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1、1,4.3.4 密封装置设计,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 Vessel,2,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,3,过程设备设计,4.3.4 密封装置设计,4.3.4 密封装置设计,4,过程设备设计,4.3.4 密封装置设计,5,密封装置的失效形式主要表现为泄露,泄露量控制在工艺和 环境允许的范围内,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,4.3.4 密封装置设计,6,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,4.3.4 密封
2、装置设计,高压密封设计,7,4.3.4.1 密封机理及分类,一、密封机理,泄漏途径,渗透泄漏,界面泄漏,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,8,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”；,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。,渗透泄漏,界面泄漏,泄漏,4.3
3、.4 密封装置设计,过程设备设计,9,界面泄漏,渗透泄漏,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,4.3.4.1 密封机理及分类,10,螺栓法兰连接的整个工作过程： 图4-23（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,图4-23 密封机理图,4.3.4.1 密封机理及分类,11,（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
4、始密封条件。,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。,引入概念1“预紧比压y”：,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,（b）预紧工况,图4-23 密封机理图,y值仅与垫片材料、 结构与厚度有关。,12,通入介质压力上升,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: 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
5、上的密封比压力仍能维持一定值以保持密封性能。,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。,引入概念2 “操作密封比压”：,（c）操作工况,（c）操作工况,4.3.4 密封装置设计,图4-23 密封机理图,13,防止流体泄漏的基本方法,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。,在密封口增加流体流动的阻力,泄漏时介质通
6、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,预紧比压力 y,操作密封比压 m,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,14,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。,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：
7、 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）。,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,15,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 度等许多因素有关，而 且m与y之间也存在内在 联系。,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,4.3.4.1 密封机理及分类,16,二、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,4.3.4.1 密封机理及分类,17,1、按获得密封比压力方法
8、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1.11.6倍。,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,4.3.4.1 密封机理及分类,18,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。,半自紧式密封,轴向自紧式密封,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。,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。,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,4
9、.3.4.1 密封机理及分类,19,4.3.4 密封装置设计,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。,过程设备设计,4.3.4.1 密封机理及分类,20,4.3.4.2 影响密封性能的主要因素,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,21,4.3.4 密封装置设计,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。,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。,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
10、垫片压紧实现初始密封。,一、螺栓预紧力,过程设备设计,4.3.4.2 影响密封性能的主要因素,22,4.3.4 密封装置设计,（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。 见表49，1943年Rossheim和Markl推荐而沿用至今。,（1）垫片变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。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。,二、垫片性能,过程设备设计,4.3.4.2 影响密
11、封性能的主要因素,23,4.3.4 密封装置设计,表49 垫片性能参数,过程设备设计,24,4.3.4 密封装置设计,表49 垫片性能参数（续）,过程设备设计,25,4.3.4 密封装置设计,表49 垫片性能参数（续）,过程设备设计,26,4.3.4 密封装置设计,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。,刚度不足：,过大的翘曲变形，密封失效的主要原因之一。,提高法兰刚度：,三、压紧面的质量,四、法兰刚度,增加法兰环的厚度、缩小螺栓中心圆直径、增大法兰环外径
12、； 采用带颈法兰或增大锥颈部分尺寸，提高抗弯能力。,过程设备设计,27,4.3.4 密封装置设计,图4-24 法兰的翘曲变形,过程设备设计,4.3.4.2 影响密封性能的主要因素,28,4.3.4 密封装置设计,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。,原因：,五、操
13、作条件,过程设备设计,4.3.4.2 影响密封性能的主要因素,29,4.3.4 密封装置设计,4.3.4.3 螺栓法兰连接设计,一、螺栓法兰连接的密封性设计,二、法兰结构类型及标准,三、法兰强度设计计算简述,过程设备设计,30,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,一、螺栓法兰连接的密封性设计,螺栓法兰连接 设计关键要解 决两个问题,1.保证连接处“紧密不漏”；,2.法兰应具有足够的强度， 不致因受力而破坏。,实际应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。,密封性能：,压紧面,垫片,4.3.4.3 螺栓法兰连接设计,31,（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
14、择。,全平面（a） 突面（b） 凹凸面（c） 榫槽面（d） 环连接面（或称T型槽）（e）等 其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。,形式：,图4-25,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,4.3.4.3 螺栓法兰连接设计,32,33,凹凸面法兰连接,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,34,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,榫槽面法兰连接,35,突面压紧面：,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（ 24条、宽深 为0.8mm0.4mm、截面为 三角形周向沟槽），防止非金 属垫片被挤出，适用更广。 容器法兰可用至6.
15、4MPa，管 法兰甚至可用至2542MPa， 但随着公称压力的提高，适用 的公称直径相应减小。,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。,凹凸压紧面：,榫槽压紧面：,各压紧面结构简介,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。,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,36,4.3.4 密封装置设计,基本要求：,根据：,选择：,垫片的结构形式、 材料、尺寸,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，在
16、工作温度下不易变质 硬化或软化、能重复使用等。 （表410 垫片选用表）,（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,过程设备设计,4.3.4.3 螺栓法兰连接设计,37,4.3.4 密封装置设计,根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺栓材料， 计算螺栓直径与个数， 按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸， 最后验算螺栓间距。,内容：,（3）螺栓设计,过程设备设计,4.3.4.3 螺栓法兰连接设计,38,a. 垫片压紧力,b.螺栓载荷计算,c. 螺栓设计,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,4.3.4.3 螺栓法兰连接设计,39,已知垫片材料的性能（m，y）及垫片的计算密封宽度，就可计算出一定直径和压力下垫片所需的压紧力。,a. 垫片压紧力,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计,4.3.4.3 螺栓法兰连接设计,40,4.3.4 密封装置设计,过程设备设计
