超高压容器的密封设计

超高压容器的密封设计

超高压容器的密封结构是超高压设备的一个重要组成部分，超高压容器能否正常运行在很大程度上取决于密封结构的完善性。近年来，随着化工、石油化工、核能、电力等工业的飞速发展，对超高压容器的密封结构提出了更多、更新的要求，如超高压容器的大型化，要求密封直径越来越大；容器开启频繁，要求结构轻巧、装拆方便；容器内往往是易燃易爆介质，要求密封可靠等，这同时促进了超高压容器密封技术的发展。

大多数超高压容器的操作条件都很复杂，除了压力极高外，压力、温度的波动，都会给密封设计带来困难。进行超高压密封设计时应考虑以下因素：

①操作压力、温度的波动及其变化；

②容器的几何尺寸及操作空间的限制；

③容器接触介质对材质的要求。

超高压密封结构的优劣主要依据以下几方面来衡量：

①在正常操作压力和温度波动的情况下都能保证良好的密封；

②结构简单，加工制造以及装拆检修方便；

③结构紧凑、轻巧，元件少，占有高压空间少；

④能重复使用。

本章将介绍常用的超高压密封结构及其设计方法。

第一节“B”形环密封

一、结构与特点[1]

“B”形环密封是一种自紧径向密封，它依靠“B”形环波峰和筒体、顶盖上密封槽之间的径向过盈来产生初始密封比压，以达到密封，如图6.1所示。当内压作用后，“B”形环向外扩张，工作密封比压增加。

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图6.1 “B”形环密封的局部结构

1.平盖或封头；

2.“B”形环；

3.筒体端部

“B”形环密封的主要特点为：

①因有径向自紧作用，故对连接结构的刚度要求较低，即使顶盖在内压作用下轴向有较大位移时，也能保证密封，因此能适用于温度和压力波动较大的场合；

②压力越高、直径越大，密封性能越好；

③结构简单，装拆方便；

④加工精度和表面粗糙度要求高，“B”形环和筒体、顶盖上密封槽接触表面的粗糙度应控制在0.8μm以内；

⑤装拆要求仔细谨慎，防止擦伤密封面而影响密封性能，故重复使用性能差。

对“B”形环的材料没有特殊的要求，常用材料为20、25号钢，当设计压力较高，筒体材质选用高强度钢时，也可选用35，45号钢。

“B”形环的表面硬度要求通常为HB≤190。“B”形环通常不重复使用，重复使用时需经过修正和适当选配。

二、设计计算[2]

目前有关“B”形环的设计公式都是半经验半理论的。按照这些公式设计的高压容器（压力小于100MPa）“B”形环密封是可靠的，但超高压容器“B”形环密封的设计迄今尚无成熟的公式。设计时，可行的办法是先根据经验，确定相关尺寸，然后进行试验验证，确认其密封可靠后再用于实际的超高压容器。在确定尺寸时应注意如下问题：

①“B”形环的环厚应适中。若设计得过薄，虽然初始密封效果较好，但在较高压力下，“B”形环容易弯曲而造成失效或破坏；若设计得过厚，有可能影响初始密封。所以，厚度设计的原则是：在保证实现初始密封的前提下，尽量增加厚度，以利于承受较

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130 高的压力。

②合理选择过盈量。通常对直径较小的容器，过盈量应取大一些；对直径较大的容器，过盈量宜取小一些。过盈量过大，会造成装配时挤压力过大，装卸困难，严重时会导致“B ”形环表面损坏，影响密封性能；过盈量过小，难以实现初始密封。

表6.1为0.25m 3聚乙烯反应釜用“B ”形环实际尺寸及过盈量对密封效果的影响，表中数据为试验得到的实测值。

表6.1 “B ”形环实际尺寸及过盈量对密封效果的影响

由表6.1可见，在相同条件下，“

B ”形环的厚度不同，其变形情况亦不同；改变环与槽的过盈量会得到不同的密封效果。

表6.2为部分国内已使用并且证明密封效果良好的超高压容器密封用“B ”形环尺寸。

表6.2 部分国内已使用过的“B ”形环尺寸

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三、制造[2]

“B ”形环是依靠波峰和筒体及端盖的密封槽的径向接触实现密封的，密封效果的好坏与环本身的制造质量密切相关，其制造要求为：

①严格按照图纸要求的加工精度加工，确保过盈量值； ②密封面的光洁度应不低于Ra0.8 m ； ③环粗加工后应进行100％超声波探伤；

④环加工完毕后需作正火处理，处理后的硬度不能高于规定值；

⑤加工完成后的碳钢“B ”形环应作防锈处理，并妥善包装、保管，防止碰坏和划伤密封面。

四、改良的“B ”形环密封结构

“B ”形环的最大确点是当操作压力还未达到规定值时，也即容器在升压过程中压力尚较低时，密封处往往会出现泄漏现象，压力越低泄漏越严重。为解决这一问题，可对“B ”形环作适当改进。

图6.2是用于高压聚乙烯装置反应器上的经过改进的“B ”形环结构[2]。这种组合式“B ”形环其初始密封依靠软垫片实现，当压力升高后，则依靠“B ”形环自身的径向扩张实现自紧密封。

第二节 Bridgman 密封

一、结构与特点

Bridgman 密封是在容器的内壁和垫环之间放一垫片，利用作用在凸肩头盖端面上的压力使头盖在轴向作一定范围的自由移动而压紧垫片，从而形成自紧密封。如图6.3所示[1]。密封所需的外部力只要达到垫片初始密封就可以了。由于内压作用使垫片产生塑性变形而实现密封，所以内压越高密封越可靠。但在低压时，由于自紧密封效果不显著，所以要施以充分的初始紧固力。另外在高压试验时，压力和温度的波动，使垫片表面变形而连接松弛，所以需进行二次紧固压紧顶盖。

图6.2 双“O ”环密封

1.软垫片；

2.外背环；

3.“B ”形环本体

132 Bridgman 密封结构简单，没有需要特殊加工或者加工要求很高的零件，所以加工方便、制造成本低廉。这种结构的缺点是主要元件都装于容器筒体内部，占据较多的高压空间。

在操作状态下，由压力产生的轴向载荷是由压紧顶盖与筒体的螺纹连接来承受的，虽然结构简单，但是螺纹受载很大，容易损坏。当容器直径较大时，不但凸肩头盖、压紧顶盖十分笨重，拧紧顶盖也不甚容易，而且大直径并有精度要求的螺纹也不易加工。

该密封结构常用于内径300mm 、压力700MPa 以下的超高压容器上。

二、材料的选择

为了保证容器的初始密封及在超高压条件下密封可靠，选择有关零件的材质时应考虑如下几个因素：

①垫片材料应能产生足够大的塑性变形，以使密封面很好地相互贴合，同时应有足够大的弹性，以防止密封垫片被挤入垫环与筒体顶部的间隙中。另外，还应考虑到垫片与筒体材料间可能发生的“擦伤”或“咬死”现象。常用的垫片材料有橡胶、聚四氟乙烯等软材料，黄铜、退火紫铜等也用得较多。铝、软钢、纯铁、不锈钢等常被用在工作温度较高、操作介质对材质有特殊要求的场合。另外，为了改善金属垫片的密封性能，往往在其表面进行镀银处理。

②操作状态下，垫片、垫环所受的表面压力很大，垫环应采用强度较高的材料，避免被压碎，但它的强度应低于压紧顶盖材料的强度。常用的材料有40Cr 、35CrMo 等。

③凸肩头盖、压紧顶盖是直接受力部件，因此可选用与筒体相同的材质，也可选用如34CrNi3MoA 、35CrMo 、40Cr 等高强度钢。

三、垫片设计计算

操作状态下，垫片上的压紧应力应大于垫片材料的屈服限，以保证有效的密封。但该值应小于压紧顶盖钢材的屈服限，以防止将压紧顶盖及筒体的密封面压坏。由于垫片是用软金属制成的，受压变形后容易挤入周围的间隙内，所以压环与头盖、筒体顶部的配合间隙以及凸肩头盖与筒体顶部的配合间隙应尽量小，一般约为0.05mm 左右。

垫片的最终压紧应力与内压成正比，其比例系数为内压作用的面积与垫片面积之

图6.3 Bridgman 密封

1.压紧顶盖；

2.压环；

3.垫环；

4.垫片；

5.垫环；

6.凸肩头盖；

7.筒体

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