几种常见的高压密封结构

对分式

引言
密封是防止气体、液体或者固体的泄漏与组织外部颗粒、流体进入密闭空间或管道系统的功用。能起密封作用的零部件称为密封件。较为复杂的密封连接称之为密封结构或密封装置。密封装置广泛地用于工业、农业、国防和人们的日常生活之中。现代化工、石油、航天、原子能及深海技术的迅速发展对设备的密封提出越来越高的要求。密封失效可能是造成能源和材料资源的浪费、环境的污染，甚至设备的报废和人员的伤亡。由于泄漏而造成的事故有很多，日本炼油行业今年来发生的燃烧爆炸事故70%是由泄漏造成的；美国挑战者号航天飞机的爆炸也是泄漏造成的灾难性事故之一。流体密封是一个复杂而较难解决的问题，密封的可靠性不仅与所采用的密封材质和密封元件有关，而且与连接结构形式、介质特性、工况条件等诸多因素有关。对于压力容器行业，密封的应用范围更加广泛，比如设备法兰和管法兰等等，如图1所示。

1 密封1.1 密封理论非接触型动密封的密封结构不同，密封机理相差很大，无法详细归类。对于接触型密封，无论动密封还是静密封都是固体间的接触密封，其密封机理的理论可以分为三类：阻断理论、自封理论和过盈理论[1]。（1）阻断理论 阻断理论认为，密封材料的密封作用，是由密封材料对于接合表面的接触压力和对于紧固外力的弹性回复力所共同形成的对内部介质的阻断作用而产生的。阻断理论主要适用于垫片静密封。对于垫片密封，密封原理分为两种：塑性面接触密封原理和弹性线接触密封原理。如图2（a）所示，为垫片塑性面接触密封，即由螺栓力使法兰将垫片压紧，垫片产生塑性变形，以填充密封面上的不平处，消除间隙。如图2（b）所示，为弹性线接触密封，即垫片与密封面为不同曲率的精密成型表面，相接触后构成闭合的圆形接触线，依靠接触线上的魏晓弹性变形来填塞密封线上不平出，达到消除间隙的目的。
（2）自封理论 当密封材料被安装到结合部位后，对接合表面产生一定的接触压力。当内部介质压力作用时，内压通过密封材料叠加到接触压力上，使密封材料与接合表面更好的贴合，增加了密封效果。（3）过盈理论 密封材料是具有过盈量的刃口结构，对轴接触面能够产生足够大的接触压力，达到密封的目的。油封是典型的过盈密封。1.2 密封分类密封的分类方法有很多。按所密封的介质可以分为液体密封、气体密封等；按密封压力可以分为高压密封、中低压密封、真空密封等；按接触面间的相对运动状态分为动密封和静密封。习惯上，常按后者分类，如图3所示。静密封是指密封面之间没有相对运动的密封；动密封是指密封接合面之间有相对运动，如旋转密封和活塞缸体密封等。静密封又可以作如图4的分类。图3 密封的分类图4 静密封的分类1.3 介质泄漏机理（1）穿漏[2]（Penetration） 流体通过密封面间隙的泄漏。成因：a.流体存在压力差△P；b.泄漏缝隙h；特点：单向泄漏，从高压侧到低压侧；泄漏量：是衡量密封装置密封性能的主要指标；单向周边泄漏量：（2）渗漏（Percolation） 在压力差△P的作用下，被密封流体通过密封件材料的毛细管的泄漏。成因：a.流体存在压力差△P；b.密封件材料毛细管；特点：单向分子泄漏；气体重量泄漏量：式中，r：毛细管或接触面毛细通道半径。2 高压容器常用的密封形式2.1 平垫密封金属平垫密封[3]是最常见的强制密封。预紧和工作压力下，依靠筒体端部大法兰上的主螺栓施加足够的压紧力来实现密封。预紧力的大小与垫片的宽度、垫片材料的屈服强度有关。工作时介质压力上升，轴向力通过顶盖传递至主螺栓，使主螺栓发生弹性伸长，垫片随之发生回弹，此时仍保持垫片上有一定的比压，方式如图5所示。平垫密封结构简单、加工方便、使用成熟，在直径小、压力不太高的场合密封可靠。当结构尺寸大压力高时，螺栓尺寸也较大，结构笨重，装拆不便，每次检修都要更换垫片。适用范围：用于温度低于200℃、压力小于32MPa、容器内径不大于800mm的场合。图5平垫密封形式2.2 双锥密封双锥密封是一种半自紧密封结构，保留了主螺栓。采用软钢和不锈钢制作双锥面密封垫，密封面为锥面。密封面上各开有两条半圆形或三角形沟槽，密封面上设有软金属垫片。双锥环用托环、螺钉固定在平盖上。双锥面的内圆柱面与平盖的圆柱支撑面的间隙应控制在一定范围，保证预紧时内圆柱与平盖贴紧，且双锥环不发生压缩屈服。当内压升高顶盖上浮时，一方面靠双锥环自身的弹性扩张而保持密封面上的比压；另一方面靠介质压力使双锥环沿径向向外扩张，使密封面上的密封比压进一步增大，进而达到密封效果，方式如图6所示。双锥密封的特点：加工精度要求不太高，生产周期短，可以用在较大的温度、压力、直径范围内，由于径向自紧作用，在压力和温度波动下密封性能良好，主螺栓预紧力比平垫密封小。但仍需大螺栓承受预紧力和轴向力，密封元件大，零件较多。图6 双锥密封形式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-圆筒端部；8-螺栓；9-托环2.3 “B”形环密封B形环密封是一种自紧密封，依靠B形环波峰和筒体、顶盖上的密封槽之间的径向过盈来产生密封面的初比压，以达到预密封。当内压作用后，B形环向外扩张，密封比压增加，保持很好的密封效果，其形式如图7所示。B形环密封的特点：对连接结构刚度要求低，适用于高压和温度波动较大的场合，压力越高、直径越大，密封效果越好。加工精度要求高，制造困难，拆卸不便，容易擦伤接触面。图7 “B”形环密封形式2.4 伍德密封伍德密封结构是一种最早使用的自紧式密封结构。安装时，将顶盖、压垫、四合环、牵制环依次装入，拧紧拉紧螺栓，使四合环贴住筒体，用牵制螺栓将顶盖吊起而压紧楔形压垫，达到初始预紧密封。操作时，压力载荷全部加到浮动顶盖上，密封比压随介质压力上升而增加，其形式如图8所示。伍德密封的特点：温度和压力波动时，能保持良好的密封性能；介质压力产生的轴向力通过顶盖传递给压垫和四合环，最后全部传递到上部筒体，没有主螺栓，密封可靠。但结构复杂笨重、零件多，加工精度要求高，安装要求高。图8 伍德密封形式1-       顶盖；2-预紧螺栓；3-螺母；4-支持环；5-四合环；6-拉紧螺栓；

7-

密封环；

8-

筒体端部

3 高压密封的发展趋势（1）顶盖置于筒体端部法兰内部并与法兰顶部齐平。在顶盖和筒体端部法兰的许多相对位置关系中，只有将顶盖置于简体端部法兰内部，并与法兰顶部齐平，才能使顶盖重量最轻，法兰高度最小。（2）内压所产生的轴向载荷和密封比压所产生载荷由不同零件承担，并采用轴向抗剪螺栓。顶盖与筒体端部之间的承力构件对高压密封装置的受力和装拆有很大影响，若设计得当，可使密封装置装拆方便，受力合理。（3）采用小环面密封，并能单独实现初始密封和预紧程度调节，减少密封面宽度，以及减小密封预紧作用力。将承力构件与密封元件截然分开，可以减轻螺栓载荷，消除承力构件加工精度对密封的影响，使两者的设计更加显得灵活。（4）利用内压的自紧作用，这是提高密封效果的一条最简单有效的途径，利用容器内压实现的自紧密封，压力越高，密封越可靠，而且适用于操作条件波动的情况。参考文献[1]蒋伟华.基于O形橡胶圈密封的高压容器设计和研究[D].浙江大学,2006:1-15.[2]彭旭东,王玉明,黄兴.密封技术的现状与发展趋势[J].液压气动与密封,2009,4:4-10.[3]杨宁.高压容器常见的密封形式与发展趋势分析[J].机械与电子,2011,19:132-133.