内压自紧式平垫密封结构的设计

内压自紧式平垫密封结构的设计
内压自紧式平垫密封结构的设计
摘要本文叙述了内压自紧式平垫密封结构可以充分利用内压的作用载荷、而使主螺栓的数量可大大减少及直径亦可缩小；其密封结构紧凑与有效。

本文同时分析了不同材质平垫片的密封机理、功能特点及其各自优缺点。

关键词平垫密封
1 前言
内压自紧式平垫密封结构是众多密封结构中很具特点的密封结构之一。

它的主要特点是由几个（一般为2个或4个主螺栓）主螺栓解决密封垫片的初密封之后，随着内压的升高、垫片所受的载荷力也随着升高。

它不需要强制密封或半强制密封（例如：平垫密封、双锥密封等结构）在计算螺栓载荷力时，需考虑二种载荷。

首先计算抵抗设计压力作用下、所需螺栓载荷：
F=0.785D G2P C，（N）
其次还应加上在操作工况下、密封面还剩有保证密封所需要的最小密封比压的计算螺栓载荷：
F P=6.28D
G bmP C，（N）
在高压容器中，予紧状态下需要的最小螺栓载荷：
W a=F a=3.14D G by，（N）
远比在操作工况下需要的载荷：
W P=F+F P=0.785D G2P C+6.28D G bmP C，（N）要小得多。

因此，按DN400mm的人孔考虑，仅用4个M42×4的主螺栓就可以了。

与强制密封相比主螺栓直径小且数量少。

内压自紧式平垫密封结构在不少高压容器的人孔上得到较高频度的采用。

例如：高压汽包、高压蓄势器、高压给水加热器等设备上的人孔，大多采用此种密封结构。

2 内压自紧式平垫密封结构的设计
目前设计中采用的平垫片材质有二种: (1)纯铝（L2）实心平垫片；
（2）不锈钢加柔性石墨的缠绕式金属平垫片。

现按此二种密封材质在密封设计中的有关考虑叙述如下——
2.1 纯铝（L2）实心平垫片：
在本密封结构中、虽然初密封的予紧载荷不大，但内压作用下的轴向压紧力很大。

例如，设计压力为21MPa的高压蓄势器人孔之轴向压紧载荷约为290t左右，若设计压力为33Mpa 的高压蓄势器人孔之轴向压紧载荷则高达460t左右。

因此，采用非金属材质的垫片是不合适的；巨大的载荷将会把它压垮。

在采用纯铝作为垫片时、其密封宽度不能太窄；较窄的垫片，虽然密封比压力很高，但作用在垫片上的压应力过大会造成铝垫塑性变形且使垫片冷作硬化，在压力波动时、垫片的回弹补偿力严重降低而造成密封面的泄漏。

因此，应保持垫片有适当的宽度是必要的。

现假设垫片接触面的有效宽度为17mm，其DN400mm人孔垫片的面积为F=22111mm2、设计压力P C=21MPa时，铝垫的轴向压应力σ=Q/F=130MPa；远大于有关资料推荐的密封比压q=500kgf/cm2、折合为q=50MPa，实际密封比压力为推荐值的2.6倍。

因而在水压试验时曾发现铝垫有较大的塑性变形、甚至铝垫边缘从缝隙处被挤压出来，因此应保持垫片有适当的宽度显得较为重要。

2.2 不锈钢缠绕垫
不锈钢缠绕垫的比压力Y比铝垫稍大些。

前者Y=69MPa，后者为Y=60.7MPa。

因此不锈钢缠绕垫的予紧载荷要比铝垫大些。

但铝垫的垫片系数m=4，要比不锈钢缠绕垫m=3要高。

这说明在同一工作内压下，缠绕垫所要求密封面间的剩余比压力更低些，仅为铝垫的75％即可。

因而缠绕垫的密封性能较铝垫好。

缠绕垫可设计有内、外环卡住，它的总变形量不会超过总高度减去环的厚度。

缠绕垫总高为4.5mm，内、外环高度为3mm；在很大的轴向压力作用下，它的最大变形量亦为1.5mm；此时侧V形的缠绕垫压扁至与内、外环平齐，力量再大也压不下去了。

这就保证了在压力波动时，能保证缠绕垫的回弹力；并始终保持在弹性范围内。

鉴于上述两种材料在内压自紧密封中的表现特性分析；采用不锈
钢缠绕垫，在高压容器工况下、特别在水压试验时，显示出较优良的密封性能及在压力波动时能保持密封面间的回弹力；并能弥补平铝垫的显著不足。

因而，有条件时、应将高压容器人孔原采用的铝垫结构改为不锈钢缠绕垫的密封结构。

不锈钢缠绕垫与密封槽的间隙可按HG20610-97的规定。

3内压自紧式平垫密封载荷力
的转换
内压自紧式平垫密封的主要特点是利用内压的作用载荷、使密封面间保持较高的密封比压力，且随着内压升高的同时，其密封比压力也愈大。

主螺栓的予紧载荷仅需维持在压力从零往上升时，在低压工况下、维持密封面的初密封不至泄漏。

若不能保证初密封，则由于泄漏而压力升不上去。

当内压载荷超过初密封的予紧力时，螺栓此时的予紧力就不起作用了。

主螺母与接触面之间已处于脱离状态，此时用手就可以转动螺母。

内压升至多高时螺母就处于脱离状态是可以计算的。

在载荷转移过程可计算出它的临界压力，该临界压力即是载荷已用螺纹付的轴向力完全转移给由内压承担。

其计算过程如下：予紧时螺栓的最小载荷由下式计算：
Wa=Fa=3.14D G by （N）
N：当内压作用于人孔盖下平面上的载荷等于主螺栓初密封予紧力时的计算公式
P=4Fa/πDo2 MPa（N）
式中：
Do——人孔盖外径（mm）
Fa——初密封的予紧载荷（N）
Y——密封垫的比压力（MPa）
b——垫片有效密封宽度(mm)
D G——垫片压紧力作用中心圆直径(mm)
仍以DN400mm的人孔为例，计算出载荷转换的临界压力为P=3.8MPa左右。

由于Wa 是初密封所需的最小载荷，实际高压容器
载荷转换的临界压力会高于计算的临界压力。

若按初密封所需的载荷为内压升至4MPa左右时达到临界压力，则压力升至20MPa时（设计压力为21MPa）、可认为内压作用形成的轴向载荷是螺栓予紧载荷的五倍。

当容器卸压时，从工作压力20MPa降至4MPa左右，又一次遇到临界压力；此时的螺母已与紧定面重新接触并间隙为零。

当压力继续往下降时、此时的载荷又重新转移至主螺栓上，直至内压为零时、主螺栓重新承担起予紧时的轴向载荷。

4小结
4.1鉴于以上分析、当内压升至工作压力时，螺母不应将它拧至与紧定面贴上；这样的处理可能会导致设备在卸压后，螺纹付承受了比予紧时增大了五倍的载荷、而使拆卸螺母很困难或损坏，甚至造成主螺栓被拉断。

由于主螺栓设计时取n S=3，主螺栓的屈强比对于低合金高强钢螺栓材料、一般为≥0.75；这样可以计算出主螺栓的安全系数为n b≤4，现载荷增大了五倍；从理论上说，主螺栓很可能被拉断。

因此，当压力升至工作压力时，不应再将松脱的主螺母将它拧至接触面贴合上。

4.2采用有内、外卡环的不锈钢缠绕垫，在较大的密封比压时仍可保持良好的回弹力；不会出现铝垫在很大的轴向载荷下产生较严重的塑性变形。

因此，应优先采用不锈钢缠绕垫；在采用铝垫时，应考虑适当的。