高壓設(shè)備密封培訓(xùn)講義

1、第 四 章 高 壓 設(shè) 備 密 封Seals of Equipment under High Pressure第一頁(yè)，共五十六頁(yè)。本章知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)第二頁(yè)，共五十六頁(yè)。采用金屬墊片：常用的金屬墊片材料為退火鋁、退火紫銅、軟鋼及不銹鋼。采用窄面密封盡可能采用自緊密封 4.1.1 高壓設(shè)備密封特點(diǎn) 第三頁(yè)，共五十六頁(yè)。 4.1.2 高壓密封分類及型式 按密封墊片受力情況，可分為： 強(qiáng)制式密封：如平墊密封、卡扎里密封、透鏡墊密封。 自緊式密封：如“C”形、“O”形環(huán)密封、三角墊密封、楔形墊密封、伍德密封。 半自緊式密封：如雙錐環(huán)密封、八角墊。第四頁(yè)，共五十六頁(yè)。1）平墊密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，在直徑小，

2、壓力不高的場(chǎng)合密封可靠。適用于溫度T 200，壓力32MPa，Di 800mm。 4.1.2.2 高壓密封型式第五頁(yè)，共五十六頁(yè)。第六頁(yè)，共五十六頁(yè)。2）卡扎里密封套筒具有上下兩段鋸齒形螺紋，下段與筒體聯(lián)接部分為連續(xù)螺紋，上段開有6個(gè)間隔為30槽的間斷螺紋 。適用于大直徑和壓力較大的場(chǎng)合。最大優(yōu)點(diǎn)：拆裝方便。密封力：螺栓介質(zhì)壓力：筒體螺紋第七頁(yè)，共五十六頁(yè)。第八頁(yè)，共五十六頁(yè)。第九頁(yè)，共五十六頁(yè)。第十頁(yè)，共五十六頁(yè)。1主螺母；2墊圈；3主螺栓；4平蓋；5雙錐環(huán)；6軟金屬墊片；7筒體端部；8螺栓；9托環(huán)3)雙錐環(huán)密封第十一頁(yè)，共五十六頁(yè)。雙錐環(huán)密封的特點(diǎn)及應(yīng)用： 1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便； 2）

3、徑向自緊作用； 3）適用于壓力6.4-35MPa；溫度0-400 ；內(nèi)徑400-2000mm。第十二頁(yè)，共五十六頁(yè)。4）伍德密封 自緊密封;預(yù)緊靠牽制螺栓實(shí)現(xiàn)。 優(yōu)點(diǎn)： 1. 全自緊式； 2. 介質(zhì)壓力全部由筒體承擔(dān)； 3. 頂蓋圓弧面，組裝時(shí)偏斜可自行調(diào)整。第十三頁(yè)，共五十六頁(yè)。5）C形環(huán)密封 第十四頁(yè)，共五十六頁(yè)。“C形環(huán)密封為自緊式密封。環(huán)的上下面均有一圈突出的圓弧,是線接觸密封部分。操作時(shí)頂蓋上浮，一方面密封環(huán)回彈張開，另一方面由內(nèi)壓作用在環(huán)的內(nèi)腔而使環(huán)進(jìn)一步張開，使線接觸處仍舊壓緊，且壓力越高壓得越緊。第十五頁(yè)，共五十六頁(yè)。6) 空心金屬O形環(huán)密封第十六頁(yè)，共五十六頁(yè)。7) 三角墊密

4、封第十七頁(yè)，共五十六頁(yè)。 4.2 典型高壓容器密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 主要介紹高壓平墊密封、雙錐環(huán)密封、伍德密封這三種典型高壓容器密封結(jié)構(gòu)在預(yù)緊和操作狀態(tài)所需要的密封比壓以及相應(yīng)的主螺栓設(shè)計(jì)載荷。 第十八頁(yè)，共五十六頁(yè)。a.預(yù)緊狀態(tài) 平墊密封屬?gòu)?qiáng)制密封，為使升壓時(shí)保證密封，要求在升壓前墊片上有足夠的密封比壓。為達(dá)到此比壓，主螺栓的預(yù)緊載荷應(yīng)為 （3-20） 式中 DG密封面平均直徑； b墊片有效密封寬度； y墊片的預(yù)緊密封比壓。 1）高壓平墊密封第十九頁(yè)，共五十六頁(yè)。b.操作狀態(tài) 主螺栓所受載荷為內(nèi)壓所引起的軸向載荷和墊片上所需要的軸向載荷之和，即 （3-21） 式中 m墊片材料的工作密封比壓。以

5、W1，W2，兩者中之較大值作為主螺栓的設(shè)計(jì)載荷。第二十頁(yè)，共五十六頁(yè)。(2)雙錐環(huán)密封 雙錐環(huán)密封與平墊密封的原理不同，它涉及斜面上的力分析、相對(duì)滑動(dòng)時(shí)密封面上的摩擦力分析、自緊作用力分析。a.預(yù)緊狀態(tài) 雙錐環(huán)幾何形狀尺寸及預(yù)緊和操作時(shí)受力分析如圖3-30（a），（b）所示。 圖3-30 雙錐環(huán)幾何與受力分析第二十一頁(yè)，共五十六頁(yè)。 為保證密封，預(yù)緊時(shí)在錐面上必須施加的壓緊力為 （3-22） 式中， 容器封頭有向下移動(dòng)的趨勢(shì)，雙錐環(huán)有上升的趨勢(shì)，故在雙錐面上存在向下的摩搽力F， F與W0的合力G0為 （3-23）第二十二頁(yè)，共五十六頁(yè)。 式中 雙錐環(huán)和封頭之間的摩擦角。 作用在錐面上的合力G0

6、的軸向分力即為主螺栓在預(yù)緊時(shí)所受的載荷W1 （3-24） 式（3-24）的預(yù)緊載荷是在保證錐面上的預(yù)緊密封比壓為q0的條件下得出的。為了獲得最大的回彈力，在預(yù)緊時(shí)一般將雙錐環(huán)壓縮至徑向間隙2e被完全消除。在2e的徑向變形下，雙錐環(huán)的周向應(yīng)變?yōu)榈诙?yè)，共五十六頁(yè)。 （3-25） 相應(yīng)的周向應(yīng)力為 （3-26） 式中 ER雙錐環(huán)材料的彈性模量 取在作用下雙錐環(huán)單位周向長(zhǎng)度的回彈力為 ,取半個(gè)圓環(huán)的靜力平衡（圖3-31） 第二十四頁(yè)，共五十六頁(yè)。 圖3-31 雙錐環(huán)的靜力平衡可以求得回彈力VR和周向應(yīng)力的關(guān)系為 (3-27）式中 FR雙錐環(huán)截面積， 第二十五頁(yè)，共五十六頁(yè)。 由上式可得 （3-2

7、8） 式（3-28）表示雙錐環(huán)產(chǎn)生2e的徑向變形時(shí)所引起的回彈力，此回彈力作用在上下兩個(gè)錐面上，每個(gè)錐面所承擔(dān)的回彈力為 1/2VR ，此時(shí)相應(yīng)地需要螺栓施力的軸向載荷為 (3-29) 一般情況下， ，故預(yù)緊時(shí)的螺拴載荷只要按式（3-24）計(jì)算，就既可滿足預(yù)緊墊片的要求，又可滿足壓縮雙錐環(huán)產(chǎn)生徑向彈性變形的要求。 第二十六頁(yè)，共五十六頁(yè)。b.操作狀態(tài) 操作時(shí)螺栓將受三部分的力，即:介質(zhì)壓力作用在封頭上所引起的軸向載荷Q1；介質(zhì)壓力作用在雙錐環(huán)內(nèi)側(cè)面而產(chǎn)生的軸向載荷Q2；雙錐環(huán)預(yù)緊受壓縮而產(chǎn)生的回彈力，再傳遞到螺栓上的軸向載荷Q3 。此時(shí)，螺栓的操作載荷為 （3-30）介質(zhì)壓力作用在封頭上所引起

8、的軸向載荷Q1 （3-31）內(nèi)壓對(duì)雙錐環(huán)的徑向自緊力所產(chǎn)生的軸向力Q2 。介質(zhì)壓力作用在雙錐環(huán)內(nèi)表面的載荷為第二十七頁(yè)，共五十六頁(yè)。 式中 b雙錐環(huán)的有效高度， 雙錐環(huán)每一錐面受到的徑向推力為1/2Vp ，錐面上相應(yīng)有一法向力G。介質(zhì)升壓后，封頭有向上抬起的趨勢(shì)，因而雙錐環(huán)相對(duì)封頭有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，故作用在錐面上的摩擦力F向上，如圖33-30（c）所示。G與F的合力再分解，其垂直分力即為Q2 （3-32）第二十八頁(yè)，共五十六頁(yè)。徑向回彈自緊力引起的軸向力。由于在操作時(shí)雙錐環(huán)內(nèi)圓柱表面和封頭之間的間隙可以在0e范圍內(nèi)變化，當(dāng)密封元件的軸向位移和徑向變形很大時(shí)甚至可能大于e值，所以回彈力可以存在，

9、也可以不存在，甚至可能為負(fù)值。為主螺栓設(shè)計(jì)的安全起見，認(rèn)為在操作狀態(tài)下雙錐環(huán)內(nèi)側(cè)柱表面仍然和封頭接觸，即間隙為零，此時(shí)回彈力為最大，這祥考慮對(duì)主螺栓設(shè)計(jì)當(dāng)然是偏于安全的。 此時(shí)作用在一個(gè)錐面上的回彈力為 ，將回彈狀態(tài)下壓緊面上的法向力與摩擦力合成，然后再分解到軸向，則回彈產(chǎn)生的軸向力為 第二十九頁(yè)，共五十六頁(yè)。 （3-33） 綜合上述三項(xiàng)，在操作時(shí)主螺栓的總載荷為 （3-34） 取預(yù)緊載荷W1及操作載荷W2中較大者為螺栓、頂蓋及法蘭的設(shè)計(jì)載荷W。 操作時(shí)的密封比壓：操作時(shí)雙錐面上的密封比壓是由V/2=VP/2+VR/2即內(nèi)壓作用于雙錐環(huán)內(nèi)圓柱表面的向外擴(kuò)張力和環(huán)的回彈力所引起的。第三十頁(yè)，共五

10、十六頁(yè)。 由圖3-3（c）可見，操作時(shí)的密封力為 （3-35） 操作時(shí)的密封比壓為 （3-36） 將 代入上式得到 （3-38） 為保證密封，要求qsq，故可按式（3-36）設(shè)計(jì)密封環(huán)的尺寸。 第三十一頁(yè)，共五十六頁(yè)。(3)伍德密封a.預(yù)緊狀態(tài) 結(jié)構(gòu)如圖，楔形壓墊和頂蓋球面的接觸為線接觸，因而預(yù)緊時(shí)的密封比壓為線密封比壓y。為保證密封，要求在DC接觸點(diǎn)上的線密封比壓達(dá)到y(tǒng)值。 故此時(shí)在接觸圓上的 正壓力為 （3-38）圖3-32 楔形壓墊的受力分析 第三十二頁(yè)，共五十六頁(yè)。 由于在擰緊牽制螺栓時(shí)頂蓋向上升起。故楔形壓墊相對(duì)頂蓋略有下移的趨勢(shì)，因而在楔形壓墊上產(chǎn)生向上的摩擦力F，正壓力N和摩擦力

11、F的合力為壓緊力P （3-39） 壓緊力P在垂直方向的分力即為牽制螺栓的載荷W1 (3-40)b.操作狀態(tài) 內(nèi)壓升起后，頂蓋向上浮動(dòng)，由于頂蓋向上浮動(dòng)，牽制螺栓的拉力隨之減小直至消失。 第三十三頁(yè)，共五十六頁(yè)。 內(nèi)壓作用在頂蓋上的軸向力為 （3-41） 載荷W1+W2用于計(jì)算筒體端部法蘭，四合環(huán)、頂蓋之強(qiáng)度。 在W2作用下，楔形壓墊密封接觸面上的壓緊力為 （3-42） 故作用在壓墊密封接觸面上的正壓力為 （3-43）第三十四頁(yè)，共五十六頁(yè)。 在楔形壓墊密封接觸面單位長(zhǎng)度上的比壓力為 （3-44） 因此，在操作狀態(tài)下楔形壓墊上的線接觸比壓隨操作壓力的上升而上升，即顯示出自緊式密封的優(yōu)越性；操作壓

12、力越高，則密封越可靠。第三十五頁(yè)，共五十六頁(yè)。4.4 超高壓容器密封 B形環(huán)密封； Bridgman密封； 楔形環(huán)密封第三十六頁(yè)，共五十六頁(yè)。4.5 超高壓容器密封考慮因素：a. 操作壓力、溫度的波動(dòng)環(huán)境b. 容器的幾何尺寸及操作空間的限制結(jié)構(gòu)c. 介質(zhì)對(duì)材質(zhì)的要求材料超高壓密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用依據(jù)以下幾個(gè)方面：a. 在正常操作和壓力溫度波動(dòng)的情況下都能保證良好的密封b. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造以及裝拆檢修方便c. 結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，元件少、占有高壓空間少。d. 能重復(fù)使用第三十七頁(yè)，共五十六頁(yè)。1) B形環(huán)密封特點(diǎn)：自緊徑向密封，剛度要求低； 壓力越高、直徑越大密封越好； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便； 加工

13、精度要求高； 易損傷，重復(fù)性差第三十八頁(yè)，共五十六頁(yè)。2) Bridgman密封：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便、制造成本低。缺點(diǎn)：主要元件都裝在容器內(nèi)部，占用較多的空間，由于大直徑螺紋加工困難，主要用于小直徑場(chǎng)合。范圍：壓力低于700MPa; 直徑小于300mm.第三十九頁(yè)，共五十六頁(yè)。3）楔形密封屬于自緊密封。螺栓預(yù)緊力較小。因采用軟金屬密封墊，易被按壓在頂蓋和壓環(huán)的間隙中拆卸困難。第四十頁(yè)，共五十六頁(yè)。第四十一頁(yè)，共五十六頁(yè)。楔形密封圈第四十二頁(yè)，共五十六頁(yè)。4） 組合密封結(jié)構(gòu)第四十三頁(yè)，共五十六頁(yè)。4） 組合密封結(jié)構(gòu)第四十四頁(yè)，共五十六頁(yè)。4） 組合密封結(jié)構(gòu)第四十五頁(yè)，共五十六頁(yè)。4） 組合

14、密封結(jié)構(gòu)第四十六頁(yè)，共五十六頁(yè)。4） 組合密封結(jié)構(gòu)第四十七頁(yè)，共五十六頁(yè)。4）組合密封結(jié)構(gòu)第四十八頁(yè)，共五十六頁(yè)。4.5 高壓管道密封 透鏡墊密封； 八角墊、橢圓墊密封； 齒形墊第四十九頁(yè)，共五十六頁(yè)。4.4 高壓管道的密封結(jié)構(gòu)與選用特點(diǎn)：高壓管道的密封通常采用強(qiáng)制密封，由于高壓管在現(xiàn)場(chǎng)安裝，所以對(duì)連接的尺寸精度要求不如容器高，加之管道振動(dòng)、有熱載荷等給法蘭連接帶來很大的附加彎矩或剪力，造成密封困難。第五十頁(yè)，共五十六頁(yè)。1） 透鏡墊密封 密封性能好，但由于屬于強(qiáng)制密封，結(jié)構(gòu)較大，密封面為球面與錐面相接觸，易出現(xiàn)壓痕，零件的互換性能差。第五十一頁(yè)，共五十六頁(yè)。1) 透鏡墊密封第五十二頁(yè)，共五十六頁(yè)。2）八角墊和橢圓環(huán)密封 八角墊和橢圓墊密封屬于徑向自緊密封。墊圈的平均直徑比墊槽平均直徑略大，靠墊圈與墊槽的內(nèi)外斜面（主要是外斜面）接觸，并壓緊而形成密封。八角墊密封廣泛使用在高壓管線上。第五十三頁(yè)，共五十六頁(yè)。2）八角墊和橢圓環(huán)密封第五十四頁(yè)，共五十六頁(yè)。作業(yè)題高壓容器密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是什么,有哪些典型結(jié)構(gòu)？ 雙錐環(huán)密封的密封原理是什么? 與平墊密封相比，雙錐環(huán)的受力有何不同？ 雙錐環(huán)的操作比壓如何計(jì)算？第五十五頁(yè)，共五十六頁(yè)。內(nèi)容總結(jié)第 四 章 高 壓 設(shè) 備 密 封Seals o