典型高压密封
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2e 又 V V p VR DGbp 2ER FR DG cos 2e qs DGbp 2ER FR ' 2DGb cos( ) DG
为保证密封，要求qs≥q
30
复习题 1. 什么是强制密封和自紧密封？ 2. 通常用哪些金属材料作为高压密封垫片？ 3. 自紧密封有哪些主要结构型式？其结构有什么 特点？ 4. 双锥环密封预紧和操作时螺栓载荷各有哪些部 分构成？ 5. 操作时的密封比压是由什么力引起的？
28
操作时的密封比压
操作时的密封比压是由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引起的。 即由V/2=Vp/2+VR/2 引起
V cos G 2 cos( )
Q3
V /2
V /2
29
操作时的密封比压为
G V cos qs ' DGb 2DGb' cos( )
12
2 典型高压容器密封结构的螺栓载荷计算 ① 高压平垫片密封
a 预紧状态：
要求垫片上有足够的密封比压q0，主螺栓的预 紧载荷为
W1 DG bq0
式中：DG－密封面平均直径；b－垫片宽度； q0－垫片材料的预紧密封比压
b 操作状态
主螺栓所受载荷为内压引起的轴向载荷和为保 证操作条件下密封面上的密封比压所需要的轴向 载荷之和，即
W0 DG b ' q0 G0 cos cos
ρ －双锥环材料与封头材料之间的摩擦角
W0的轴向分力即为主螺栓在预紧时所受的载荷W1
sin( ) W1 G0 sin( ) DG b q0 cos
'
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：
31
d 伍德密封
最早出现的自紧式 密封结构 预紧靠牵制螺栓实现， 操作随着压力增加，压
紧力增大，实现密封
全自紧，无主螺栓， 密封效果好，结构笨重
e C形环密封
自紧密封 预紧时：C形环受 到弹性轴向压缩 操作时：顶盖上浮，一方
面密封环回弹张开，另一方
面内压作用在环的内腔使环 进一步张开，使线接触，且
压力越高压得越紧。
② 高压密封的分类
a 强制密封：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密封比压，从而 实现密封。需要有大的主螺栓。 b 自紧密封：利用其结构特点，使垫片、顶盖 和筒体端部之间的密封比压随工作压力的升高 而增大。预紧时，为建立初始密封所需要施加 大螺栓力较小，故螺栓直径小。 c 半自紧密封：利用螺栓预紧载荷使密封元件 产生变形并提供建立初始密封的比压，当压力 升高后，由于密封结构的自紧作用，密封面上 的密封比压也随之上升，从而保证连接的密封 性能。
应用：小直径容器， 32MPa，350℃以下
f “O”形环密封
空心金属“O”形 环为无缝金属圆 管弯制而成
g 三角垫密封
预紧时，三角垫受轴 向压缩与上下槽贴紧， 实现初始密封
操作时，介质压力使
三角垫向外弯曲，两
斜面与V形槽贴紧，
压力越高，贴得越紧。
h 其它形式的高压密封
高压管道的透镜垫密封
b 操作状态
i 介质作用在封头上引起的轴向载荷:
Q1
4
D p
2 G
ii 内压对双锥环的径向自紧力产生的轴向力 介质压力作用在双锥环内表面的载荷为
V p DG bp
1 式中 b－双锥环的有效高度， b ( A C ) 2
p
24
1 双锥环一个锥面受到径向推力为 2 V p
锥面上的法向力G 摩擦力F 合力再分解即为Q2
( DG 2e) DG 2e e DG DG RG
相应的周向应力
e ER ER RG
ER－双锥环材料的弹性模量
取半个圆环为研究对象
回弹力VR与周向应力的关系
0
VR RG d sin 2 FR DG
式中：FR－双锥环截面积
AC FR AB tan 2
Q2
Vp 2
tan( )
Q2
Vp / 2
Fra Baidu bibliotek
1 DG bp tan( ) 2
iii 径向回弹自紧力引起的轴向力 为安全起见，认为在操作状态下双锥环内 圆柱表面仍然和封头接触，即间隙为零。 作用在一个锥面 上的回弹力为
1 VR 2
VR / 2
将回弹状态下锥面上的法向力和摩擦力的合力再 分解到轴向，得到回弹产生的轴向力为
1 2e Q3 VR tan( ) ER FR tan( ) 2 DG
Q3
VR / 2
操作时主螺栓的总载荷为
W2 Q1Q2 Q3
1 D p DG bp tan( ) 4 2
2 G
2e ER FR tan( ) DG
取W1和W2中的较大者作为螺栓的设计载荷。
3.1.3 高压设备的法兰密封
1 高压容器密封结构的特点与选用
① 特点：
a 金属垫片 高压密封的垫片比压很高，非金属垫片 会压溃，无法满足，采用软金属－退火铝、退火紫 铜、软钢及不锈钢 b 窄面密封 提高垫片比压，减小螺栓力，有时采用 线接触代替窄面密封 c 尽可能采用自紧密封 利用介质压力在密封部位产 生附加大密封比压，以阻止介质泄漏。介质压力越 高，垫片压得越紧，密封就越可靠。预紧力小，紧 固件尺寸小。
③ 高压密封的结构
a 平垫密封 (属强制密封） 大的主螺栓， 温度低于200℃， 压力低于32MPa， 容器内径小于800mm
b卡扎里密封
（强制密封） 螺纹套筒， 拧紧方便， 但易锈蚀难以拆卸。
改进的卡扎里密封
依旧采用主螺栓，
但不需拧得很紧，
拆卸方便
C 双锥环密封
（半自紧密封），有主 螺栓，密封面上垫软金 属材料，如退火铝，退 火紫铜，不锈钢。 内压升高平盖上浮， 双锥环自身的弹性扩张 保持密封环压紧力，又 靠介质压力使双锥环径 向扩张，进一步增强双 锥环密封面上的压紧力。 压力范围大，温度 高，直径大。
2
e VR 2FR 2FR ER RG
回弹力作用在上下两个锥面，每个锥面承担的回 弹力为 1 VR
2
此时相应地需要螺栓施加的轴向载荷为：
1 W VR tan( ) 2 2e ER FR tan( ) DG
' 1
一般情况下
W W1
' 1
W1 '
故计算预紧螺栓力按W1即可
W2 0.785D p DG bq
2 G
q－垫片材料的工作密封比压 取W1和W2之中的大者作为螺栓的设计载荷
14
② 双锥环密封
15
a 预紧状态：
为保证密封，预紧时在锥面上必须施加的压紧力
W0 DG b q0
'
W0 α
式中： b ' ( A C ) / 2 cos
容器封头有下移的趋势， 相对封头双锥环有上升的 趋势，有摩擦力F，F与 W0的合力G0为
为保证密封，要求qs≥q
30
复习题 1. 什么是强制密封和自紧密封？ 2. 通常用哪些金属材料作为高压密封垫片？ 3. 自紧密封有哪些主要结构型式？其结构有什么 特点？ 4. 双锥环密封预紧和操作时螺栓载荷各有哪些部 分构成？ 5. 操作时的密封比压是由什么力引起的？
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操作时的密封比压
操作时的密封比压是由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引起的。 即由V/2=Vp/2+VR/2 引起
V cos G 2 cos( )
Q3
V /2
V /2
29
操作时的密封比压为
G V cos qs ' DGb 2DGb' cos( )
12
2 典型高压容器密封结构的螺栓载荷计算 ① 高压平垫片密封
a 预紧状态：
要求垫片上有足够的密封比压q0，主螺栓的预 紧载荷为
W1 DG bq0
式中：DG－密封面平均直径；b－垫片宽度； q0－垫片材料的预紧密封比压
b 操作状态
主螺栓所受载荷为内压引起的轴向载荷和为保 证操作条件下密封面上的密封比压所需要的轴向 载荷之和，即
W0 DG b ' q0 G0 cos cos
ρ －双锥环材料与封头材料之间的摩擦角
W0的轴向分力即为主螺栓在预紧时所受的载荷W1
sin( ) W1 G0 sin( ) DG b q0 cos
'
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：
31
d 伍德密封
最早出现的自紧式 密封结构 预紧靠牵制螺栓实现， 操作随着压力增加，压
紧力增大，实现密封
全自紧，无主螺栓， 密封效果好，结构笨重
e C形环密封
自紧密封 预紧时：C形环受 到弹性轴向压缩 操作时：顶盖上浮，一方
面密封环回弹张开，另一方
面内压作用在环的内腔使环 进一步张开，使线接触，且
压力越高压得越紧。
② 高压密封的分类
a 强制密封：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密封比压，从而 实现密封。需要有大的主螺栓。 b 自紧密封：利用其结构特点，使垫片、顶盖 和筒体端部之间的密封比压随工作压力的升高 而增大。预紧时，为建立初始密封所需要施加 大螺栓力较小，故螺栓直径小。 c 半自紧密封：利用螺栓预紧载荷使密封元件 产生变形并提供建立初始密封的比压，当压力 升高后，由于密封结构的自紧作用，密封面上 的密封比压也随之上升，从而保证连接的密封 性能。
应用：小直径容器， 32MPa，350℃以下
f “O”形环密封
空心金属“O”形 环为无缝金属圆 管弯制而成
g 三角垫密封
预紧时，三角垫受轴 向压缩与上下槽贴紧， 实现初始密封
操作时，介质压力使
三角垫向外弯曲，两
斜面与V形槽贴紧，
压力越高，贴得越紧。
h 其它形式的高压密封
高压管道的透镜垫密封
b 操作状态
i 介质作用在封头上引起的轴向载荷:
Q1
4
D p
2 G
ii 内压对双锥环的径向自紧力产生的轴向力 介质压力作用在双锥环内表面的载荷为
V p DG bp
1 式中 b－双锥环的有效高度， b ( A C ) 2
p
24
1 双锥环一个锥面受到径向推力为 2 V p
锥面上的法向力G 摩擦力F 合力再分解即为Q2
( DG 2e) DG 2e e DG DG RG
相应的周向应力
e ER ER RG
ER－双锥环材料的弹性模量
取半个圆环为研究对象
回弹力VR与周向应力的关系
0
VR RG d sin 2 FR DG
式中：FR－双锥环截面积
AC FR AB tan 2
Q2
Vp 2
tan( )
Q2
Vp / 2
Fra Baidu bibliotek
1 DG bp tan( ) 2
iii 径向回弹自紧力引起的轴向力 为安全起见，认为在操作状态下双锥环内 圆柱表面仍然和封头接触，即间隙为零。 作用在一个锥面 上的回弹力为
1 VR 2
VR / 2
将回弹状态下锥面上的法向力和摩擦力的合力再 分解到轴向，得到回弹产生的轴向力为
1 2e Q3 VR tan( ) ER FR tan( ) 2 DG
Q3
VR / 2
操作时主螺栓的总载荷为
W2 Q1Q2 Q3
1 D p DG bp tan( ) 4 2
2 G
2e ER FR tan( ) DG
取W1和W2中的较大者作为螺栓的设计载荷。
3.1.3 高压设备的法兰密封
1 高压容器密封结构的特点与选用
① 特点：
a 金属垫片 高压密封的垫片比压很高，非金属垫片 会压溃，无法满足，采用软金属－退火铝、退火紫 铜、软钢及不锈钢 b 窄面密封 提高垫片比压，减小螺栓力，有时采用 线接触代替窄面密封 c 尽可能采用自紧密封 利用介质压力在密封部位产 生附加大密封比压，以阻止介质泄漏。介质压力越 高，垫片压得越紧，密封就越可靠。预紧力小，紧 固件尺寸小。
③ 高压密封的结构
a 平垫密封 (属强制密封） 大的主螺栓， 温度低于200℃， 压力低于32MPa， 容器内径小于800mm
b卡扎里密封
（强制密封） 螺纹套筒， 拧紧方便， 但易锈蚀难以拆卸。
改进的卡扎里密封
依旧采用主螺栓，
但不需拧得很紧，
拆卸方便
C 双锥环密封
（半自紧密封），有主 螺栓，密封面上垫软金 属材料，如退火铝，退 火紫铜，不锈钢。 内压升高平盖上浮， 双锥环自身的弹性扩张 保持密封环压紧力，又 靠介质压力使双锥环径 向扩张，进一步增强双 锥环密封面上的压紧力。 压力范围大，温度 高，直径大。
2
e VR 2FR 2FR ER RG
回弹力作用在上下两个锥面，每个锥面承担的回 弹力为 1 VR
2
此时相应地需要螺栓施加的轴向载荷为：
1 W VR tan( ) 2 2e ER FR tan( ) DG
' 1
一般情况下
W W1
' 1
W1 '
故计算预紧螺栓力按W1即可
W2 0.785D p DG bq
2 G
q－垫片材料的工作密封比压 取W1和W2之中的大者作为螺栓的设计载荷
14
② 双锥环密封
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a 预紧状态：
为保证密封，预紧时在锥面上必须施加的压紧力
W0 DG b q0
'
W0 α
式中： b ' ( A C ) / 2 cos
容器封头有下移的趋势， 相对封头双锥环有上升的 趋势，有摩擦力F，F与 W0的合力G0为