密封是防止氣體、液體或者固體的泄漏與組織外部顆粒、流體進(jìn)入密閉空間或管道系統(tǒng)的功用。能起密封作用的零部件稱(chēng)為密封件。較為復(fù)雜的密封連接稱(chēng)之為密封結(jié)構(gòu)或密封裝置。
密封裝置廣泛地用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和人們的日常生活之中。現(xiàn)代化工、石油、航天、原子能及深海技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)設(shè)備的密封提出越來(lái)越高的要求。密封失效可能是造成能源和材料資源的浪費(fèi)、環(huán)境的污染,甚至設(shè)備的報(bào)廢和人員的傷亡。由于泄漏而造成的事故有很多,日本煉油行業(yè)今年來(lái)發(fā)生的燃燒爆炸事故70%是由泄漏造成的;美國(guó)挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)的爆炸也是泄漏造成的災(zāi)難性事故之一。流體密封是一個(gè)復(fù)雜而較難解決的問(wèn)題,密封的可靠性不僅與所采用的密封材質(zhì)和密封元件有關(guān),而且與連接結(jié)構(gòu)形式、介質(zhì)特性、工況條件等諸多因素有關(guān)。
對(duì)于壓力容器行業(yè),密封的應(yīng)用范圍更加廣泛,比如設(shè)備法蘭和管法蘭等等
1、密封
1)密封理論
非接觸型動(dòng)密封的密封結(jié)構(gòu)不同,密封機(jī)理相差很大,無(wú)法詳細(xì)歸類(lèi)。對(duì)于接觸型密封,無(wú)論動(dòng)密封還是靜密封都是固體間的接觸密封,其密封機(jī)理的理論可以分為三類(lèi):阻斷理論、自封理論和過(guò)盈理論[1]。
(1)阻斷理論
阻斷理論認(rèn)為,密封材料的密封作用,是由密封材料對(duì)于接合表面的接觸壓力和對(duì)于緊固外力的彈性回復(fù)力所共同形成的對(duì)內(nèi)部介質(zhì)的阻斷作用而產(chǎn)生的。阻斷理論主要適用于墊片靜密封。對(duì)于墊片密封,密封原理分為兩種:塑性面接觸密封原理和彈性線(xiàn)接觸密封原理。如圖2(a)所示,為墊片塑性面接觸密封,即由螺栓力使法蘭將墊片壓緊,墊片產(chǎn)生塑性變形,以填充密封面上的不平處,消除間隙。如圖2(b)所示,為彈性線(xiàn)接觸密封,即墊片與密封面為不同曲率的精密成型表面,相接觸后構(gòu)成閉合的圓形接觸線(xiàn),依靠接觸線(xiàn)上的魏曉彈性變形來(lái)填塞密封線(xiàn)上不平出,達(dá)到消除間隙的目的。
(2)自封理論
當(dāng)密封材料被安裝到結(jié)合部位后,對(duì)接合表面產(chǎn)生一定的接觸壓力。當(dāng)內(nèi)部介質(zhì)壓力作用時(shí),內(nèi)壓通過(guò)密封材料疊加到接觸壓力上,使密封材料與接合表面更好的貼合,增加了密封效果。
(3)過(guò)盈理論
密封材料是具有過(guò)盈量的刃口結(jié)構(gòu),對(duì)軸接觸面能夠產(chǎn)生足夠大的接觸壓力,達(dá)到密封的目的。油封是典型的過(guò)盈密封.
2)密封分類(lèi)
密封的分類(lèi)方法有很多。按所密封的介質(zhì)可以分為液體密封、氣體密封等;按密封壓力可以分為高壓密封、中低壓密封、真空密封等;按接觸面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為動(dòng)密封和靜密封。習(xí)慣上,常按后者分類(lèi),如圖3所示。靜密封是指密封面之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封;動(dòng)密封是指密封接合面之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),如旋轉(zhuǎn)密封和活塞缸體密封等。
3)介質(zhì)泄漏機(jī)理
(1)穿漏[2](Penetration) 流體通過(guò)密封面間隙的泄漏
成因:a.流體存在壓力差△P;b.泄漏縫隙h;
特點(diǎn):?jiǎn)蜗蛐孤?,從高壓?cè)到低壓側(cè);
泄漏量:是衡量密封裝置密封性能的主要指標(biāo);
(2)滲漏(Percolation) 在壓力差△P的作用下,被密封流體通過(guò)密封件材料的毛細(xì)管的泄漏
成因:a.流體存在壓力差△P;b.密封件材料毛細(xì)管;
特點(diǎn):?jiǎn)蜗蚍肿有孤?/p>
2、高壓容器常用的密封形式
1)平墊密封
金屬平墊密封[3]是最常見(jiàn)的強(qiáng)制密封。預(yù)緊和工作壓力下,依靠筒體端部大法蘭上的主螺栓施加足夠的壓緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。預(yù)緊力的大小與墊片的寬度、墊片材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)。工作時(shí)介質(zhì)壓力上升,軸向力通過(guò)頂蓋傳遞至主螺栓,使主螺栓發(fā)生彈性伸長(zhǎng),墊片隨之發(fā)生回彈,此時(shí)仍保持墊片上有一定的比壓,方式如圖5所示。
平墊密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、使用成熟,在直徑小、壓力不太高的場(chǎng)合密封可靠。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸大壓力高時(shí),螺栓尺寸也較大,結(jié)構(gòu)笨重,裝拆不便,每次檢修都要更換墊片。
適用范圍:用于溫度低于200℃、壓力小于32MPa、容器內(nèi)徑不大于800mm的場(chǎng)合。
2)雙錐密封
雙錐密封是一種半自緊密封結(jié)構(gòu),保留了主螺栓。采用軟鋼和不銹鋼制作雙錐面密封墊,密封面為錐面。密封面上各開(kāi)有兩條半圓形或三角形溝槽,密封面上設(shè)有軟金屬墊片。雙錐環(huán)用托環(huán)、螺釘固定在平蓋上。雙錐面的內(nèi)圓柱面與平蓋的圓柱支撐面的間隙應(yīng)控制在一定范圍,保證預(yù)緊時(shí)內(nèi)圓柱與平蓋貼緊,且雙錐環(huán)不發(fā)生壓縮屈服。當(dāng)內(nèi)壓升高頂蓋上浮時(shí),一方面靠雙錐環(huán)自身的彈性擴(kuò)張而保持密封面上的比壓;另一方面靠介質(zhì)壓力使雙錐環(huán)沿徑向向外擴(kuò)張,使密封面上的密封比壓進(jìn)一步增大,進(jìn)而達(dá)到密封效果,方式如圖6所示。
雙錐密封的特點(diǎn):加工精度要求不太高,生產(chǎn)周期短,可以用在較大的溫度、壓力、直徑范圍內(nèi),由于徑向自緊作用,在壓力和溫度波動(dòng)下密封性能良好,主螺栓預(yù)緊力比平墊密封小。但仍需大螺栓承受預(yù)緊力和軸向力,密封元件大,零件較多。
1-主螺母;2-墊圈;3-主螺栓;4-平蓋;5-雙錐環(huán);6-軟金屬墊片;7-圓筒端部;8-螺栓;9-托環(huán)
3)“B”形環(huán)密封
B形環(huán)密封是一種自緊密封,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)產(chǎn)生密封面的初比壓,以達(dá)到預(yù)密封。當(dāng)內(nèi)壓作用后,B形環(huán)向外擴(kuò)張,密封比壓增加,保持很好的密封效果,其形式如圖7所示。
B形環(huán)密封的特點(diǎn):對(duì)連接結(jié)構(gòu)剛度要求低,適用于高壓和溫度波動(dòng)較大的場(chǎng)合,壓力越高、直徑越大,密封效果越好。加工精度要求高,制造困難,拆卸不便,容易擦傷接觸面。
4)伍德密封
伍德密封結(jié)構(gòu)是一種最早使用的自緊式密封結(jié)構(gòu)。安裝時(shí),將頂蓋、壓墊、四合環(huán)、牽制環(huán)依次裝入,擰緊拉緊螺栓,使四合環(huán)貼住筒體,用牽制螺栓將頂蓋吊起而壓緊楔形壓墊,達(dá)到初始預(yù)緊密封。操作時(shí),壓力載荷全部加到浮動(dòng)頂蓋上,密封比壓隨介質(zhì)壓力上升而增加,其形式如圖8所示。
伍德密封的特點(diǎn):溫度和壓力波動(dòng)時(shí),能保持良好的密封性能;介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向力通過(guò)頂蓋傳遞給壓墊和四合環(huán),最后全部傳遞到上部筒體,沒(méi)有主螺栓,密封可靠。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重、零件多,加工精度要求高,安裝要求高。
1-頂蓋;2-預(yù)緊螺栓;3-螺母;4-支持環(huán);5-四合環(huán);6-拉緊螺栓;7-密封環(huán);8-筒體端部
3、高壓密封的發(fā)展趨勢(shì)
(1)頂蓋置于筒體端部法蘭內(nèi)部并與法蘭頂部齊平。在頂蓋和筒體端部法蘭的許多相對(duì)位置關(guān)系中,只有將頂蓋置于簡(jiǎn)體端部法蘭內(nèi)部,并與法蘭頂部齊平,才能使頂蓋重量最輕,法蘭高度最小。
(2)內(nèi)壓所產(chǎn)生的軸向載荷和密封比壓所產(chǎn)生載荷由不同零件承擔(dān),并采用軸向抗剪螺栓。頂蓋與筒體端部之間的承力構(gòu)件對(duì)高壓密封裝置的受力和裝拆有很大影響,若設(shè)計(jì)得當(dāng),可使密封裝置裝拆方便,受力合理。
(3)采用小環(huán)面密封,并能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)初始密封和預(yù)緊程度調(diào)節(jié),減少密封面寬度,以及減小密封預(yù)緊作用力。將承力構(gòu)件與密封元件截然分開(kāi),可以減輕螺栓載荷,消除承力構(gòu)件加工精度對(duì)密封的影響,使兩者的設(shè)計(jì)更加顯得靈活。
(4)利用內(nèi)壓的自緊作用,這是提高密封效果的一條最簡(jiǎn)單有效的途徑,利用容器內(nèi)壓實(shí)現(xiàn)的自緊密封,壓力越高,密封越可靠,而且適用于操作條件波動(dòng)的情況。