密封装置设计.

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1、4.3 常规设计 4.3.4 密封装置设计 第 四 章 压力容器设计 CHAPTER Design of Pressure Vessels 1 本节主要内容 密封机理及分类 影响密封性能的主要参数 螺栓法兰连接设计 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 4.3.4 密封装置设计 2 过程设备设计过程设备设计 4.3.4 密封装置设计 3 过程设备设计过程设备设计 4.3.4 密封装置设计 4 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 本节 主要内容 密封机理及分类 影响密封性能的主要因素 螺栓法兰连接设计 5 过程设备设计过程设备设计 4.3.4

2、密封装置设计 6 过程设备设计过程设备设计 4.3.4 密封装置设计 7 过程设备设计过程设备设计 4.3.4 密封装置设计 螺栓法兰 连接的 基本要素 被连接件法兰 连接件螺栓 密封件垫片 法兰连接 的基本要求 密封可靠 结构简单 装拆方便 8 螺栓法兰连 接结构设计 的主要问题 密封设计：就是根据操作条件的要求 （如：压力、温度、介质等）选取 法兰的类型和压紧面的形式，选取 合适的垫片确定螺栓载荷并进行螺 栓设计。 法兰的强度设计：确定法兰尺寸，以 保证法兰有足够的强度和刚度。 即：根据计算得到的螺栓载荷，对法 兰进行上述两种工况的受力分析和 应变校核，以确定法兰的厚度。 9 过程设备设计

3、过程设备设计 4.3.4 密封装置设计 原理： 性能： 图4-22 螺栓法兰连接结构 1-螺栓；2-垫片；3-法兰 依靠螺栓预紧力把 两部分设备或管道 法兰环连在一起， 同时压紧垫片，使 连接处达到密封。 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 。 10 过程设备设计过程设备设计 4.3.4 密封装置设计 11 过程设备设计过程设备设计 4.3.4 密封装置设计 12 4.3.4.1 密封机理及分类 密封机理 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 法兰的压紧面经加工后总会存在凹凸不平的间 隙，当上紧法兰螺栓时，螺栓力通过法兰压紧 面作用到垫片上。当

4、垫片单位面积上所受的压 紧力达到一定值时，使垫片产生弹塑性变形， 填满法兰面的不平间隙，从而使介质通过密封 面的阻力大于密封面两侧的介质压差，即达到 密封的目的。 其密封过程如图，可分为如下三步： 13 螺栓法兰连接的整个工作过 程：（a）尚未预紧工况 （b）预紧工况 （c）操作工况 （a）尚未预紧工况 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。 （a）尚未预紧工况 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 图4-23 密封机理图 4.3.4.1 密封机理及分类 14 （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

5、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。 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 （b）预紧工况 图4-23 密封机理图 15 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 （c）操作工况（有内压） A: 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 B: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 仍能维持一定值一定值以保持密 封性能。16 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 通过垫片材料本体毛细管 的渗透

6、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”； 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。 介质泄漏的形式 垫片渗漏压紧面泄漏 17 界面泄漏 渗透泄漏 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 4.3.4.1 密封机理及分类 18 防止流体泄漏的基本方法

7、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。 在密封口增加流 体流动的阻力 泄漏时介质通过密封口的 动力： 密封口内外介质压力差 泄漏时介质通过密封口的 阻力： 压紧面上的比压力比压力 19 密封分类 1、按获得密封比压力 方法的不同 2、按被密封介质的压 力大小 分 类 中低压密封 高压密封 强制密封 自紧密封 半自紧式 密封 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 20 1、按获得密封比压力方法的不同

8、a、强制密封 完全依靠连接件（螺栓）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1.11.6倍。 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 21 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（ 垫片）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 径向自紧式密封 半自紧式密封 密封元件的轴向刚度小于 被连接件的轴向刚度。 密封元件的轴向刚度小于 被连接件的轴向刚度。 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。 22 2、按被密封介质的压力大小 中、低

9、压密封：螺栓法兰结构，强制式密封。 高压密封：自紧式密封、半自紧式密封。 23 4.3.4.2 影响密封性能的主要因素 主要影响因素 一、螺栓预紧力 二、垫片性能 三、压紧面的质量 四、法兰刚度 五、操作条件 24 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 密封性能。 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。 1.预紧力使垫片压紧实现初始密封。 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。 一、螺栓预紧力（连接件） 25 二、垫片性能（密封件） （1）垫片要有适宜变形能力和回弹能力是形

10、成 密封的必要条件。变形能力大的密封垫易 填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致太 大；回弹能力大的垫片，能适应操作压力 和温度的波动。 （2）垫片应具有能适应介质的温度、压力和腐 蚀等的性能。 （3）垫片比压力y和垫片系数m：与垫片材料、 结构与厚度关， 还与介质性质、 压力、温 度、压紧面粗糙度等因素有关， 而且m和y 之间也存在内在联系。26 三、压紧面的质量（法兰 ） 压紧面又称密封面，其形状和粗糙度应 与垫片相匹配， 使用金属垫片时其压紧面的质量要求比 使用非金属垫片时高； 压紧面表面不允许有刀痕和划痕； 应能均匀地压紧垫片，保证平面度和垂 直度。 27 过大的翘曲变形，密封失效的主要

11、原因之一。 四、法兰刚度（被连接件） 增加法兰环的厚度、缩小螺栓中 心圆直径、增大法兰环外径； 采用带颈法兰或增大锥颈部分尺 寸，提高抗弯能力。 提高法兰 刚度： 刚度不足： 28 图4-24 法兰的翘曲变形 29 在压力、介质和温度的联合作用下，尤 其是波动的高温下，会严重影响密封性 能，甚至使密封因疲劳而完全失效。 操作条件： 指压力、温度及介质的物理化学性质 对密封性能的影响。 特点： 高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏 ；介质对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增 加了泄漏的可能性；法兰、螺栓和垫片均 会产生较大的高温蠕变与应力松弛，使密 封失效；某些非金属垫片还会加速老化、 变质，甚至烧毁

12、。 原因： 五、操作条件 30 垫片的性能参数 预紧密封比压 Y 垫片系数 m 31 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。 32 预紧密封比压y： 定义：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。 垫片性能参数 33 y值一般由实验测定，它主要取决于： 1、垫片材料 2、垫片的

13、形式 3、垫片的尺寸 4、压紧面的粗糙度，其是计算螺栓预紧力 的主要设计参数 5、与操作压力无关 6、与介质种类无关 其物理意义为：形成初始密封的难易程度 34 工作密封比压： 回弹后垫片的比压力仍不低于某一极限值，则 检漏仍然是合格的，可保证密封，此极限值称 为工作密封比压 35 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（无 单位）。 即: 其物理意义是：表示垫片在操作状态下，实 现密封的难易程度。与垫片的形状、材料有关 。 36 表49 垫片性能参数 37 表49 垫片性能参数（续） 38 表49 垫片性能参数（续） 39 螺栓法兰连接的密

14、封性设计 2.法兰应具有足够的强度，不 致因受力而破坏。 1.保证连接处“紧密不漏” ； 应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏 。 压紧面 垫片 密封性能的决定因素： 螺栓法兰连 接设计关键 要解决两个 问题 40 （1）法兰压紧面的选择 压紧面主要根据工艺条件、密封口径以及垫 片等进行选择。 光滑型压紧面（全平面、凸面） （a）（b） 凹凸面：也称为部分约束型压紧面 （c） 榫槽面（d） 梯形槽面（或：环连接面、T型槽）（e ） 锥形槽面 其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。 形式 ： 图4-25 41 （a）全平面（b）突面 （c）凹凸面（d）榫槽面 （e）环连接面（T型槽） 4.3.4

15、 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 P140页图4-26 42 凹凸面法兰连接 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 43 4.3.4 密封装置设计 过程设备设计过程设备设计 榫槽面法兰连接 44 突面压紧面： 结构简单，加工方便， 装卸容 易，易于防腐衬里 。 压紧面可以是平滑的， 适用于PN2.5MPa场合。 带沟槽的适用更广，容器 法兰可用至6.4MPa，管法 兰甚至可用至25-42MPa， 但随着公称压力的提高， 适用的公称直径相应减小 。 P140页图4-26 45 凹凸压紧面： 安装易于对中，有效防 止垫片被挤出，适用于 PN6.4MPa的容器法 兰和管法兰。

16、46 榫槽压紧面： 由榫面、槽面配合构成， 垫片安放在槽内，不会被 挤出压紧面，较少受介质 的冲刷和腐蚀，所需螺栓 力较小，但结构复杂，更 换垫片较难，只适用于易 燃、易爆和高度或极度毒 性危害介质等重要场合。 47 梯形槽面：（T型槽 ） 它是利用槽的内外锥面和垫 片的线接触而形成密封的。 适用于安装圆形、椭圆形、 八角形的自紧式金属垫，主 要用于高压场合。 锥形槽面： 锥面和透镜垫相 配使用。 48 （2）垫片的选择 介质的压力、温度、腐蚀性和压紧面的形 状，兼顾价格、制造、更换是否方便等因 素来选择 根据： 选择：垫片的结构形式、材料、尺寸 基本 要求： 垫片的材料不污染工作介质；耐腐蚀； 具有良好的变形能力和回弹能力；垫片 的耐用温度应大于操作温度；有一定的机 械强度和适应的柔软性；在工作温度下不 易变质硬化或软化、能重复使用等。（表4 10 垫片选用表） 49 垫片分为非金属，金属、组合等三种 非金属垫片：非金属垫片的优点主要是柔软 、耐腐蚀、价格便宜，但耐温度和压力