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高性能流体静密封源自--BMC宝骅  

核电反应堆压力容器C型密封环 BMCRIN

该密封环是一种弹性机构,结构复杂,是一种独特的用弹簧增强的密封产品,设计非常灵活,具有优异的回弹性和密封能力,主要用于高温、高压、高真空、超低温、长寿命、极低泄漏率及较大压力和温度循环要求的特殊工况下,如压力容器、热交换器、燃气轮机、超真空设备、半导体设备及特殊阀门等的槽面法兰或者平面法兰中。        >>>了解更多

核电反应堆压力容器C型密封环
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流体静密封技术

垫片密封设计方法和计算

两种设计方法:
①“规范”方法:“具有环形垫片的螺栓法兰连接计算规则” 。
垫片在安装时螺栓预紧载荷:
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:
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。

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。


②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。
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。
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。这些工作对垫片生产厂、螺栓法兰连接设计人员以及用户都十分重要。

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
(mg/s/mm .dia.)
Applications 
T1(经济)
≤2×10-1
公用(水、空气)工程
T2(标准)
≤2×10-3 
 一般要求
T3(紧密)
≤2×10-5 
易燃、中、高度毒性介质
T4(严密)
≤2×10-7
极度毒性介质、高真空
T5(极密)
≤2×10-9
核装置 

 

垫片密封设计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”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。
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。

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。
(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ds≤0.9dk(dk为螺纹根径)或其尺寸符合DIN2510的螺栓才算弹性螺栓,有全长螺纹的螺栓在计算时作刚性螺栓考虑。
弹性螺栓

(2)防止垫片挤出
垫片结构
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3—18),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。

(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,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。

(4)焊接密封
焊接密封结构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。

高压与自紧密封设计

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;
依靠拧紧主螺栓使顶盖、密封元件和筒体端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。

(2)半自紧密封:双锥环密封、八角垫密封、椭圆垫密封;
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。

(3)自紧密封:C形环、O形环、三角垫、楔形垫、伍德密封。
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。

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。
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。

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,重点放在几种常用或有发展前途的装置上。

金属平垫密封

⑴.金属平垫密封结构
金属平垫密封结构 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1~2条三角形截面的环形沟槽(即水线)。
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
金属平垫推荐使用范围

⑵.材料的选择
①退火铝(硬度HBl5—30);
②退火紫铜(硬度}HB30~50);
③10号软钢。
主螺栓、主螺母配对用材可按GB150—98《钢制压力容器》第九章规定。

⑶.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GB150—98《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。

双锥环密封

双锥环密封结构 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Φ2000mm甚至更大,使用温度在400℃以下。
国外曾将该结构成功地用于Φ2800mm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6.4~35MPa,设计温度0~400℃,内直径为Φ400一Φ2000mm。

⑴.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、偏转所带来的密封比压下降。

⑵.带软垫片的双锥环密封
为GB150—98《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。
①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:
螺栓总载荷公式
螺栓总载荷公式
公式中,α——双锥环密封面锥角,(°)。

操作状态的主螺栓载荷:
螺栓总载荷公式
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——径向间隙,m。

②结构与材料
密封面上通常开有2~3条半径1.5mm、深1mm左右的半圆形或三角形沟槽。双锥环锥角α=30°,锥面表面粗糙度为3.2~1.6μm。
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。

②结构与材料
密封面上通常开有2~3条半径1.5mm、深1mm左右的半圆形或三角形沟槽。双锥环锥角α=30°,锥面表面粗糙度为3.2~1.6μm。
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。

③影响双锥环密封性能的因素
1)结构影响:结构自紧系数A/(A—C)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的比值。
普通双锥环密封中加了软金属垫片,故A/(A—C)值可小些,但不得低于2。试验发现:A/(A—C)=1.43,加压至14.7MPa便开始泄漏;将A/(A—C)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。
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0.1%~0.15%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。
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4%~10%。为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。
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,更利于填平密封面上的不平之处和缺陷。

⑶.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:
①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;
②由于环与软金属垫片不是一整体,安装困难;
③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。
国内1975年开始进行研究。该密封不足之处:
1)密封面加工精度高:表面粗糙度要求在0.8μm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。

⑷.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,现已列入GB150—98《钢制压力容器》中。
① 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。
② 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。
③ 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1.4~1.6倍。建议丝径控制在Φ1.4~Φ2.5mm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。
镶丝环与无垫环的试验结果对比
镶丝环与无垫环的试验结果对比

C形环密封

密封原理、结构特点及使用
C形环密封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Φ300一Φ1000mm。

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、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Φ8500mm,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-261—980℃的密封要求。
金属O形环密封是一种很有前途的密封结构。

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3—25。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。
金属O形环结构

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。ΦD、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。

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