压力容器密封设计之密封机理及分类
压力容器的可拆密封装置形式很多,如中低压容器中的螺纹连接、承插式连接和螺栓法兰连接等,其中以结构简单、装配比较方便的螺栓法兰连接用得最普遍。螺栓法兰连接主要由法兰、螺栓和垫片组成,如图。
螺栓的作用有两个:一是提供预紧力实现初始密封,并保持操作时的密封;二是使螺栓法兰连接变为可拆连接。
垫片装在两个法兰中间,作用是防止容器发生泄漏。法兰上有螺栓孔,以容纳螺栓。螺栓力、垫片反力与作用在筒体中面上的压力载荷不在同一直线上,法兰受到弯矩的作用,会发生弯曲变形。
螺栓法兰连接设计的一般目的是:对于已知的垫片特性,确定安全、经济的法兰和螺栓尺寸,使接头的泄漏率在工艺和环境允许范围内,使接头内的应力在材料允许范围内,即确保密封性和结构完整性。
下面主要介绍密封装置的密封原理、影响密封的因素、密封结构的分类及选用原则、密封结构强度计算等内容。
1.密封机理及分类
(1)密封机理
下面以螺栓法兰连接结构为例,说明其密封机理。
流体在密封口泄漏有两条途径:
一是“渗透泄漏”,即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、黏度、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”;
二是“界面泄漏”,即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。
防止流体泄漏的基本方法是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。螺栓法兰连接的整个工作过程可用尚未预紧工况、预紧工况与操作工况来说明。
图4-23 (a)为尚未预紧的工况。将上、下法兰压紧面和垫片的接触处的微观尺寸放大,可以看到它们的表面是凹凸不平的,这些凹凸不平处就是流体泄漏的通道。图4-23 (b)为预紧工况。
拧紧螺栓,螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上。由于垫片的材料为非金属、有色金属或软钢,其强度和硬度比钢制的法兰低得多,因而当垫片表面单位面积上所受的压紧力达到一定值时,垫片便产生弹性或屈服变形,填满上、下压紧面处原有的凹凸不平处,堵塞了流体泄漏的通道,形成初始密封条件。
形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力,称为“垫片比压力”,用y 表示,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。
图4-23 (c)为操作工况。此时通入介质,随着介质压力的上升,一方面,介质内压引起的轴向力,将促使上下法兰的压紧面分离,垫片在预紧工况所形成的压缩量随之减少,压紧面上的密封比压力下降;另一方面,垫片预紧时的弹性压缩变形部分产生回弹,其压缩变形的回弹量补偿因螺栓伸长所引起的压紧面分离,使作用在压紧面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。
(2)密封分类
根据获得密封比压力方法的不同,压力容器密封可分为强制式密封和自紧式密封两种。强制式密封是完全依靠连接件的作用力(如扳紧连接螺栓的预紧力)强行挤压密封元件达到密封,因而需要较大的预紧力,预紧力约为工作压力产生的轴向力的1.1~1.6倍;而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,介质压力越高,密封越可靠,
因而密封所需的预紧力较小,通常在工作压力产生的轴向力的20%以下。自紧式密封根据密封元件的主要变形形式,又可分为轴向自紧式密封和径向自紧式密封,前者的密封性能主要依靠密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度来保证;后者则主要依靠密封元件的径向刚度小于被连接件的径向刚度来实现。
另外,还有一种半自紧式密封,其密封结构按分类原则属于非自紧式的强制式密封,但又具有一定的自紧性能,如高压容器密封中的双锥密封结构。
按被密封介质的压力大小,压力容器密封又可分为中低压密封和高压密封。中低压密封以螺栓法兰连接结构最为常用,它广泛应用于容器的开孔接管和封头与筒体的连接中,属于强制式密封。
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