挥发性物质（有机化合物 Volatile Organic Compound “VOC”）的合格泄漏量。 通常用敏感的气体检漏仪，如有机蒸汽分析仪测量逸出气体的体 积浓度，以百万分率，即“ppmv” 表示 。 B、允许逸出量 人为规定的最低限度的逸出量,一个典型的有机合成化工厂，有超过3500连接部件因含有或接触5的挥发性有害空气污染物而成为

7、逸出点,18,逸出 泄漏的新含义之一,19,6）垫片泄漏的原因,1）设计引起的泄漏 法兰或法兰密封面型式选择不当。 对有一定压力、强渗透性气体，应选用凹凸面或榫槽面法兰，不宜选用平面法兰；对于低压、高温介质和要求预紧力大的金属复合型垫片，不应单按其压力等级选用法兰，而要考虑温度的影响，适当提高所选法兰的等级。 垫片材料选用不当。 正确选用垫片材料十分重要，因垫片材料选用有误而造成的泄漏事故很多。 法兰、螺栓材料选择不当。 例如，化肥厂变换炉的人孔法兰螺栓，过去般采用碳钢，高温下产生蠕变，螺栓力下降，容易产生泄漏。改用耐高温的35CrMo钢后，解决了泄漏问题,20,6）垫片泄漏的原因,2）制造、

8、安装与操作引起的泄漏 法兰和垫片的加工精度未达到技术要求；密封面有碰伤、划痕，特别是径向贯穿划痕，对密封性能有严重影响； 螺栓或垫片材料误用，同一法兰下采用不同材质螺栓等； 预紧螺栓时操作不当，造成垫片压偏、压损或法兰翘曲； 法兰密封面不清洁，粘附各种杂物； 管路法兰存在偏口、错口、张口情况； 设备操作不稳定，压力、温度波动大或超过允许值； 由于设备管路振动引起螺拴松动等,back,21,影响密封性能的因素 垫片密封件的功能要求和性能要求 垫片的种类和性能 非金属垫片 金属复合型垫片 金属垫片,2、垫片密封的种类及性能,22,影响密封性能的因素,密封面的表面状况； 密封面的接触宽度； 流体的性

9、质； 流体及环境的温度； 垫片材质及制造品质； 密封面比压； 外部条件的影响,2、垫片密封的种类及性能,23,垫片密封件的功能要求,使密封件与配偶件紧密接合； 阻止内部介质向外泄漏并防止外部杂质的内渗（抗 渗透）； 能有效抵抗使密封部位和密封件变形的机械力； 能抵抗具有破坏作用的化学物品（介质或外部环境） 和高温； 不受因温度变化或配偶件的膨胀和收缩而导致的预 紧力丧失的影响； 容易安装和拆卸； 密封件本体结构的一体性和耐流体冲刷性,2、垫片密封的种类及性能,24,垫片密封件的性能要求,不泄漏（抗流体穿透性能）； 良好的压缩性和回弹性； 较低的蠕变和应力松驰率； 抗压性； 耐温性能良好； 广泛

10、的化学适应性； 符合环保要求,2、垫片密封的种类及性能,25,2、垫片密封的种类,种类繁多，按材料和结构分为三大类： 非金属垫片：橡胶、石棉橡胶板、柔性石墨、聚四氟乙 烯等，截面形状大多为矩形。 金属复合型垫片：有各种金属包垫、金属缠绕垫；通常 采用金属与非金属组合复合的形式。 金属垫片：有金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透 镜垫、八角垫、双锥环、C形环、中空O形环等。均用金 属材料制成，不会产生渗透泄漏。 按照密封分类的原则，上述垫片中的第一、第二和第三 类的金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫属于 强制密封，而其余则为半自紧或自紧式密封,26,垫片密封材料的基本要求及其垫片性能表征

11、常用静密封材料和元件 静密封材料和元件的最新发展 密封材料和元件研究开发的重点和发展趋势 结语,3、垫片密封材料,27,垫片密封材料的基本要求及其垫片性能表征,28,方程（1）（4,垫片材料和元件的性能表征,29,密封元件的蠕变总是存在的，温度越高，蠕变量越大,密封元件的塑性变形量随压紧应力的增大而增大，压缩曲线和回弹曲线均非直线且不重合，具有非线性和非保守性,密封元件的基本密封特性是一个综合性指标，它与介质、工况条件、密封元件的结构和材料特性等有关,30,常用静密封材料和元件,植物材质、矿物纤维、橡胶、塑料、金属等均可用作静密封材料。 最常用的有橡胶、石棉、非石棉纤维、聚四氟乙烯、柔性石墨以

12、及诸多种类的金属和合金,31,石棉是一种含结晶水的硅酸盐，分为温石棉和蓝石棉(强酸性介质) 石棉的化学性能稳定、机械强度高，具有较好的耐热、耐蚀性能。 石棉橡胶板具有良好的耐热性、抗蠕变松弛性和耐化学腐蚀性，又具有较好的柔软性和弹性，且价格低廉。 石棉橡胶板的安全使用温度为50400。其适用压力范围一般不超过5MPa,石棉,32,具有优良的化学稳定性，可适用于多种腐蚀性介质,聚四氟乙烯无毒，无污染。 使用温度一般在196200范围内。 耐热性能、抗蠕变性能差。 在PTFE中按一定比例掺入不同性能的材料，可以明显改善其耐热性和冷流性,聚四氟乙烯,33,可制成各种不同形状的密封垫片。 特点是耐高压

13、、适应温度范围广、化学稳定性好。 带有增强骨架的柔性石墨垫片，可适应压力10MPa、温度200550、PH0-14的各种流体。 柔性石墨对介质有一定污染,柔性石墨,34,用在高温、低温、高真空、超高压或强腐蚀性、放射性流体等工况条件下。 金属垫片的种类很多，常用的有中空O型环，金属环及金属波形、平形、齿形密封垫片等。 常用的材料有软钢、铜、铝、银、不锈钢、铬钢、蒙乃尔合金等。 金属垫片密封要求较大的密封比压，法兰面应具有足够的硬度和表面光洁度。 金属平垫不适用于温度、压力波动较大的场合,金属垫片,35,由金属和非金属材料可以制成金属包覆垫片、缠绕式垫片、非金属贴覆垫片等复合（组合）密封垫片。

14、其压缩、回弹性能好、与法兰表面贴合能力强。能在高温、低温、冲击振动等循环交变载荷等各种苛刻条件下，保持优良的密封性能,金属垫片,36,静密封材料和元件的最新发展,1、改性聚四氟乙烯,2、膨胀聚四氟乙烯密封材料,3、非石棉纤维复合密封材料,4、钛缠绕式垫片和镍铜合金缠绕式垫片,37,改性聚四氟乙烯,耐磨性；强度、韧性,线膨胀系数、导热率，抗压强度、耐蠕变性、耐磨耗性,改性聚四 氟乙烯,耐压性，散热性,刚性、硬度、抗蠕变性、电绝缘性、导热性、耐磨性；摩擦系数,强度、硬度、耐磨性， 基体与纤维的结合能力,38,810的玻璃纤维、35的二硫化钼填充聚四氟乙烯耐高低温，具有优异的自润滑性、较小的透气性、

15、良好的化学稳定性和力学性能，可制成O型、Y、U、L、J等各种形式的密封元件，其使用压力可达3040MPa,back,39,特点：1)、品质优异。具有高度的柔韧性、可压缩性，优异的抗酸、碱耐腐蚀性、抗老化、耐蠕变，自润滑性好，摩擦系数低和抗张强度高。 2)、使用方便、快捷。 其使用温度为218320，使用压力可达20MPa，可适用于P值014的环境,膨胀聚四氟乙烯密封材料,40,非石棉纤维复合密封材料,非石棉纤 维复合材料,41,利用纤维的混杂效应，综合有机和无机纤维各自的优点，制备无石棉密封材料成了目前垫片材料的一个主要研制和应用方向,国产非石棉纤维橡胶垫片的使用温度在40300的范围内，使用

16、压力等级小于5.0MPa。 国外非石棉纤维橡胶垫片的使用温度一般为40370， （最高480，碳纤维），使用压力等级达到7.0MPa，可用于密封水、饱和蒸汽、惰性气体、不饱和脂族烃、汽油、中强度酸碱,42,密封性能优越，泄漏率小于1.010-5cm3/s。为大型化、高参数、强腐蚀等特殊工况条件的系统和设备提供了可靠的密封元件，可满足普通缠绕式垫片（不锈钢非金属填料组合）无法满足的使用要求,钛缠绕式垫片和镍铜合金缠绕式垫片,镍铜合金缠绕式垫片可用于所有浓度、温度的苛性碱溶液，稀非氧化酸、有机酸和有机溶剂介质,钛缠绕式垫片具有极强的耐腐蚀性能，可用于氯碱工业、纯碱生产过程、碘、溴为工艺介质的设备，

17、还可用于硝酸，亚硝酸盐硝酸盐等介质,南京工业大学研制开发了镍铜合金和钛缠绕式垫片,43,密封材料和元件研究开发的重点和发展趋势,1、非石棉密封复合材料的进一步研究开发,2、适合特殊场合使用的密封材料和结构研究,3、纳米材料在静密封领域的应用前景,44,4、垫片的选用,垫片选用的原则 选择垫片时，首先参考已经在相似工况下的使用经验，同时 应考虑下列因素： 有良好的弹性和恢复性，能适应压力变化和温度波动； 有适当的柔软性，能与接触面很好地贴合； 不污染工艺介质； 有足够的韧性及强度，不会在压力和紧固力下造成破环； 低温时不硬化，收缩量小，高温时不软化，抗蠕变性能好； 加工性能好，安装、压紧方便；

18、不粘结密封面，拆卸容易； 价格便宜，使用寿命长,45,二、法兰密封,1、法兰密封面型式和加工要求 2、密封机理及影响因素 3、垫片密封设计方法和计算 4、高温法兰防漏设计,46,引 言,在流体静密封中，以外加载荷产生压紧应力的强制垫片密封使用量最大，主要用于中低压密封和小直径的高压密封，由其外加载荷的连接形式而言，常用的有法兰连接与螺纹连接两种，密封机理相同。 螺纹连接一般用于小直径的管道、阀门密封，而法兰连接在各种压力设备和管道中应用极广。 本章仅讲述法兰垫片的设计,1. 设计的一般目的： 是对于已知的垫片特性，确定法关和螺栓等结构的安全、经济尺寸以及整个系统达到规定的密封度要求、即 完整性

19、整个结构的机械或热应力必须在材料 允许范围内； 密封性垫片应力必须使整个接头的泄漏率在 允许范围内,法兰连接设计的一般考虑,必须满足的载荷条件： 初始拧紧螺校时的装配或预紧载荷 1.25或1.5倍设计压力的液压试验载荷； 正常操作载荷(例如压力和温度载荷,根据应用场合还须考虑的其他条件： 其他外载荷，如轴向或弯曲载荷(管道重量和热膨胀)； 螺栓预紧载荷的不确定性，如按不同的方法预紧螺栓发生 的螺栓载荷可能有正负25或更大的误差 瞬时热冲击，如骤然加热或冷却 因循环载荷引起的疲劳； 腐蚀将减小材料的有效厚度 蠕变，包括法兰、螺栓和垫片的蠕变，所有都将减少垫片应力,50,1、法兰密封面型式和加工要

20、求,法兰密封面型式 有平面、凹凸面、榫槽面及锥形密封面等。 1)、平面法兰 适用于平面法兰的垫片有各种非金属平垫片、包覆垫片、金属包垫、缠绕式垫片(可同时带内环或外环或内外环)。 结构简单，加工方便，便于防腐衬里的施工，故可在公称压力P2.45MPa时使用。在0.6MPa压力以下、温度不高的场所尤为适宜。 但与密封垫片的接触面积较大(特别是管道用宽面法兰)，密封所需的压紧力大，安装时垫片不易定位预紧后，垫片易在半径方向变形移动。对聚四氟乙烯等摩擦系数较小的垫片，不宜使用该种密封面。另外，当垫片要重复利用时(如缠绕垫)，密封面上不车制三角沟槽,51,52,1、法兰密封面型式和加工要求,法兰密封面

21、型式 2)、凹凸面法兰 适用垫片：各种非金属平垫片、包覆垫、金属包垫、缠绕垫片(基本型或带内环)、金属波形垫、金属平垫、金属齿形垫。 特点：垫片不易被挤出(外侧约束、内侧受压)，装配时便于对中，故工作压力范围比平面法兰宽，用于密封要求较严的场合， 由于内侧无约束，对操作温度高、封口直径大的设备，使用该种密封面时，垫片仍存在被挤出的可能。垫片内侧变形使垫片压紧应力减小，会导致密封失效。采用榫槽面法兰或带有两道止口的凹凸面法兰才能密封,53,1、法兰密封面型式和加工要求,法兰密封面型式 3)、榫槽面法兰 适用垫片：金属和非金属平垫、金属包垫、缠绕垫(基本型)等。垫片在槽内各个方向被约束，不会被挤出

22、变形，压紧应力变化小，垫片宽度可小一些，从而压紧面积最小(只足平面和凹凸面法兰的52一68)，垫片受力均匀，密封性很好。 可用于高压、易燃、易爆、有毒介质等密封要求严格的场合。这种密封面垫片安装时对中性好，但密封面加工和更换垫片较为困难,54,1、法兰密封面型式和加工要求,法兰密封面型式 4)、其他密封面型式的法兰 图3一14(a)为采用橡胶O形圈和金属中空O形环的法兰密封面型式。 图3一14(b)为梯形槽法兰密封面，可配合八角垫和椭圆垫。 图3一14(c)为透镜垫密封结构，法兰密封面是锥面，专用于高压管道和高压接头的连接,55,1、法兰密封面型式和加工要求,法兰密封面的加工 泄漏渠道：法兰密

23、封面与垫片界面。 法兰密封面表面粗糙度：影响密封性能的主要形状因素。 试验：法兰密封面粗糙度为3.2m、用金属包石棉垫密封压力为0.49MPa的空气时，有微漏现象；当粗糙度的值减少到1.6m时，就可密封。 加工要求：有表面粗糙度和平面度两项。对不同垫片的要求不同，表34列出了使用不同垫片时法兰密封面的粗糙度要求。 法兰密封面形状公差(主要是平面度)要求：在25mm长度上对于软垫片为0.25mm；对于金属垫片为0.025mm,56,2、密封机理及影响因素,法兰垫片密封过程 密封系统流体泄漏方式： 一是垫片的毛细间隙渗漏； 二是垫片两侧介质通过密封件的扩散； 三是法兰密封面和垫片表面之间间隙的穿漏

24、。 对大部分工业领域仅考虑穿漏即可。 泄漏量(率)：与流体性质、接触面几何形状有关。 接触面几何形状：决定于法兰密封面和垫片密封面初始几何形状、外加载荷及加卸载过程、材料性能三类因素。 结论：密封性能及泄漏率决定于密封面初始儿何形状、流体性质、材料性能、加卸载过程四方面因素,57,2、密封机理及影响因素,密封性能泄漏率的影响因素 主要影响因素：流体性质、法兰垫片材料性能、法兰垫片接触面形状以及载荷情况四个方面。 1)密封流体性质 主要包括：工作压力P、温度T、大气压力P0、流体密度、流体粘度、饱和蒸汽压与温度关系(液相汽化)等。 2)法兰垫片材料性能 主要包括：两类材料的弹性极限、强度极限、表

25、面硬度及塑性。 两粗糙表面的变形主要决定于软材料性能，工程设计中一般确定法兰材料比垫片材料硬，故密封设计参数仅与垫片材料的性能有关,58,2、密封机理及影响因素,密封性能泄漏率的影响因素 3)法兰垫片接触面形状 主要包括：接触面直径、宽度、密封面型式、接触面粗糙度和形位及尺寸公差等。 工程设计中仅把直径和宽度作设计参数，而其他以约束条件限定。 4)载荷情况 主要包括：加载时垫片上压紧应力、工作时压紧应力、垫片螺栓上紧均匀性和分散性的影响、设计和实际螺栓力差距等。 通过实验研究和理论研究，可得出各因素之间的关系，从而用于密封设计,59,3、垫片密封设计方法和计算,两种设计方法： “规范”方法：“

26、具有环形垫片的螺栓法兰连接计算规则” 。 关键：一个紧密的螺栓法兰垫片接头必须在安装时将垫片预紧到一定的载荷；操作时，垫片上必须保持足够的最低载荷。 特点：操作和预紧载荷均基于“规范”推荐的m和y系数。 对每种类型和材料的垫片有一个或一组m和y系数，与密封介质性质、压力、温度等无关。 按照m和y代表的概念，“规范”只考虑接头或是“不漏”或是“漏”。即只考虑所设计的螺栓垫片法兰接头在结构上能否保证安全，能否保证接头达到紧密不漏。 实际上m、y是非规定性的，只是用来确定垫片安装和操作状态下需要的建议值,60,3、垫片密封设计方法和计算,两种设计方法： “规范”方法：“具有环形垫片的螺栓法兰连接计算

27、规则” 。 垫片在安装时螺栓预紧载荷,操作压力下保持紧密连接所需要的螺栓载荷,式中：y最小预紧垫片应力； m最低操作垫片应力是介质压力的m倍，以增加螺栓载荷，不致出现由于流体静压在容器端部引起的载荷将密封面分离而导致泄漏,61,3、垫片密封设计方法和计算,基于泄漏率的法兰垫片密封设计新方法 1974年，PVRC通过试验研究发现：影响垫片性能有许多复杂的因素，包括允许泄漏率、密封介质、内压、装配垫片应力、垫片尺寸和密封表面粗糙度等。 “规范”方法只要求简单地提供“改进”的m和y系数这一过于简化的想法是不现实的。 试验研究发现：垫片的密封性能和垫片应力之间的关系可以定量表示为某些与垫片有关的参数的

28、函数关系，这些参数在确定螺栓载荷中起着重要作用。 这些重要参数已可代替“规范”中的m和y系数,62,3、垫片密封设计方法和计算,基于泄漏率的法兰垫片密封设计新方法 按照设计压力下最大的允许泄漏率直接用在设计中。新的设计方法提供一种定量的紧密性程度（见下页）。 ASME的一个特别工作小组(SWG)与PVRC共同拟订了新的垫片常数，同时对传统的ASME附录2的螺栓法兰设计规则作相应的改变。新规则作为规范的一个新的螺栓法兰连接设计的非规定性附录。 此外，一个ASTM的课题组也正在以PVRC垫片密封性试验为基础，起草ASTM标准试验方法，将使得生产厂对其新的或改进的垫片提供新的垫片常数。这些工作对垫片

29、生产厂、螺栓法兰连接设计人员以及用户都十分重要,63,PVRC 紧密度水平 紧密度等级 质量泄漏率 应用场合 Tightness Level Mass leakage rate Applications （mg/s/mm .dia.） T1（经济） 2101 公用（水、空气）工程 T2（标准） 2103 一般要求 T3（紧密） 2105 易燃、中、高度毒性介质 T4（严密） 2107 极度毒性介质、高真空 T5（极密） 2109 核装置,64,3、垫片密封设计方法和计算,新方法与规范方法的比较 现代社会对环境问题的重视，要求垫片的密封性能，应逐渐达到从减少“泄漏”到消除“逸出”或者从“零泄漏”

30、提高到“零逸出”的密封技术水平，这不仅影响到炼油和化工厂，也涉及到设备制造厂和垫片生产厂，而且对设计压力容器或管道的螺栓连接提出了新的方法和更高的要求。 新设计方法允许在广泛的垫片种类、几个紧密度等级和一定的装配效率范围内给设计更大的灵活性。 仅就紧密度的回旋余地来看，设计可以针对接头的不同泄漏要求(紧密度等级)，在确定的垫片种类和密封压力下，给出多种垫片应力或螺栓载荷的选择,65,3、垫片密封设计方法和计算,新方法与规范方法的比较 计算结果表明，对传统的垫片而言，许多按现行ASME规范附录2设计的接头的紧密度等级位于T1和T2之间，而对比较新的很紧密的垫片，则主要落在T2和T3之间。 若要求

31、垫片更高的紧密度，载荷高于老方法有可能导致法兰增厚。但这并不意味着新方法比传统方法保守，法兰增厚正是由于设计要求高的紧密度所致，而在传统方法中紧密度不是它的设计要求。 对密封而言，新方法以紧密度作为法兰设计准则相比原来的强度准则更加合理和科学,66,4、高温法兰密封防漏设计,化工设备中，垫片常因高温而发生泄漏。 这种现象在设备开、停车或操作温度波动大时尤为严重。 例如，不少中、小型化肥厂变换工段的换热器，在正常操作时不漏，可是升温、降温过程中往往泄漏严重。 高温导致泄漏的主要原因： 法兰、螺栓、垫片的弹性模量降低，材料发生蠕变，非金属垫片发软或变硬，金属垫片塑性增加，回弹能力降低； 法兰挠曲和

32、螺栓伸长现象加剧以及由于两者温差而产生的附加应力等等。 高温法兰可采取下列几种方法来防止泄漏,67,4、高温法兰密封防漏设计,1)采用弹性螺栓 对高温法兰连接处的螺栓材质，人们较为重视，而螺栓的结构往往会被忽视。 在国外的高压或高温设备中，早已使用了弹性螺栓。原西德AD规范B7中对弹性螺栓使用场合及主要结构作了如下简要阐述：为使螺栓连接尽可能具有弹性，建议按DIN2510设计成弹性螺栓“当设计温度超过300，或许可工作压力大于4MPa时，应当采用弹性螺栓。 弹性芯杆长度不小于螺纹直径的两倍，只有螺栓芯杆直径ds0.9dk(dk为螺纹根径)或其尺寸符合DIN2510的螺栓才算弹性螺栓，有全长螺纹

33、的螺栓在计算时作刚性螺栓考虑,68,4、高温法兰密封防漏设计,1)采用弹性螺栓,69,4、高温法兰密封防漏设计,2)防止垫片挤出 在中、低压高温法兰中，如采用凹凸面法兰和纯铝平垫时，应将法兰设计成带两道止口的型式。对于非平盖法兰，可在铝垫片的内圈侧另加一厚度稍薄的钢垫圈(如图318)，以防止铝垫片被挤出并承受部分预紧力。当温度升高或因波动导致铝垫片放松时，钢圈释放出弹性能，这样减少了对铝圈密封比压的影响,70,4、高温法兰密封防漏设计,3)采用高回弹性垫片 在高温情况下，尽可能采用回弹性能好的垫片，如带内外环的柔性石墨缠绕垫。 国外有换热器专用密封垫，其外圈为缠绕垫(可带外环)，内圈是金属包垫

34、，根据管箱的需要还可以做成异形的。采用一般的垫片不满足换热器密封需要时，改用此种垫片后，结果令人满意。 原使用金属包垫的换热器都可改用，其规格与缠绕垫相同，常用的厚度为4.5mm，垫片最小宽度为25mm，密封面表面粗糙度同金属包垫,71,4、高温法兰密封防漏设计,4)焊接密封 焊接密封指在条件苛刻又不经常拆卸的法兰连接部位，不放置垫片，而采用焊接的方法保证其密封性能。 不属于垫片密封，但比一般高压密封垫片的连接结构可靠，对高温下操作或者温差变化大的换热器较为合适。制造简便，加工要求比采用垫片的要低，还能减小法兰厚度,72,三、高压与自紧密封设计,1、 高压密封特点 2、金属平垫密封 3、双锥环

35、密封 4、C形环密封 5、金属O形环密封设计 6、三角垫密封 7、其他高压密封,73,1、高压密封的特点,高压容器在炼油化工设备中占有十分重要的位置，能否正常运行很大程度上取决于密封结构的完善程度。 统计表明：出现泄漏的化工设备中，高压容器仅占极小的比例。只要在设计、制造、安装、管理上高度重视，高压设备的密封能够解决。 根据密封作用力不同，高压密封可分为三类： (1)强制密封：如平垫、卡扎里、透镜垫密封； (2)半自紧密封：双锥环密封、八角垫密封、椭圆垫密封； (3)自紧密封：C形环、O形环、三角垫、楔形垫、伍德密 封,74,1、高压密封的特点,强制密封：依靠拧紧主螺栓使顶盖、密封元件和筒体端

36、部之间具有一定的接触应力而达到密封。 内压上升后，螺栓伸长，顶盖上浮，接触应力减小；要求大的预紧螺栓力以保证在工作状态下，垫片与顶盖、筒体端部之间的密封性能可靠。 自紧式密封：依靠各自结构特点，垫片、顶盖和筒体端部之问的接触应力随工作压力升高而增大，高压下密封性能更好。 预紧时，为建立初始密封施加的螺栓力较强制密封所需的螺栓力小得多，故可不用大直径螺栓。 半自紧密封：利用螺栓预紧力使密封元件产生弹性变形并提供建立初始密封的预紧压力，当压力升高后，密封面的接触应力也随之上升。保证了密封性能,75,1、高压密封的特点,平垫和双锥环密封在国内炼油、化肥等行业使用最广。 平垫密封：(包括齿形垫，其密封

37、性能优于平垫)结构简单，使用经验成熟，属强制型密封。当设备封口直径大、压力高时，要求螺栓直径相应也大，头部结构显得笨重。 双锥环密封：性能较平垫有所改善，在压力、温度波动时，密封可靠。 缺点：仍需大螺栓，加工和装拆困难。使用受到限制。鉴于液压拉伸器的推广使用，尚具有一定生命力。 随着化工设备向单系列、大容量发展，强制式和半自紧式密封将逐渐被自紧式密封所代替,76,1、高压密封的特点,卡扎里、伍德、楔形密封：在过去一些引进化肥设备中使用较多，不采用大螺栓，密封可靠，可在经常拆卸和需要快开的场合使用。 但制造要求高，尤其是伍德密封，零件多、头盖笨重，占据高压空间大，自20世纪70年代以来，中小型化

38、肥厂新设计的高压容器已很少采用这类密封。 近年来，在新型高压密封结构的试验研究、设计、制造、安装等力面取得了一定的经验。诸如C形环、金属O形环、三角垫等密封结构逐浙取代老式的密封结构,77,1、高压密封的特点,设计、选用高压密封应遵循下列原则： (1)在正常操作或压力、温度有波动的情况下，能保证容 器的密封性能； (2)结构简单，便于安装检修，减轻装拆过程的劳动强度， 检修周期短； (3)加工制造方便，不要求过高的表面粗糙度和精度； (4)密封元件少，紧固件简单轻巧，结构紧凑，占用高压空 间少，减轻设备重量； (5)密封元件耐腐蚀，能多次重复使用。 下面介绍各种高压密封装置的结构、原理、计算等

39、，重点放在几种常用或有发展前途的装置上,78,2、金属平垫密封,密封结构 在螺栓预紧力作用下，塑性变形的垫片材料将接触面之间的不平处填满，达到密封。 特点：垫片与顶盖、筒身的间隙较小，垫片不会因压紧向两侧挤出而影响密封。 为了改善密封性能，可在密封面上开12条三角形截面的环形沟槽(即水线,79,卡扎里密封属强制密封，它改用螺纹套筒代替主螺栓，解决了主螺栓拧紧与拆卸的困难,2)卡扎里密封,图3-22 卡里密封结构,1平盖； 2螺纹套筒； 3筒体端部； 4预紧螺栓； 5压环 6密封垫,改进的卡扎里密封(图323)主要是为改善套筒螺纹锈蚀给拆卸带来困难的情况仍旧采用主螺栓，但预紧仍依靠预紧螺栓来完成

40、，而主螺栓不需拧得很紧，从而装拆较为省力,改进的卡扎里密封,图323 改进的卡扎里密封结构,1主螺栓； 2主螺母； 3垫圈 4平盖； 5预紧螺栓；6筒体端部法兰；7压环； 8密封垫,82,2、金属平垫密封,密封结构 适用范围：温度不高的中、小型高压容器。结构简单，垫片及密封面加工容易，在小直径、压力低于32MPa的设备上使用比较成熟。 应用：为数较多的中、小型化肥厂的氨分离器、油分离器、铜液塔、滤油器、氨冷器均采用铝质平垫。 金属平垫推荐使用范围见表39,表39 金属平垫使用范围,83,2、金属平垫密封,材料的选择 退火铝(硬度HBl530)； 退火紫铜(硬度HB3050)； 10号软钢。 主

41、螺栓、主螺母配对用材可按GB15098钢制压力容器第九章规定。 .密封载荷和螺栓计算及尺寸系列 属于强制密封，一样有两种设计计算方法：一是m、y系数法；二是基于泄漏率的紧密度法（参阅上节方法计算）。 平垫、顶盖、筒体端部的配合尺寸及系列见GB15098钢制压力容器附录G。 缺点：当直径大、温度高，特别是温度、压力波动大时，性能不佳，要求预紧力大，螺栓较粗、结构笨重，装卸不便，几乎每次拆卸后都要更换垫片，故不推荐使用,84,3、双锥环密封,属半自紧式密封，在合成氨的合成塔和石油加氢反应器中广泛采用。 有较高的耐温、耐压范围，在34.3MPa压力时，封口直径可达2000mm甚至更大，使用温度在40

42、0以下。 国外曾将该结构成功地用于2800mm的缠绕式高压容器以及压力为196MPa的高压聚乙烯反应器。 GB150推荐使用范围：设计压力6.435MPa，设计温度0400，内直径为400一2000mm,85,86,3、双锥环密封,工作原理 在两个锥面上一般都放有lmm厚的金属软垫片。双锥环与顶盖之间有一间隙，托环将双锥环托起。 预紧时，由主螺栓压紧顶盖，使双锥环受压产生径向弹性收缩并使环内侧面贴紧顶盖；金属软垫片产生塑性变形，建立初始密封。 当介质压力上升时，介质进入双锥环与顶盖的环形间隙，使双锥环产生径向扩张，加上双锥环本身的回弹，弥补了因顶盖、螺栓及筒体端部的上升、伸长和扩张、偏转所带来

43、的密封比压下降,87,3、双锥环密封,带软垫片的双锥环密封 为GB15098钢制压力容器标准中推荐结构，其附录G3对其结构、软垫片尺寸材料、设计计算均有详述。 主螺栓密封总载荷计算 设A为双锥环高度(mm)，B为双锥环厚度(mm)，C为环的外侧高度(mm)，环的内径为D1。 预紧状态的主螺栓总载荷按下式计算,式中,双锥环密封面锥角，(,88,3、双锥环密封,带软垫片的双锥环密封 主螺栓密封总栽荷计算 操作状态的主螺栓载荷,式中：F内压引起的总轴向力，N； Fp自作用的轴向分力，N； Fc双锥环回弹力的轴向分力，N； f双锥环的截面积，m2； b双锥环的有效高度，b=(A+C)2，m； e径向间

44、隙，m,89,3、双锥环密封,带软垫片的双锥环密封 结构与材料 密封面上通常开有23条半径1.5mm、深1mm左右的半圆形或三角形沟槽。双锥环锥角=30，锥面表面粗糙度为3.21.6m。 采用韧性好的材料，使其在压缩状态下有足够回弹能力。推荐使用下列材料：20、25、35、16Mn、20MnMo、20CrMo、15CrMo、1Crl8Ni9Ti等。 软垫片有金属、非金属两类，非金属用柔性石墨；金属用退火铝、退火紫铜、纯铁、奥氏体不锈钢,90,3、双锥环密封,带软垫片的双锥环密封 影响双锥环密封性能的因素 1)结构影响：结构自紧系数A(AC)对其密封性能影响十分明显，表示锥面上密封比压与介质压力

45、的比值。 普通双锥环密封中加了软金属垫片，故A(AC)值可小些，但不得低于2。试验发现：A(AC)=1.43，加压至14.7MPa便开始泄漏；将A(AC)增至2.35，升压至94.08MPa，密封性能仍保持良好。 锥面贴合程度对密封性能有一定影响。应按标准上环锥角和盖锥角公差加工，在压力上升后，顶盖与筒体产生微量偏转，更利于锥面的贴合，对密封有利,91,3、双锥环密封,带软垫片的双锥环密封 影响双锥环密封性能的因素 2)径向间隙e的影响：为充分发挥自紧作用，e应控制在双锥环内圆柱面直径的0.10.15范围内，过小自紧作用不够，过大可造成双锥环失稳。 3)主螺栓预紧力的影响：为使软金属垫片达到屈

46、服并填平密封面不平之处，需一定的螺栓预紧力。 试验证明：预紧比压超过49MPa并继续增加，对工作状态下双锥环的密封比压影响不大。 与强制型密封不同，双锥环密封一旦在操作中出现泄漏，拧紧螺栓或增加螺栓预紧力是没有用的。增加螺栓预紧力可提高升降过程中的临界泄漏压力，但不会降低操作时的泄漏率,92,3、双锥环密封,带软垫片的双锥环密封 影响双锥环密封性能的因素 4)多次升降压的影响：双锥环密封达到操作压力并处于保压状态时，一般泄漏量最小并随保压时间延长而泄漏量有所降低。 在升压期间，由于环与顶盖间密封面的滑移(常伴有“嘎、嘎”之声响)，所以泄漏量最大。每经过一次升降压，螺栓预紧力便要降低410。 为

47、防止升降压给密封性能带来不利影响，设计时可适当增大间隙e值或垫片的预紧比压值y,93,3、双锥环密封,带软垫片的双锥环密封 影响双锥环密封性能的因素 5)温度的影响：在强制型密封中，高温对其密封性能的影响不容忽视。但双锥环密封高温试验时(300气密试验，330高温水试验)，泄漏量竟比常温时还低。 原因分析： 由于升温，使得强制型密封的法兰、垫片、螺栓三者之间产生温差并引起应力松弛和各种变形，致使螺栓力下降，密封面比压低于所需值而产生泄漏。 而螺栓预紧力对工作状态下双锥环密封比压影响不大，尽管温度升至300，螺栓预紧力下降77一83，但密封比压只下降3一7，加之金属软垫片在高温下强度下降，更利于

48、填平密封面上的不平之处和缺陷,94,3、双锥环密封,无垫双锥环密封 带软金属垫片双锥环优点：结构不复杂，制造经验较为成熟，密封性能好。 带软金属垫片双锥环缺点： 制作1.2m以上大直径的软金属垫片受板材宽度的限制，需专门模具，所以，带软金属垫片的双锥环密封难以适应大型装置的需要； 由于环与软金属垫片不是一整体，安装困难； 当封口处温度达300以上，铝垫容易卡死或粘结在密封面上，不仅拆卸不方便，且需修复密封面。 带软垫的普通双锥环密封有时不能满足要求，于是出现无垫双锥环密封结构。 该结构在国外大型合成氨装置、丁辛醇装置中早有使用,95,3、双锥环密封,无垫双锥环密封 国内1975年开始进行研究。

49、该密封不足之处： 1)密封面加工精度高：表面粗糙度要求在0.8m以上，对大直径高压设备的加工很困难。即使能保证加工精度，安装时如有不慎，很容易损伤密封面。 2)密封面之间相互错动造成的径向擦伤是导致密封失效的主要因素：特别是双锥环与顶盖的接触面比压很高，在升、降压时，顶盖与环错动量较大，双锥环与顶盖之间既无软金属垫，又缺少润滑措施或喷、镀诸如银、聚四氟乙烯之类的软材料，势必引起密封面互相擦伤和粘结。 无垫双锥环密封较普通的双锥环密封有一定的优越性，但也存在问题，在实际使用中同样受到限制,96,3、双锥环密封,金属丝双锥环密封 是对普通双锥环和无垫双锥环密封结构的改进和发展，国外尚无先例，现已列

50、入GB15098钢制压力容器中。 优点 利用双锥环密封面上半圆形或三角形沟槽嵌入2-3根既软而延展性又好的金属丝(如铜、不锈钢、银等)，代替普通双锥环密封中的软垫片，既降低成本，又缩短制造周期；在安装检修中，也因金属丝和双锥环为一体减少困难；避免无垫双锥环因密封面错动而造成的擦伤，并可以降低密封面的加工精度要求。 螺栓预紧力计算 与普通双锥环在密封性能尤其是自紧性能方面十分相似。其密封面比压与密封压力、泄漏量的关系与带垫双锥环相差无几。螺栓载荷计算完全参照普通双锥环密封进行,97,3、双锥环密封,金属丝双锥环密封 金属丝的镶丝工艺 金属丝接头的焊接宜采用氩弧焊，焊后将接头处修磨打圆。密封面上的

51、沟槽若是半圆形的，则金属丝丝径为沟槽圆弧直径的0.9倍；若沟槽为三角形，则丝径面积为沟槽截面积的1.41.6倍。建议丝径控制在1.42.5mm之间。金属丝下料长度一般稍短于理论计算长度3.5mm，以使金属丝嵌于沟槽后处于受拉状态，不易脱落。 由镶两条铜丝的双锥环和带铝垫的双锥环的对比试验知，两者密封性能基本一致。镶丝环和无垫环的对比试验表明：在试验条件基本相同的情况下密封效果截然不同,表310 镶丝环与无垫环的试验结果对比,98,4、C形环密封,密封原理、结构特点及使用 依靠两个凸缘部分与上下法兰紧密接触而形成密封。 拧紧螺栓，密封环受压缩，两凸缘与上、下法兰接触处产生塑料变形，变线接触为窄环

52、带接触，建立初始密封。 内压上升后，上下法兰有互相脱离的趋势，C形环也轴向张开，补偿由上、下法兰互相脱离造成的密封比压下降。 环的补偿由两部分组成：一是由预紧时，C形环预压缩造成的回弹；二是由于介质压力使C形环产生的反向变形。 结构特点：预紧力较小并能严格控制。若采用卡箍连接可避免采用大螺栓和笨重的大法兰，结构紧凑，加工方便，安装拆卸容易，减轻劳动强度，缩短检修周期。其自紧作用明显，密封性能可靠。 推荐使用范围：温度低于200，压力小于35MPa，封口直径300一1000mm,99,100,5、金属O形环密封,优点：具有良好的密封性能，耐压、耐温、耐介质性及气密性好。 特别适用于高压、高真空、

53、高温介质的密封。 中科院早在1965年就对金属O形环的密封机理进行了较为系统的研究，为设计提供了理论依据。 1970年开始进行工业化应用试验，起初基本局限于国防工业和原子能工业。 国外在这方面发展迅速，封口直径最大已用至8500mm，最高使用压力700MPa以上。且认为：只要选材适当，可满足工作温度-261980的密封要求。 金属O形环密封是一种很有前途的密封结构,101,5、金属O形环密封,密封原理和结构 金属O形环密封结构简单，由上、下法兰、紧固件和0形环所组成。其结构有三种型式，见图325。其中图(a)为普通O形环，图(b)为充气O形环，图(c)为自紧O形环,102,5、金属O形环密封,

54、密封原理和结构 普通O形环能达到的密封压力和真空度较低，使用不多。 自紧式O形环因介质压力通过其内侧若干小孔进入环内，具有一定的自紧作用。高压、超高压设备采用此种结构。 充气环管内可填充易气化的固体材料如干冰、偶氮二异丁腈。使用时填充材料升华，气体膨胀产生压力。温度愈高，管内压力也愈高，可补偿金属材料强度降低所造成的密封比压下降。 充气环适合在高温介质中使用。 密封原理与C形环相同。D、厚t的金属环管受到初始压应力后被压扁，在与上、下法兰面的接触处产生塑性变形。此初始压应力和压扁程度就决定了O形环的密封性能,4)伍德密封,伍德密封是较早出现的一种自紧式密封结构，如图3-25所示,该密封结构的主

55、要优点是： 全自紧式，压力和温度的波动不会影响密封的可靠性； 介质产生的轴向力经顶盖传给压垫和四合环，最后均由简体承担，无须主螺桂拆卸方便： 由于顶盖密封面是圆弧面，组装时顶盖即使有些偏差，在升压过程中也可自行调整，不至于影响密封效果。 其缺点是结构笨重，零件多，加工要求高顶盖占据筒体 高压空间较多,图325 伍德密封结构,1顶盖； 2牵制螺栓； 3螺母； 4牵制环； 5四合环； 6拉紧螺栓； 7压垫； 8筒体端部,C”形环密封的优点是结构简单，无主螺栓，特别适合于快开连接，但由于使用大型设备的经验不多一般只用于内径1000mm以内，压力32MPa、温度350以下的场合,图3-26 “C形环

56、密封的局部结构,1平盖或封头； 2”C”形环 3筒体端部,5)“c”形环密封,C”形环密封为自紧式密封，其结构如图326所示,6)“O”形环密封,O”形环密封的结构简单，密封可靠,使用成熟。可用于从中低压到超高压容器的密封，压力最高可达280MPa，个别甚至达350一700MPa，温度可从常温到350，充气环甚至用到400一600。“O”形环常用奥氏体不锈钢钢管制成，为改善密封性能，常在“O”形环外表面镀银,图3-27 “O”形环密封的局部结构,1封头； 2”O”形环； 3筒体端部,7)三角垫密封,三角垫密封是径向内紧密封，其结构如图328所示,三角垫密封性能可靠，尺寸紧凑，开启方便，预紧力小

57、，可用于压力、温度有波动的场合。但是三角垫和上、下法兰沟槽加工精度和表面粗糙度要求极高，大直径的三角垫密封加工较为困难,图3-28 三角垫密封,8)其他形式的高压密封,该密封结构的密封面小，加工要求高。“B“形环属“自紧密封，要求狂密封槽内有一定的过盈量，故制造与装配要求均大大提高：半自紧式的八角环垫、椭圆环垫密封在石油和石油化上行业应用较为广泛,图3-29 其他几种密封形式,a）“B”形环； （b）八角环垫； （c）椭圆环垫,3134 超高压容器的密封结构 超高压容器的密封结构是超高压设备的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。多数超高压容器的操作条件都是很

58、复杂的，设计时必须考虑到以下因素： 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,超高压密封结构的设计选用依据： 在正常操作和压力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,1)“B”形环密封 “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。当内压作用后， “B”形环向外扩张，密封比压增 加(团335,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

59、时，也可选用35，45号钢,2) Bridgman密封 a结构与特点 Bridgman密封是在容器的内壁和垫环之间放一垫片，利用作用在屿肩头盖端面L的压力使头盖在轴向作一定范围的自由移动而压紧垫片，从面形成自紧密封(图336,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塑性变形而实现密封，所以内压越高密封超可靠。 Bridgman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简体内部，占据较多的高压空间,b材料的选择 为了保证容器的初始密封及在超高压力下密封可靠，选择有关零件的材质时应考虑如下几个因素,垫

60、片应该有足够大的塑性变形特性，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被挤入翅环与简体顶部的间隙中去。另外，还应考虑到垫片与简体材料间可能发生的“擦伤”或“咬此”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,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，以不致被压碎，们它的强度应低于压紧顶盖材料的强度,c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简体的密封面压坏。 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