密封装置

4.3.4 密封装置设计

4.3.4 密封装置设计

可拆密封装置：螺纹连接；承

插式连接；螺栓法兰连接——

螺栓—垫片—法兰密封系统。

原理：依靠螺栓预紧力把两部分

设备或管道法兰环连在一起，同Array时压紧垫片，使连接处达到密

封。

性能：较好的强度和密封性，结

构简单，成本低廉，可多次重复

拆卸，应用较广。

失效形式:主要表现为泄漏,泄

漏量控制在工艺和环境允许的

范围内。

本节内容提纲

4.3.4.1 密封机理及分类

4.3.4.2 影响密封性能的主要

因素

4.3.4.3 螺栓法兰连接设计

4.3.4.4 高压密封设计

图4-22 螺栓法兰连接结构

1-螺栓；2-垫片；3-法兰

4.3.4.1 密封机理及分类

一、密封机理

泄漏途径：渗透泄漏、界面泄漏。

渗透泄漏:通过垫片材料本体毛

细管的渗透泄漏，除了受介质压

力、温度、粘度、分子结构等流

体状态性质影响外，主要与垫片

的结构与材料性质有关，可通过

对渗透性垫片材料添加某些填

充剂进行改良，或与不透性材料

组合成型来避免“渗透泄漏”；

界面泄漏:沿着垫片与压紧面之

间的泄漏，泄漏量大小主要与界

面间隙尺寸有关。压紧面就是指

上、下法兰与垫片的接触面。加

工时压紧面上凹凸不平的间隙

及压紧力不足是造成“界面泄

漏”的直接原因。“界面泄漏”

是密封失效的主要途径。

螺栓法兰连接的整个工作过程可用：图4-23尚未预紧工况、预紧工

况、操作工况来说明

（a ）尚未预紧的工况

将上、下法兰压紧面和垫片的接触处的微观尺寸放大，表面是凹凸

不平的，这就是流体泄漏的通道。

（b ）预紧工况。

（无内压）拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上。垫片

产生弹性或屈服变形，填满凹凸不平处，堵塞泄漏通道，形成初始

密封条件。

引入概念1“预紧比压y”： 预紧(无内压)时，迫使垫片变形与压

紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片单位面积上所需的最小压紧力，称为“垫片比压力”，用y 表示，也称为最小压紧应力，

单位为MPa 。在预紧工况下，如垫片单位面积上所受的压紧力小于

比压力y ，介质即发生泄漏。

y 值仅与垫片材料、 结构与厚度有关。

（c ）操作工况

通入介质，压力上升导致:一方面，内压引起的轴向力，使上下法兰

压紧面分离，垫片压缩量减少，密封比压（即，压紧面上的压紧应

力）下降。

另一方面，垫片弹性压缩变形部分产生回弹，补偿因螺栓伸长所引起的压紧面分离，使压紧面上的密封比压力仍能维持一定值以保持

密封性能。

引入概念2“操作密封比压”：为保证在操作状态时法兰的密封性

能而必须施加（维持）在垫片上的压应力，称为操作密封比压。操

作密封比压往往用介质计算压力的m 倍表示， 这里m 称为“垫片系

数”，无因次。

防止流体泄漏的基本方法:在密封口增加流体流动的阻力 当介质

通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。

而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的比压力来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，

越有利于密封。

由以上分析，在确立法兰设计方法时，把预紧工况与操作工况分开

处理，从而大大简化了法兰设计。为此，对两个不同的工况分别引

（a ）尚未预紧工况

（b ）预紧工况 （c ）操作工况

进两个垫片性能参数，即“最小压紧应力”或“比压力”y以及

“垫片系数”m。

预紧比压y：定义为预紧(无内压)时，迫使垫片变形与压紧面密合，

以形成初始密封条件，此时垫片所必需的最小压紧载荷，因以单位

接触面积上的压紧载荷计，故也称最小压紧应力”，单位为MPa。y

值仅与垫片材料、结构与厚度有关。

垫片系数m：是指操作(有内压)时，达到紧密不漏，垫片所必须维

持的比压与介质压力p的比值。

不少生产实践和广泛的研究表明y和m值还与垫片尺寸，介质性质、

压力、温度、压紧面粗糙度等许多因窜有关，而且m与y之间也存

在内在联系。

二、密封分类

1、按获得密封比压力方法的不同

a、强制密封：完全依靠连接件的作用力强行挤压密封元件达到密封。

特点：预紧力大，约为工作压力产生的轴向力的1.1～1.6倍。

b、自紧式密封：主要依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封。

特点：预紧力小，介质压力越高，密封越可靠，约为工作压力产生的轴向力的20%以下。

轴向自紧式密封：密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度。

径向自紧式密封：密封元件的径向刚度小于被连接件的径向刚度。

半自紧式密封：属于非自紧式的强制式密封，但又具有一定的自紧性能，如双锥密封2、按被密封介质的压力大小

中、低压密封：螺栓法兰结构，强制式密封。

高压密封：多用自紧式密封、半自紧式密封。

4.3.4.2 影响密封性能的主要因素

一、螺栓预紧力

1、预紧力使垫片压紧实现初始密封。

2、适当提高预紧力可增加垫片的密封能力，即在正常工况下保留较大的接触面比压力。

3、预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧失回弹能力，甚至将垫片挤出或压坏。

4、预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减小螺栓直径、增加螺栓个数等措施来提高