密封装置设计.doc

4.3.4 密封装置设计 4.3.4 密封装置设计 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。 原理：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。性能：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 。 失效形式:主要表现为泄漏,泄漏量控制在工艺和环境允许的范围内。 本节内容提纲 4.3.4.1 密封机理及分类4.3.4.2 影响密封性能的主要因素4.3.4.3 螺栓法兰连接设计4.3.4.4 高压密封设计 图4-22 螺栓法兰连接结构1-螺栓；2-垫片；3-法兰 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。渗透泄漏: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”； 界面泄漏: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。 螺栓法兰连接的整个工作过程可用：图4-23尚未预紧工况、预紧工况、操作工况来说明 （a）尚未预紧的工况 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。 （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，形成初始密封条件。 引入概念1“预紧比压y”： 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。y值仅与垫片材料、 结构与厚度有关。 （c）操作工况 通入介质，压力上升导致:一方面，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。另一方面，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以保持密封性能。引入概念2“操作密封比压”：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。防止流体泄漏的基本方法:在密封口增加流体流动的阻力 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。 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：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。 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窜有关，而且m与y之间也存在内在联系。 （a）尚未预紧工况 （b）预紧工况 （c）操作工况 ? 二、密封分类 1、按获得密封比压力方法的不同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1.1～1.6倍。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。轴向自紧式密封：密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度。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。半自紧式密封：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 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。 4.3.4.2 影响密封性能的主要因素 一、螺栓预紧力 1、预紧力使垫片压紧实现初始密封。2、适当提高预紧力可增加垫片的密封能力