高压设备密封

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1)平垫密封
结构简单,加工 方便,在直径小, 压力不高的场合密 封可靠。适用于温 度T < 200℃,压 力<32MPa,Di < 800mm。
2)卡扎里密封
套筒具有上下两段 锯齿形螺纹,下段 与筒体联接部分为 连续螺纹,上段开 有6个间隔为30°槽 的间断螺纹 。
密封力:螺栓 介质压力:筒体螺纹
第四章
高压设备密封
Seals of Equipment under High Pressure
本章知识点结构
第四章
第一节 高压设备特点 高压设备密封分类及形式 掌握
第二节
典型密封结构设计计算
重点
第三节
高压管道密封 超高压容器密封 了解
§4.1.1 高压设备密封特点
① 采用金属垫片:常用的金属垫片材 料为退火铝、退火紫铜、软钢及不 锈钢。
3. 双锥环的操作比压如何计算?
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相应的周向应力为
(3-25)
(3-26)
式中 ER—双锥环材料的弹性模量
取在作用下双锥环单位周向长度的回弹力为 VR
,取半个圆环的静力平衡(图3-31)
DG
图3-31 双锥环的静力平衡
可以求得回弹力VR和周向应力的关系为
(3-27)
式中 FR—双锥环截面积,
由上式可得
(3-28)
式(3-28)表示双锥环产生2e的径向变形时所 引起的回弹力,此回弹力作用在上下两个锥面 上时,相每应个地锥需面要所螺承 栓担 施的 力回 的弹 轴力 向为 载荷1/为2VR ,此
内压作用在顶盖上的轴向力为 (3-41)
载荷W1+W2用于计算筒体端部法兰,四合环、顶 盖之强度。
在W2作用下,楔形压垫密封接触面上的压紧力为
(3-42) 故作用在压垫密封接触面上的正压力为
N2
P2
cos
W2
sin
cos
(3-43)
在楔形压垫密封接触面单位长度上的比压力为
(3-44)
因此,在操作状态下楔形压垫上的线接触比压随 操作压力的上升而上升,即显示出自紧式密封的 优越性;操作压力越高,则密封越可靠。
DGb'q0 cos
(3-23)
式中 ρ—双锥环和封头之间的摩擦角。 作用在锥面上的合力G0的轴向分力即为主螺 栓在预紧时所受的载荷W1
(3-24)
式(3-24)的预紧载荷是在保证锥面上的预紧密封 比压为q0的条件下得出的。为了获得最大的回弹力 ,在预紧时一般将双锥环压缩至径向间隙2e被完全 消除。在2e的径向变形下,双锥环的周向应变为
①介质压力作用在封头上所引起的轴向载荷Q1 (3-31)
②内压对双锥环的径向自紧力所产生的轴向力Q2
。介质压力作用在双锥环内表面的载荷为
VP DGbp
式中 b—双锥环的有效高度,
双锥环每一锥面受到的径向推力为1/2Vp ,锥面上 相应有一法向力G。介质升压后,封头有向上抬起
的趋势,因而双锥环相对封头有向下运动的趋势, 故作用在锥面上的摩擦力F向上,如图33-30(c)所 示。G与F的合力再分解,其垂直分力即为Q2
4.4 超高压容器密封
◆ B形环密封; ◆ Bridgman密封; ◆ 楔形环密封
4.5 超高压容器密封
考虑因素: a. 操作压力、温度的波动—环境 b. 容器的几何尺寸及操作空间的限制—结构 c. 介质对材质的要求—材料
超高压密封结构的设计选用依据以下几个方面: a. 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 b. 结构简单,加工制造以及装拆检修方便 c. 结构紧凑、轻巧,元件少、占有高压空间少。 d. 能重复使用
适用于大直径和压力较大的场合。 最大优点:拆装方便。
3)双锥环密封
1—主螺母;2—垫圈;3—主螺栓;4—平盖;5—双锥环; 6—软金属垫片;7—筒体端部;8—螺栓;9—托环
双锥环密封的特点及应用: 1) 结构简单,装拆方便; 2)径向自紧作用; 3)适用于压力6.4-35MPa;温度0-400 ℃; 内径400-2000mm。
1) B形环密封
特点: 自紧径向密封,刚度要求低; 压力越高、直径越大密封越好; 结构简单,装拆方便; 加工精度要求高; 易损伤,重复性差
2) Bridgman密封:
优点:结构简单,加工方便、制造 成本低。 缺点:主要元件都装在容器内部, 占用较多的空间,由于大直径螺纹 加工困难,主要用于小直径场合。
4)伍德密封
自紧密封;预紧靠牵 制螺栓实现。
优点: 1. 全自紧式; 2. 介质压力全部由筒 体承担; 3. 顶盖圆弧面,组装 时偏斜可自行调整。
5)C形环密封
“C’形环密封为自紧式密封。环的上下面 均有一圈突出的圆弧,是线接触密封部分。
操作时顶盖上浮,一方面密封环回弹张开, 另一方面由内压作用在环的内腔而使环进一 步张开,使线接触处仍旧压紧,且压力越高 压得越紧。
(3-38)
图3-32 楔形压垫的受力分析
由于在拧紧牵制螺栓时顶盖向上升起。故楔形压垫 相对顶盖略有下移的趋势,因而在楔形压垫上产生 向上的摩擦力F,正压力N和摩擦力F的合力为压紧 力P
(3-39) 压紧力P在垂直方向的分力即为牵制螺栓的载荷W1
(3-40)
b.操作状态 内压升起后,顶盖向上浮动,由于顶 盖向上浮动,牵制螺栓的拉力随之减小直至消失。
W2
4
DG2
p
2
DGbp
tan
ERFR
2e DG
tan
(3-34)
取预紧载荷W1及操作载荷W2中较大者为螺栓、顶 盖及法兰的设计载荷W。
④操作时的百度文库封比压:操作时双锥面上的密封比压 是由V/2=VP/2+VR/2即内压作用于双锥环内圆柱表 面的向外扩张力和环的回弹力所引起的。
由图3-3(c)可见,操作时的密封力为 (3-35)
操作时的密封比压为
(3-36)

V
VP
VR
DGbp
2ER FR
2e DG
代入上式得到
qs
cos
2DGb' cos
DGbp
2ER FR
E RG
(3-38)
为保证密封,要求qs≥q,故可按式(3-36)设计密 封环的尺寸。
(3)伍德密封 a.预紧状态 结构如图,楔形压垫和顶盖球面的接
触为线接触,因而预紧时的密封比压为线密封比 压y。为保证密封,要求在DC接触点上的线密封比 压达到y值。 故此时在接触圆上的 正压力为
W1'
1 2
VR
tan
ERFR
2e DG
tan
(3-29)
一般情况下, W1' W1 ,故预紧时的螺拴载荷只
要按式(3-24)计算,就既可满足预紧垫片的 要求,又可满足压缩双锥环产生径向弹性变形 的要求。
b.操作状态 操作时螺栓将受三部分的力,即:①介 质压力作用在封头上所引起的轴向载荷Q1;②介质 压力作用在双锥环内侧面而产生的轴向载荷Q2;③ 双锥环预紧受压缩而产生的回弹力,再传递到螺栓 上的轴向载荷Q3 。此时,螺栓的操作载荷为 (3-30)
6) 空心金属O形环密封
7) 三角垫密封
§ 4.2 典型高压容器密封结构的 设计计算
主要介绍高压平垫密封、双锥环密 封、伍德密封这三种典型高压容器密 封结构在预紧和操作状态所需要的密 封比压以及相应的主螺栓设计载荷。
W1 DG Bq0
1)高压平垫密封
a.预紧状态 平垫密封属强制密封,为使升压时保 证密封,要求在升压前垫片上有足够的密封比压 。为达到此比压,主螺栓的预紧载荷应为
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Q2
1 2
DGbp
tan
(3-32)
③径向回弹自紧力引起的轴向力。由于在操作时 双锥环内圆柱表面和封头之间的间隙可以在0~e 范围内变化,当密封元件的轴向位移和径向变形 很大时甚至可能大于e值,所以回弹力可以存在, 也可以不存在,甚至可能为负值。为主螺栓设计
的安全起见,认为在操作状态下双锥环内侧柱表
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1) 透镜垫密封
2)八角垫和椭圆环密封
八角垫和椭圆垫密封属于径向自紧密封。垫圈 的平均直径比垫槽平均直径略大,靠垫圈与垫槽 的内外斜面(主要是外斜面)接触,并压紧而形 成密封。八角垫密封广泛使用在高压管线上。
2)八角垫和椭圆环密封
作业题
1. 高压容器密封结构的特点是什么,有 哪些典型结构?
2. 双锥环密封的密封原理是什么? 与 平垫密封相比,双锥环的受力有何 不同?
a.预紧状态 双锥环几何形状尺寸及预紧和操作时
受力分析如图3-30(a),(b)所示。
图3-30 双锥环几何与受力分析
为保证密封,预紧时在锥面上必须施加的压紧力为 (3-22)
式中,
容器封头有向下移动的趋势,双锥环有上升的趋势
,故在双锥面上存在向下的摩搽力F, F与W0的合力
G0为
G0
W0
cos
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面仍然和封头接触,即间隙为零,此时回弹力为
最大,这祥考虑对主螺栓设计当然是偏于安全的 。
1
此时作用在一个锥面上的回弹力为 2VR ,将回弹 状态下压紧面上的法向力与摩擦力合成,然后再 分解到轴向,则回弹产生的轴向力为
Q3
1 2
VR
tan
ER FR
2e DG
tan
(3-33)
综合上述三项,在操作时主螺栓的总载荷为
② 采用窄面密封 ③ 尽可能采用自紧密封
§ 4.1.2 高压密封分类及型式
按密封垫片受力情况,可分为: n 强制式密封:如平垫密封、卡扎里密封、
透镜垫密封。 n 自紧式密封:如“C”形、“O”形环密封、
三角垫密封、楔形垫密封、伍德密封。 n 半自紧式密封:如双锥环密封、八角垫。
§ 4.1.2.2 高压密封型式
◆ 透镜垫密封; ◆ 八角垫、椭圆垫密封; ◆ 齿形垫
4.4 高压管道的密封结构与选用
特点: 高压管道的密封通常采用强制密封
,由于高压管在现场安装,所以对连 接的尺寸精度要求不如容器高,加之 管道振动、有热载荷等给法兰连接带 来很大的附加弯矩或剪力,造成密封 困难。
1) 透镜垫密封
密封性能好,但由于属于强制密封,结构 较大,密封面为球面与锥面相接触,易出现 压痕,零件的互换性能差。
范围:压力低于700MPa; 直径小于300mm.
3)楔形密封
属于自紧密封。 螺栓预紧力较小。 因采用软金属密 封垫,易被按压 在顶盖和压环的 间隙中.拆卸困 难。
楔形密封圈
4) 组合密封结构
4) 组合密封结构
4) 组合密封结构
4) 组合密封结构
4) 组合密封结构
4)组合密封结构
§4.5 高压管道密封
式中 DG—密封面平均直径; b—垫片有效密封宽度;
y—垫片的预紧密封比压。
(3-20)
b.操作状态 主螺栓所受载荷为内压所引起的 轴向载荷和垫片上所需要的轴向载荷之和,即
(3-21)
式中 m—垫片材料的工作密封比压。 以W1,W2,两者中之较大值作为主螺栓的设
计载荷。
(2)双锥环密封 双锥环密封与平垫密封的原理不同,它涉及斜面 上的力分析、相对滑动时密封面上的摩擦力分析 、自紧作用力分析。
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