新型高壓容器頂蓋密封結(jié)構(gòu)分析研究

馬秀峰 郝紅親

摘 要：隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的逐步加快，以往傳統(tǒng)的壓力容器已經(jīng)不能滿足越來(lái)越高的容器壓力。因此，需要對(duì)以往的高壓容器密閉結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)分析，然后提出更高要求，更高質(zhì)量的容器頂蓋壓力結(jié)構(gòu)。本文首先分析了幾種傳統(tǒng)的高壓頂蓋密封結(jié)構(gòu)，提出了存在的不足，然后提出了兩種新型的高壓容器頂蓋密封機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：頂蓋；密封結(jié)構(gòu)

高壓密封結(jié)構(gòu)的密封好壞直接關(guān)系到容器使用安全，是整個(gè)高壓容器的核心部分，其密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，不僅只是影響容器的正常使用，還會(huì)對(duì)使用可靠性和安全性造成巨大隱患。

進(jìn)行高壓密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮各種影響因素，包括容器使用的環(huán)境，比如巨大的壓力，高溫甚至在溫度波動(dòng)劇烈的時(shí)候，都必須要確保容器安全使用，確保容器的密封性能。另外，除了具備相應(yīng)的密封可靠性，結(jié)構(gòu)必須盡量簡(jiǎn)單，以方便日常安裝、維護(hù)拆卸的方便快捷，檢修方便。

盡管對(duì)密封結(jié)構(gòu)的加工精度和光潔度不是很高，但是密封元件的材質(zhì)必須是耐介質(zhì)腐蝕，并能經(jīng)受多次重復(fù)使用的強(qiáng)度。針對(duì)生產(chǎn)生活的越來(lái)越高的要求，亟需滿足更高壓力要求的頂蓋密封結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)要求。

1 幾種傳統(tǒng)高壓容器頂蓋密封結(jié)構(gòu)分析及缺陷

1.1 平墊密封

金屬平墊密封是市場(chǎng)上多見(jiàn)的密封結(jié)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)屬于強(qiáng)制密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的密封原理比較簡(jiǎn)單，通過(guò)在預(yù)緊和工作壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力密封，其中預(yù)緊壓力和工作壓力來(lái)自筒體端部大法蘭上的主螺栓的壓緊力。影響結(jié)構(gòu)預(yù)緊力施加強(qiáng)度的大小的因素主要是墊片材料的屈服強(qiáng)度，另外，墊片的寬度也是重要的影響因素。金屬平墊密封的最大優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了施工組裝周期和難度，對(duì)于加工設(shè)備的要求不高，而且經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，加工技術(shù)比較成熟。由于金屬平墊的適用范圍較小，僅僅在溫度低于200℃、壓力小于32MPa、容器內(nèi)徑不大于800mm的環(huán)境中使用，因此，適用環(huán)境比較單一，當(dāng)壓力升高時(shí)，需要大容量加壓時(shí)，需要對(duì)螺栓進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，提高結(jié)構(gòu)尺寸，加大了密封結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，同時(shí)會(huì)加大結(jié)構(gòu)乃至整個(gè)容器的重量，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也給安裝拆卸帶來(lái)了諸多麻煩。

1.2 雙錐密封

雙錐密封是在保留了主螺栓結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上一種改進(jìn)的半自緊密封結(jié)構(gòu)，密封面呈兩條半圓形或三角形溝槽的組合結(jié)構(gòu)。其密封原理是在容器內(nèi)部壓力的高溫高壓環(huán)境下，雙錐環(huán)受熱膨脹，發(fā)生彈性形變，密封面的比壓加大。由于該結(jié)構(gòu)額密封墊材料是軟鋼和不銹鋼，密封面形狀為錐面，高壓環(huán)境會(huì)使雙錐環(huán)沿徑向向外擴(kuò)張，從而大大提高密封面上的密封比壓，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)所需要的密封效果。雙錐密封對(duì)環(huán)境的承受能力比較強(qiáng)，使用環(huán)境比較廣泛，尤其是超壓壓力、超高溫度環(huán)境和大直徑范圍的使用。此外，這種密封結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于加工組裝，加工精度要求也不高，在環(huán)境改變時(shí)候可以根據(jù)需要在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是對(duì)螺栓預(yù)緊力和軸向力要求很高，需要施加很大的密封壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)密封效果，同時(shí)結(jié)構(gòu)元件大且雜。

1.3 B形環(huán)密封

B形環(huán)密封對(duì)高溫環(huán)境的承受能力很強(qiáng)，即使在惡劣的環(huán)境下，密封效果依然保持穩(wěn)定的可靠性和安全性。B形環(huán)密封是一種自緊密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)連接結(jié)構(gòu)剛度不高，而且密封效果和環(huán)境壓力和溫度呈一定的正相關(guān)，壓力越高、直徑越大，結(jié)構(gòu)的密封效果越好。由于B形環(huán)密封的初比壓是依靠B形環(huán)波峰和筒體、頂蓋上的密封槽之間的徑向過(guò)盈來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)密封的，而密封環(huán)的加工精度要求高，對(duì)加工技術(shù)要求過(guò)高造成制造困難，同時(shí)拆卸不便給后續(xù)維修保養(yǎng)造成了一定的難度，容易擦傷接觸面。

2 D形螺栓連接C 形環(huán)高壓密封裝置

D形螺栓連接C 形環(huán)高壓密封裝置的頂蓋置于筒體端部法蘭內(nèi)，在減小頂蓋直徑和厚度的同時(shí)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的緊湊程度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量依然具有很好的性能。D形螺栓連接C 形環(huán)高壓密封裝置的頂蓋與端部法蘭內(nèi)部平齊，D形螺栓的連接螺孔的1/4圈在加工時(shí)置于端部法蘭上，頂蓋與端部法蘭之間的環(huán)隙中均布“偏心”安裝的D形螺栓。頂蓋與端部法蘭預(yù)留一定的間隙為C 形環(huán)和壓墊的安裝預(yù)留空間。

D形螺栓連接C 形環(huán)高壓密封裝置在介質(zhì)內(nèi)壓作用下，C 形環(huán)的通過(guò)自緊密封作用加大預(yù)緊螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)壓緊力。值得注意的是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝前，要調(diào)松頂蓋上的全部D 形螺栓，在法蘭腔內(nèi)裝入頂蓋組件，并進(jìn)行軸向，周向的定位。頂蓋與端部法蘭的拆卸比較簡(jiǎn)單時(shí)，只需將D 形螺栓按照反向旋轉(zhuǎn)約90°就可以去除端部法蘭內(nèi)的頂蓋組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)容器頂蓋的快速裝拆，而無(wú)需其他液壓扳手的輔助工具，同時(shí)，D型螺栓的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)構(gòu)件的加工難度和精度要求不高，應(yīng)用也比較廣泛，在各個(gè)行業(yè)如化工、能源等工程中的高壓和超高壓容器密封裝置上都有廣泛的應(yīng)用空間。

3 基于O形橡膠圈的新型高壓密封結(jié)構(gòu)

三重密封的0形橡膠圈由兩條密封溝槽內(nèi)設(shè)有與筒壁組成，膠圈沿平蓋的周向布置。在平蓋的抗剪環(huán)由均分的扇形環(huán)片和側(cè)面平行的圓環(huán)片以相間排列方式組成，單個(gè)扇形環(huán)片和圓環(huán)片的徑向設(shè)有螺孔。徑向密封通過(guò)尺寸鏈大大增強(qiáng)了預(yù)緊密封的壓縮率，提高了徑向三密封可靠性；托架上的徑向密封和軸向兩個(gè)方向的密封實(shí)現(xiàn)了密封結(jié)構(gòu)完整密封。

4 結(jié)語(yǔ)

文章提出的兩種高壓密封結(jié)構(gòu)密封可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，除去了高壓密封傳統(tǒng)的金屬墊片或墊塊。利用導(dǎo)向螺桿在筒體外部操作抗剪環(huán)的拆裝，易于安裝和拆卸，將是這個(gè)階段高壓容器頂蓋密封結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?jiān)菩ぃ惼剑X才富.新型D形螺栓高壓密封結(jié)構(gòu)[J].化工設(shè)備與管道，2005（03）.

[2]胡殿印，王榮橋，任全彬，洪杰.橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（02）.

[3]蔣偉華.基于O形橡膠圈密封的高壓容器設(shè)計(jì)和研究[D].浙江大學(xué)，2006.