高压设备密封讲解

1 2e Q3 VR tan ER FR tan （3-33） 2 DG
综合上述三项，在操作时主螺栓的总载荷为 2 2e W2 DG p DGbp tan ER FR tan 4 2 DG （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操作时的密封比压：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。
Q1


4
D p
2 G
（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
1 式中 b—双锥环的有效高度， b A C 2
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
sin W1 DC y cos

(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。
内压作用在顶盖上的轴向力为
W 2
2 DC
4
p
（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
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。
W0 DG b q0
'
式中，
AC b 2 cos
'
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 W0 DGb'q0 G0 （3-23）
cos
cos
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
（3-38）
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 DC y N P （3-39） cos cos 压紧力P在垂直方向的分力即为牵制螺栓的载荷W1
由图3-3（c）可见，操作时的密封力为 （3-35） V cos
G 2 cos
操作时的密封比压为
G V cos qs DGb' 2DGb' cos
（3-36）
将
2e V VP VR DGbp 2ER FR DG
代入上式得到
cos E qs DGbp 2ER FR ' 2DGb cos RG
(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。 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）
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。 范围：压力低于700MPa; 直径小于300mm.
1 2e W VR tan ER FR tan (3-29) 2 DG
' 1
，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。
' W 一般情况下， 1 W1

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） W2 Q1 Q2 Q3 ①介质压力作用在封头上所引起的轴向载荷Q1
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
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4） 组合密封结构
4）组合密封结构
§4.5 高压管道密封
◆ 透镜垫密封；
◆ 八角垫、椭圆垫密封；
（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
N DC y
W1 DG by
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
W2

4
D p DG bm
2 G
（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。
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.
2.
3.
高压容器密封结构的特点是什么,有 哪些典型结构？ 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？ 双锥环的操作比压如何计算？
1 Q2 DGbp tan 2
（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 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 2 VR ，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
可以求得回弹力VR和周向应力的关系为


0
VR RG d sin 2 FR DG
(3-27）
2
AC tan 式中 FR—双锥环截面积， FR AB 2
e 由上式可得 VR FR 2FR ER RG
（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，每个锥面所承担的回弹力为 1/2VR ，此 时相应地需要螺栓施力的轴向载荷为
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

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
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。
◆ 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。
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
sin W1 G0 sin DGb q0 （3-24） cos
'
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
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。
DG 2e DG 2e e DG DG RG
相应的周向应力为
（3-25）
e E R E R RG
（3-26）
VR DG
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 ,取半个圆环的静力平衡（图3-31）
图3-31 双锥环的静力平衡
采用窄面密封
②
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： 强制式密封：如平垫密封、卡扎里密封、 透镜垫密封。 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。 半自紧式密封：如双锥环密封、八角垫。
♣
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§ 4.1.2.2 高压密封型式
W2 N 2 P2 cos cos sin
W2 P2 sin
（3-43）
在楔形压垫密封接触面单位长度上的比压力为
pDC N2 q cos DC 4 sin
（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。