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1、1,化工流体密封,2,概述,1.密封的用场：所有阻止流体通过的场合，具有密封要求。例如：流体动力机械上、工艺设备上、液压设备上、管道阀门等等。挑战者号火箭发射失败密封胶圈；波音飞机漏油坠海；大石化阀门泄露空中爆炸；人体瓣膜漏血。.,3,2.密封的功能把不同压力的空间相互隔开。3.密封的研究、设计交叉学科。4.对密封的一般要求：1）可靠的密闭性；2）结构可靠、耐用、简单；3）成本低廉、便于检修；4）零件标准化、系列化。,4,第一章 密封的机理、方式及分类,一.密封的机理1.有通道流动泄露的条件：1）动力介质压差；2）通道间隙或毛细管；3）压差通道阻力。特点：泄漏是单向的。间隙泄露称为穿漏，泄漏量
2、h3；毛细管泄露渗漏，泄漏量r3。,5,2.分子扩散,例：原子能反应堆的容器壁厚很大；加氢设备壁厚非常规设计壁厚；放射实验室的墙壁要放置铅板；泄露的条件：1）动力介质的浓度差；2）具有高渗透性的物质，如氢、氦放射性物质等；3）途径间隙、毛细管（以吸附渗透扩散。）特点：扩散是双向的。,6,3.泄漏量级与目测之间定向关系,7,二.密封方式,1.全密封或部分密封2.填塞或阻塞3.分隔或间隔4.引出或引入5.流阻或反输6.贴合或粘合7.焊合或压合8.组合式,8,三.密封的分类,9,第二章 流体静密封,2.1 法兰连接2.1.1.法兰连接结构与密封原理1.连接结构：,10,法兰连接结构（外观）,11,法
3、兰连接结构（剖开看）,12,2.法兰密封原理,法兰密封面泄漏的原因：密封垫表面与法兰密封面之间有空隙,或截面内有毛细管泄漏通道。密封面两侧介质有压差推动力。从法兰密封连接过程看其密封原理：（1）安装过程拧紧螺栓,垫片被压紧（垫内毛细管被切断；消除了与法兰密封面之间的空隙）。垫片单位面积上所受的压紧力，称为垫片密封比压。当垫片密封比压达到某一值时，便具备了初始密封条件，此时的比压称为预紧密封比压。,13,（2）工作条件下介质压力和温度均升高。,螺栓被拉伸，法兰变形，法兰密封面相对有分离趋势。致使垫片比压下降。垫片回弹，补偿或部分补偿了法兰分离的位移。此时的残余比压若不小于某一值（称为工作密封比压
4、），仍可保持良好密封状态。否则，将发生泄漏。,14,2.1.2.法兰分类,1.整体法兰法兰与设备或管道不可拆卸。1）平焊法兰板式平焊法兰，带颈平焊法兰,15,2）.对焊法兰,16,2.松套法兰,平焊环松套板式,翻边松套板式,17,3.螺纹法兰法兰与设备或管道之间以螺纹连接。,18,2.1.3 影响法兰密封的因素,因素1.螺栓预紧力大小合适。垫片受力均匀。螺栓采取小直径多数量(四的倍数），对称拧紧的方法。,19,因素2.法兰密封面形式,20,因素3.垫片性能,垫片密封面的塑性变形能力 实现初始密封；垫片材料及结构的回弹能力 提高工作状态下的残余密封比压。耐腐蚀能力。力学性能，尤其抗高温蠕变能力。
5、工作温度下的变质硬化或软化性。,21,垫片类型：,垫片压缩-回弹性能,22,23,24,25,因素4.法兰的刚度法兰在外力作用下抵抗变形的能力。刚度小受力後变形大，垫片受力不均，易泄漏。,法兰受力,思考：法兰将如何变形？,26,法兰变形1:,法兰轴向翘曲变形,27,法兰变形2,法兰环向翘曲变形,28,如何提高法兰刚度？,增加法兰厚度；减小螺栓力与垫片力作用点间距离；增大法兰盘外径；螺栓数量要足够。,29,因素五.操作条件,压力高介质泄漏的推动力大。温度高 介质的粘度低，渗透性强，容易泄漏；介质的腐蚀性能增强；法兰、螺栓及垫片易发生蠕变，垫片比压下降；非金属垫片易发生老化，丧失塑性。温度压力联合
6、作用，并且反复波动，垫片容易发生“疲劳”失效。,30,2.1.4 法兰标准,1.压力容器法兰标准,1）甲型平焊法兰,31,2）乙型平焊法兰,3）长颈对焊法兰,32,压力容器法兰的选用,确定法兰连接尺寸的基本参数：公称压力（PN）和公称直径（DN)。.公称直径的确定：管法兰与相联接管子的公称直径相同；压力容器法兰 板卷筒体，与相联接筒体的公称直径相同；无缝钢管作筒体，与相联接无缝管的公称直径相同。,33,法兰公称压力的确定：,.公称压力的确定：基准：以16MnR在 200时的力学性能为基准确定法兰尺寸系列。即基准条件下，法兰的最大允许操作压力为该法兰的公称压力。,34,确定压力容器法兰PN JB
7、4700-92(见书P156,P329),（1）.压力容器法兰材质为20R，300 时设计压力为1.0MPa。其公称压力应该为多少？（2）管法兰材质为Q235-A,选用PN=0.6MPa，问300时能否承受0.4MPa的工作压力？,判断一下：,35,36,压力容器法兰设计步骤：,（1）确定DN;（2）根据法兰材质、工作温度和最高工作压力，确定PN；（3）由PN,DN确定法兰形式及连接尺寸、螺栓尺寸及数量。（4）根据介质工作温度、工作压力确定密封面及垫 片类型；（5）确定螺栓、螺帽材质；（6）绘制草图。,37,2.管法兰,管法兰标准：1）HG205922063597 钢制管法兰、垫片、紧固件2）
8、GB91129123 钢制管法兰注：压力容器安全技术监察规程推荐1）。,38,我国管法兰标准,39,管法兰和管子的公称直径（通经）以及钢管外径（HG20592-97）,A英制管；B公制管,40,密封面形式与相应的公称直径、公称压力等级,41,管法兰类型代号,42,法兰类型、密封面形式及公称压力等级,43,a.板式平焊,HG20592-97 管法兰类型：,b.带颈对焊法兰,44,c.带颈平焊,d.承插焊,e.平焊环松套板式,f.翻边松套板式,45,g.螺纹法兰,方法兰,椭圆形法兰,h.法兰盖,46,例题为一台精流塔配一对连接塔身与封头的法兰。塔的内径为1000mm,操作温度为280，设计压力为0
9、.2MPa。塔体材质为Q235-B。介质无腐蚀性及其他危害。,解：1.确定DN DN=1000mm（板卷筒体）。2.确定PN 法兰材质也采用Q235-BR,根据操作温度（280C）及设计压力（0.2MPa)，查温度/压力表（JB4700-92),得PN=0.6(MPa)。3.由DN和PN，查尺寸标准JB4701-92,确定连接尺寸及螺栓的规格数量。,螺栓M20,36个,47,4.确定密封面形式及垫片。查表6-1，确定采用平形密封面，垫片采用耐油橡胶石棉垫。垫片尺寸由相应标准确定。表6-3 给出参考宽度值：20mm。5.确定螺栓螺帽材质。由相应标准查得。表6-6给出参考值：螺栓螺母均为Q235-
10、A。6.绘草图。,48,2.2 高压容器的密封,概述高压容器密封设计的着眼点：1）尽量减小密封口径；2）尽量利用自身压力来提高垫片密封比压。按密封作用力的方式分为：1）强制密封平垫、透镜垫、卡扎里等；2）半自紧式密封双锥环、八角垫等；3）自紧式密封C、O、三角形、伍德式等。国内用得较为广泛的？,49,高压密封的设计原则：1）保证密封适应环境变化；2）结构简单安装检修方便；3）便于加工精度不高；4）结构紧凑占用高压空间小；5）耐腐蚀保证使用寿命，重复使用。,50,2.2.1 金属平垫密封,1.密封结构,51,2.使用范围及材料选择,52,垫片材质：1）退火铝，HB1530；2）退火紫铜，HB30
11、50；3）10号钢。,3.主螺栓计算预紧时，把紧螺栓，垫片为支点。,DG垫片平均直径；b垫片宽度；y初始密封比压。,螺栓力：,53,操作状态下：充压后，法兰有分离倾向，垫片回弹，有残余比压。,P为介质压力引起的轴向力,垫片密封力：,式中 b垫片有效密封宽度，与垫片的接触宽度N和基本密封宽度b0有关。b的取值：b06.4mm时，b=b0；b06.4mm时，,54,55,56,主螺栓结构：,光杆部分的直径：,取两者中较大者。螺栓数n为4的倍数。推荐直径系列：M36 3；M423；M523；M643 M804；M1054；M1254,57,二.双锥环密封,半自紧式密封。1.适用范围：设计压力：6.4
12、35MPa；设计温度：0400；封口直径：4002000,2.结构：,58,3.工作原理：,预紧时拧紧螺栓，压紧顶盖 双锥环径向弹性收缩，内侧靠紧顶盖 实现初始密封。压力升高环径向扩张（压力+回弹）弥补了顶盖与端法兰分离以及比压的下降。,环的径向回弹；介质压力扩张。,自紧来自哪里？,间隙量：过大环会发生失稳（环向压缩）；过小预紧比压不够，不能实现初始密封。取值：（0.10.15%）Di Di双锥环内经。,59,双锥密封环密封特点：,60,4.双锥环材料,1.双锥环：材料要韧性好满足回弹要求。推荐：25，35，20MnMo，20CrMo，15CrMo,1Cr18Ni9Ti等。2.软金属垫：推荐：
13、退火铝，退火紫铜，工业纯铁，奥氏体不锈钢，银等。,61,5.双锥环的结构尺寸,其中m环截面中点的弯曲应力。一般为50100MPa。,62,6.筒体端部设计,1).主螺栓：主螺栓光杆部分直径：,其中 Am主螺栓截面积。,取值：minAa,Ap,Aa预紧所需最小截面积；Ap操作状态下所需螺栓最小截面积。,其中,63,y预紧密封比压，带铝软垫时取78.4MPa；锥角，取摩擦角。,！主螺栓的螺纹小径不小于光杆部分直径，推荐采用细牙螺纹。例如:M644,M804,M1054,M1254,64,2).主螺母,应注意：其硬度应低于螺栓。尺寸：螺母高度：a=(1.01.1)dB dB螺纹外径 外接圆直径：D=
14、(1.701.75)dB,65,3)筒端尺寸Db=D2+1.5dBD0=Db+1.8dB有效螺纹深度h1(1.31.5)Db螺孔深：hs=h1+工艺需要的无效长度r0.8L=50mm,h=,=30时，hhs+0.5dB；,=45时,hhs+dB,66,7.平盖的设计,厚度：预紧状态：,操作状态：,67,8.影响双锥环密封的因素,1）环的结构的影响由径向平衡：,结构自紧系数，一般2。,68,另外，双锥环锥面贴合程度对密封性能有一定影响。,升压前：,升压后：,69,所以,锥环,顶盖锥面：,70,2）间隙的影响,过大双锥环失稳；过小回弹力小，自紧作用小。,3）主螺栓预紧力的影响一旦在操作中出现泄漏，
15、再拧紧螺栓是没有用的。加大预紧力可以提高临界泄漏压力，但不降低操作时的泄漏率。,71,5）温度影响高温时的泄漏量低于常温。金属软垫片在高温下变软，更易填满密封面的不平处。,4）多次升降压的影响升压时，双锥环产生滑移泄漏量最大；每降一次压力，螺栓预紧力便降低410%。,72,三.C形环密封,1.C形环密封副的结构,73,预紧状态下：拧紧连接螺栓1）两法兰凸凹限位面相接触；2）将卡箍固定；3）C形环整体弹性变形，凸缘与法兰密封面相接触，并在凸缘处产生塑性变形；,2.C形密封环的密封原理,实现初始密封。,1）+2）,工作状态压力上升 1）两法兰有分离趋势，比压下降；2）C形环自身回弹；3）介质压力使
16、C形环两翼有轴向张开趋势。,2）+3）,使比压得以补偿。,74,3.密封结构的优点,1)预紧力小,并能严格控制；2)无须大螺栓和厚法兰；3)C形环周向受力均匀，结构紧凑；4）加工、安装、拆卸方便；5）自紧作用容易实现，密封可靠。,4.设计时应注意的几个问题：1）s法兰接触=1.5s环；接触环接触点凸缘处的接触应力。2）控制好法兰限位面的高度，以免介质压力波动时使C形环变形过大，避免环的两翼产生屈服，使回弹力下降。,75,3）控制使用范围：温度200，压力34.3MPa；口径：3001000mm。,4）标准：JB/Z182-82 C型密封结构,76,四.金属O形环密封,1.结构,77,2.密封环
17、的材料与材质,常用材料：无缝管101，121，101.5，121.5等。材质：-60-30 奥氏体不锈钢；-3050 奥氏体不锈钢，铜，低碳钢，铝，蒙乃尔合金等。50200 奥氏体不锈钢，低碳钢。200350 奥氏体不锈钢，因科涅尔合金。350 因科涅尔合金。制造工艺保证：1）环表面粗糙度不低于,2）焊接点精度不低于基体。,78,3.密封原理,预紧（拧紧连接螺栓）环管被压扁，与法兰接触 处产生塑性变形，实现初始密封。工作状态（压力上升）1）上下法兰有分离倾向，比压下降；2）环管回弹；3）介质侧压环管。2）+3）下降的比压被弥补。,79,三种环管形式：,普通型介质压力作用；充气型环管内填充物气化
18、，升压作用；自紧式环管内介质压力作用。比压升高！,80,4.影响密封性能的因素：,1）.O环的回弹量回弹能力越强，密封性能越好；随压力升高，泄漏量增大。高压下自紧作用不明显。2）环管压扁度=压扁后高度/压扁前外径。压扁度直接影响环管的回弹指数和膨胀指数。回弹指数环压扁时的回弹能力；膨胀指数介质压力作用下的膨胀能力，反映结构的自紧作用。,回弹量最大时压扁度为0.80.7；膨胀量最大时压扁度为0.5左右。,是不是压得越扁越好？多少最好？压扁度0.7。,81,3）法兰的刚度压力作用下的变形。,4）温度的影响环管材料的力学性能随温度升高而变化。如，蠕变、松弛、疲劳等。充气环内压力随温度升高而增大，比压
19、升高，有利于密封。5）温度、压力波动导致法兰轴向变位，环向产生膨胀差 环面产生径向划痕，泄漏。,82,5.结构设计,O形环的外径与沟槽外径之间的间隙过大，“大环运动”，密封面易擦伤；过小，环的外半圆刚度增大，而降低了内半圆密封线上的比压。,83,沟槽尺寸确定：,Do=D+1.14ro（1-）开式沟槽：DiD-d-ro（1-）闭式沟槽：DiD-2d-2.28ro（1-）式中 ro管子平均半径；DO形环外径；压扁度=压扁后高度/压扁前外径。,84,6.O形环的制造,加工程序：弯管下料焊接钻孔修磨填充等。焊接接头应满足：1）接头的强度、硬度、塑性和回弹性应与基体一致；2）焊缝要焊透，组织致密，根部不
20、出现焊瘤；3）焊缝处应与基体表面平齐，无咬边、凹坑及严重氧化等缺陷。经验：采用氩弧焊，质量较稳定。整个环表面粗糙度不低于3.2m。手摸无不平感觉。充气环若充干冰，环必须绝热，焊后去掉绝热层；充气环若充以偶氮二异丁氰，环无须绝热。焊后应缓慢加热至120，保温一定时间，使之充分气化。,85,五.三角垫密封,径向自紧式密封。结构如图：,86,1.密封原理,拧紧螺栓环径向收缩，上下槽贴紧，塑变。实现初始密封。,升压后环产生轴向弯曲，两斜面贴紧，由线接触变为面接触。自紧作用,87,2.三角垫的结构尺寸与材料,三角垫材质：20钢，1Cr18Ni9Ti。外表镀0.05mm厚铜或在沟槽底部加铜箔或银箔。法兰、
21、顶盖材质：35，35CrMo，18MnMoNb。密封面加工后不得有划痕。,88,89,90,六卡扎里密封属强制性密封,优点：密封力和内压产生的轴向力分别由顶紧螺栓和筒体上的锯齿螺纹承受，有利于缩小主螺栓。间断，螺纹并配有专用工具，减轻装拆强度，缩短检修时间。同样压力下，套筒的轴向变形远小于螺栓。缺点：大直径螺纹加工、修复困难。,91,内螺纹卡扎里密封,改良卡扎里密封,92,七.伍德密封,密封结构,93,2.密封原理：安装时：依次装入顶盖、压垫、四合环、牵制环后，拧紧拉紧螺栓，使四合环贴住筒体，用牵制螺栓将顶盖吊起，使压垫的角度为、的斜面分别与顶盖圆弧及筒体端部接触，并产生预紧密封比压。在操作时
22、：密封比压随介质压力升高而加大，压垫上开有环形槽，具有一定弹性，所以即使顶盖有微量下落时，还能保持良好的密封。优点：1）自紧作用，高压下密封性能良好；2）无须主螺栓，拆卸方便；3）密封面为圆弧面，升压时能自动找正；4）可承受一定压力、温度的波动。,94,主要缺点：,1）结构复杂，零件多，加工精度要求高；2）顶盖占据高压空间较大。例如，内径800的合成塔，端部外径1400mm,高950mm。锻件重6吨。同样采用C形环密封，筒端锻件仅重1.4吨。,3.材质：,压垫材质：20，20CrMo，1Cr18Ni9Ti；顶盖材质（较压垫硬）：14MnMoVB,18MnMoNb,20MnMo。抗氢场合用：12Cr3NiMoA,20Cr3NiMoA,24CrMoNi。顶盖圆弧表面粗糙度不低于1.6m。,
