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1、3.1.3 高压设备的法兰密封高压设备的法兰密封 特点：特点： a 金金属属垫垫片片 高高压压密密封封的的垫垫片片比比压压很很高高，非非金金属属垫垫片片会会压压溃溃，无无法法满满足足，采采用用软软金金属属退退火火铝铝、退退火火紫紫铜、软钢及不锈钢铜、软钢及不锈钢 b 窄窄面面密密封封 提提高高垫垫片片比比压压，减减小小螺螺栓栓力力，有有时时采采用用线接触代替窄面密封线接触代替窄面密封 c 尽尽可可能能采采用用自自紧紧密密封封 利利用用介介质质压压力力在在密密封封部部位位产产生生附附加加大大密密封封比比压压，以以阻阻止止介介质质泄泄漏漏。介介质质压压力力越越高高，垫垫片片压压得得越越紧紧，密密封
2、封就就越越可可靠靠。预预紧紧力力小小，紧紧固件尺寸小。固件尺寸小。 1 高压容器密封结构的特点与选用高压容器密封结构的特点与选用1 高压密封的分类高压密封的分类高压密封的分类高压密封的分类 a 强强制制密密封封：依依靠靠拧拧紧紧主主螺螺栓栓使使顶顶盖盖、密密封封元元件件和和筒筒体体端端部部之之间间具具有有一一定定的的密密封封比比压压，从从而而实现密封。实现密封。需要有大的主螺栓。需要有大的主螺栓。 b 自自紧紧密密封封：利利用用其其结结构构特特点点，使使垫垫片片、顶顶盖盖和和筒筒体体端端部部之之间间的的密密封封比比压压随随工工作作压压力力的的升升高高而而增增大大。预预紧紧时时，为为建建立立初初
3、始始密密封封所所需需要要施施加加大螺栓力较小，故螺栓直径小。大螺栓力较小，故螺栓直径小。 c 半半自自紧紧密密封封：利利用用螺螺栓栓预预紧紧载载荷荷使使密密封封元元件件产产生生变变形形并并提提供供建建立立初初始始密密封封的的比比压压，当当压压力力升升高高后后，由由于于密密封封结结构构的的自自紧紧作作用用，密密封封面面上上的的密密封封比比压压也也随随之之上上升升，从从而而保保证证连连接接的的密密封封性能。性能。2 高压密封的结构高压密封的结构高压密封的结构高压密封的结构 a 平垫密封平垫密封(属属 强强 制制 密密封）封）大的主螺栓，大的主螺栓，温度低于温度低于200，压力低于压力低于32MPa
4、，容器内径小于容器内径小于800mm3b b卡扎里密封卡扎里密封卡扎里密封卡扎里密封（强制密封）强制密封）强制密封）强制密封）螺纹套筒，螺纹套筒，螺纹套筒，螺纹套筒，拧紧方便，拧紧方便，拧紧方便，拧紧方便，但易锈蚀难以拆卸。但易锈蚀难以拆卸。但易锈蚀难以拆卸。但易锈蚀难以拆卸。4 改进的卡扎里密封改进的卡扎里密封改进的卡扎里密封改进的卡扎里密封 依旧采用主螺栓，依旧采用主螺栓，但不需拧得很紧，但不需拧得很紧，拆卸方便拆卸方便 5C C 双锥环密封双锥环密封双锥环密封双锥环密封 （半半自自紧紧密密封封），有有主主螺螺栓栓，密密封封面面上上垫垫软软金金属属材材料料，如如退退火火铝铝，退退火紫铜，不
5、锈钢。火紫铜，不锈钢。 内内压压升升高高平平盖盖上上浮浮，双双锥锥环环自自身身的的弹弹性性扩扩张张保保持持密密封封环环压压紧紧力力，又又靠靠介介质质压压力力使使双双锥锥环环径径向向扩扩张张，进进一一步步增增强强双双锥环密封面上的压紧力。锥环密封面上的压紧力。 压力范围大，温度压力范围大，温度高，直径大。高，直径大。6d d 伍德密封伍德密封伍德密封伍德密封最早出现的自紧式最早出现的自紧式最早出现的自紧式最早出现的自紧式密封结构密封结构密封结构密封结构 预预紧紧靠靠牵牵制制螺螺栓栓实实现现，操操作作随随着着压压力力增增加加，压压紧力增大，实现密封紧力增大，实现密封 全全自自紧紧，无无主主螺螺栓栓
6、，密密封效果好，结构笨重封效果好，结构笨重 7e Ce C形环密封形环密封形环密封形环密封 自紧密封自紧密封自紧密封自紧密封 预紧时：预紧时：C形环受形环受到弹性轴向压缩到弹性轴向压缩 操作时：操作时：顶盖上浮，顶盖上浮，一方一方面密封环回弹张开，另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面内压作用在环的内腔使环进一步张开，使线接触，且进一步张开，使线接触，且压力越高压得越紧。压力越高压得越紧。 应用：小直径容器，应用：小直径容器，32MPa，350以下以下8f “O”形环密封形环密封 空心金属空心金属“O”形形环为无缝金属圆环为无缝金属圆管弯制而成管弯制而成 9g 三角垫密封三角
7、垫密封l预紧时，三角垫受轴预紧时，三角垫受轴向压缩与上下槽贴紧，向压缩与上下槽贴紧，实现初始密封实现初始密封l操作时，介质压力使操作时，介质压力使三角垫向外弯曲，两三角垫向外弯曲，两斜面与斜面与V形槽贴紧，形槽贴紧，压力越高，贴得越紧。压力越高，贴得越紧。10h 其它形式的高压密封其它形式的高压密封11高压管道的透镜垫密封高压管道的透镜垫密封122 典型高压容器密封结构的螺栓载荷计算典型高压容器密封结构的螺栓载荷计算 高压平垫片密封高压平垫片密封 a 预紧状态：预紧状态： 要求垫片上有足够的密封比压要求垫片上有足够的密封比压q0，主螺栓的预主螺栓的预紧载荷为紧载荷为式中：式中：D DG G密封
8、面平均直径；密封面平均直径；b b垫片宽度；垫片宽度； q q0 0垫片材料的预紧密封比压垫片材料的预紧密封比压13 b 操作状态操作状态 主螺栓所受载荷为内压引起的轴向载荷和为保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，即载荷之和，即q q垫片材料的工作密封比压垫片材料的工作密封比压取取W1和和W2之中的大者作为螺栓的设计载荷之中的大者作为螺栓的设计载荷14 双锥环密封双锥环密封 15a 预紧状态：预紧状态：为保证密封，预紧时在锥面上必须施加的压紧力为保证密封，预紧时在锥面上必须施加的压紧力式中：式中
9、： W016容器封头有下移的趋势，容器封头有下移的趋势，相对封头双锥环有上升相对封头双锥环有上升的的 趋势，有摩擦力趋势，有摩擦力F，F与与W0的合力的合力G0为为双锥环材料与封头材料之间的摩擦角双锥环材料与封头材料之间的摩擦角 1718W0的轴向分力即为主螺栓在预紧时所受的载荷的轴向分力即为主螺栓在预紧时所受的载荷W119 为了获得最大的回弹力，在预紧时一般将双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锥环压缩至径向间隙2e被完全消除。在被完全消除。在2e的径向的径向变形下，双锥环的周向应变为：变形下，双锥环的周向应变为：相应的周向应力相应的周向应力 ER双锥环材料的弹性模量双
10、锥环材料的弹性模量 20取半个圆环为研究对象取半个圆环为研究对象取半个圆环为研究对象取半个圆环为研究对象回弹力回弹力回弹力回弹力V VR R与周向应力的关系与周向应力的关系与周向应力的关系与周向应力的关系式中：式中：FR双锥环截面积双锥环截面积 21回弹力作用在上下两个锥面，每个锥面承担的回回弹力作用在上下两个锥面，每个锥面承担的回弹力为弹力为故计算预紧螺栓力按故计算预紧螺栓力按W1即可即可 一般情况下一般情况下此时相应地需要螺栓施加的轴向载荷为：此时相应地需要螺栓施加的轴向载荷为： 22b 操作状态操作状态 ii 内压对双锥环的径向自紧力产生的轴向力内压对双锥环的径向自紧力产生的轴向力 介质
11、压力作用在双锥环内表面的载荷为介质压力作用在双锥环内表面的载荷为 式中式中 b b双锥环的有效高度，双锥环的有效高度，i 介质作用在封头上引起的轴向载荷介质作用在封头上引起的轴向载荷: 23p24Q2 双锥环一个锥面受到径向推力为双锥环一个锥面受到径向推力为合力再分解即为合力再分解即为Q2锥面上的法向力锥面上的法向力G摩擦力摩擦力F25iii 径向回弹自紧力引起的轴向力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。柱表面仍然和封头接触，即间隙为零。作用在一个锥面作用在一个锥面上的回弹力为上的回弹力为 2
12、6将回弹状态下锥面上的法向力和摩擦力的合力再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分解到轴向，得到回弹产生的轴向力为 Q327操作时主螺栓的总载荷为操作时主螺栓的总载荷为取取W1和和W2中的较大者作为螺栓的设计载荷。中的较大者作为螺栓的设计载荷。 28操作时的密封比压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。表面的向外扩张力和环的回弹力引起的。即由即由V/2=Vp/2+VR/2 引起引起Q329操作时的密封比压为操作时的密封比压为为保证密封，要求为保证密封，要求qsq30复习题复习题1.什么是强制密封和自紧密封？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？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？其结构有什么自紧密封有哪些主要结构型式？其结构有什么特点？特点？4.双锥环密封预紧和操作时螺栓载荷各有哪些部双锥环密封预紧和操作时螺栓载荷各有哪些部分构成？分构成？5.操作时的密封比压是由什么力引起的？操作时的密封比压是由什么力引起的？31
