化工流體密封壓制

化工流體密封1概述1.密封的用場：——所有阻止流體通過的場合，具有密封要求。例如：流體動力機械上、工藝設(shè)備上、液壓設(shè)備上、管道閥門等等。挑戰(zhàn)者號火箭發(fā)射失敗——密封膠圈；波音飛機漏油墜海；大石化閥門泄露——空中爆炸；人體瓣膜漏血?！?22.密封的功能——把不同壓力的空間相互隔開。3.密封的研究、設(shè)計——交叉學(xué)科。4.對密封的一般要求：1〕可靠的密閉性；2〕結(jié)構(gòu)可靠、耐用、簡單；3〕本錢低廉、便于檢修；4〕零件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。3第一章密封的機理、方式及分類一.密封的機理1.有通道流動泄露的條件：1〕動力——介質(zhì)壓差；2〕通道——間隙或毛細(xì)管；3〕壓差＞通道阻力。特點：泄漏是單向的。間隙泄露——稱為穿漏，泄漏量∝h3；毛細(xì)管泄露——滲漏，泄漏量∝r3。42.分子擴散例：原子能反響堆的容器壁厚很大；加氫設(shè)備壁厚非常規(guī)設(shè)計壁厚；放射實驗室的墻壁要放置鉛板；………泄露的條件：1〕動力——介質(zhì)的濃度差；2〕具有高滲透性的物質(zhì)，如氫、氦放射性物質(zhì)等；3〕途徑——間隙、毛細(xì)管〔以吸附——滲透——擴散?！程攸c：擴散是雙向的。53.泄漏量級與目測之間定向關(guān)系6二.密封方式1.全密封或局部密封2.填塞或阻塞3.分隔或間隔4.引出或引入5.流阻或反輸6.貼合或粘合7.焊合或壓合8.組合式7三.密封的分類

密封動密封接觸式非接觸式封閉式組合式靜密封密封墊片密封環(huán)密封劑8第二章流體靜密封2.1法蘭連接2.1.1.法蘭連接結(jié)構(gòu)與密封原理1.連接結(jié)構(gòu)：9法蘭連接結(jié)構(gòu)〔外觀〕10法蘭連接結(jié)構(gòu)〔剖開看〕112.法蘭密封原理法蘭密封面泄漏的原因：●密封墊外表與法蘭密封面之間有空隙,或截面內(nèi)有毛細(xì)管——泄漏通道?！衩芊饷鎯蓚?cè)介質(zhì)有壓差——推動力。從法蘭密封連接過程看其密封原理：〔1〕安裝過程——擰緊螺栓,墊片被壓緊〔墊內(nèi)毛細(xì)管被切斷；消除了與法蘭密封面之間的空隙〕。墊片單位面積上所受的壓緊力，稱為墊片密封比壓。當(dāng)墊片密封比壓到達某一值時，便具備了初始密封條件，此時的比壓稱為預(yù)緊密封比壓。12〔2〕工作條件下——介質(zhì)壓力和溫度均升高?！菟ū焕?，法蘭變形，法蘭密封面相對有別離趨勢。致使墊片比壓下降?！獕|片回彈，補償或局部補償了法蘭別離的位移。此時的剩余比壓假設(shè)不小于某一值〔稱為工作密封比壓〕，仍可保持良好密封狀態(tài)。否那么，將發(fā)生泄漏。132.1.2.法蘭分類1.整體法蘭——法蘭與設(shè)備或管道不可拆卸。1〕平焊法蘭——板式平焊法蘭，帶頸平焊法蘭142）.對焊法蘭152.松套法蘭平焊環(huán)松套板式翻邊松套板式163.螺紋法蘭

——法蘭與設(shè)備或管道之間以螺紋連接。172.1.3影響法蘭密封的因素因素1.螺栓預(yù)緊力——大小適宜。墊片受力均勻。螺栓采取小直徑多數(shù)量(四的倍數(shù)〕，對稱擰緊的方法。18因素2.法蘭密封面形式19因素3.墊片性能墊片密封面的塑性變形能力——實現(xiàn)初始密封；墊片材料及結(jié)構(gòu)的回彈能力——提高工作狀態(tài)下的剩余密封比壓。耐腐蝕能力。力學(xué)性能，尤其抗高溫蠕變能力。工作溫度下的變質(zhì)硬化或軟化性。20墊片類型：墊片壓縮-回彈性能21222324因素4.法蘭的剛度——法蘭在外力作用下抵抗變形的能力。剛度小——受力後變形大，墊片受力不均，易泄漏。法蘭受力思考：法蘭將如何變形？25法蘭變形1:法蘭軸向翹曲變形26法蘭變形2法蘭環(huán)向翹曲變形27如何提高—增加法蘭厚度；—減小螺栓力與墊片力作用點間距離；—增大法蘭盤外徑；—螺栓數(shù)量要足夠。28

因素五.操作條件壓力高—介質(zhì)泄漏的推動力大。溫度高—介質(zhì)的粘度低，滲透性強，容易泄漏；—介質(zhì)的腐蝕性能增強；—法蘭、螺栓及墊片易發(fā)生蠕變，墊片比壓下降；—非金屬墊片易發(fā)生老化，喪失塑性?！囟葔毫β?lián)合作用，并且反復(fù)波動，墊片容易發(fā)生“疲勞〞失效。292.1.4法蘭標(biāo)準(zhǔn)1.壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)1）甲型平焊法蘭302）乙型平焊法蘭3）長頸對焊法蘭31壓力容器法蘭的選用確定法蘭連接尺寸的根本參數(shù)：——公稱壓力〔PN〕和公稱直徑〔DN)。①.公稱直徑確實定：◎管法蘭—與相聯(lián)接管子的公稱直徑相同；◎壓力容器法蘭—·板卷筒體，與相聯(lián)接筒體的公稱直徑相同；·無縫鋼管作筒體，與相聯(lián)接無縫管的公稱直徑相同。32公稱壓力PN

法蘭材質(zhì)最大允許工作壓力(MPa)-20~200℃300℃350℃

0.6Q235-A0.40.330.30

16MnR0.60.510.4915MnVR0.650.630.6法蘭公稱壓力確實定：②.公稱壓力確實定：基準(zhǔn)：以16MnR在200℃時的力學(xué)性能為基準(zhǔn)確定法蘭尺寸系列。即基準(zhǔn)條件下，法蘭的最大允許操作壓力為該法蘭的公稱壓力。33③確定壓力容器法蘭PN—JB4700-92(見書P156,P329)〔1〕.壓力容器法蘭材質(zhì)為20R，300℃時設(shè)計壓力為1.0MPa。其公稱壓力應(yīng)該為多少？〔2〕管法蘭材質(zhì)為Q235-A,選用PN=0.6MPa，問300℃時能否承受0.4MPa的工作壓力？判斷一下：3435壓力容器法蘭設(shè)計步驟：〔1〕確定DN;〔2〕根據(jù)法蘭材質(zhì)、工作溫度和最高工作壓力，確定PN；〔3〕由PN,DN確定法蘭形式及連接尺寸、螺栓尺寸及數(shù)量。〔4〕根據(jù)介質(zhì)工作溫度、工作壓力確定密封面及墊片類型；〔5〕確定螺栓、螺帽材質(zhì)；〔6〕繪制草圖。362.管法蘭管法蘭標(biāo)準(zhǔn)：1〕HG20592~20635——97?鋼制管法蘭、墊片、緊固件?2〕GB9112~9123?鋼制管法蘭?注：?壓力容器平安技術(shù)監(jiān)察規(guī)程?推薦1〕。37我國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)歐洲體系美洲體系標(biāo)準(zhǔn)壓力等級標(biāo)準(zhǔn)壓力等級HG20592~20614-97《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》0.25,0.6,1.0,1.6,2.5,4.0,6.3,10.0,16.0,25.0HG20615~20635-97《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》2.0,5.0,11.0,15.026.0,42.0GB9112~9123-2000《鋼制管法蘭》0.25,0.6,1.0,1.6,2.5,4.0GB9112~9123-2000《鋼制管法蘭》2.0,5.0,10.0,15.026.0,42.038管法蘭和管子的公稱直徑〔通經(jīng)〕以及鋼管外徑〔HG20592-97〕公稱通經(jīng)101520253240506580鋼管外徑A17.221.326.933.742.448.360.376.188.9B141825323845577689公稱通經(jīng)100125150200250300350400450500鋼管外徑A114.3139.7168.3219.1273323.9355.6406.4457508B108133159219273325377426480530公稱通經(jīng)600700800900100012001400160018002000鋼管外徑A610711813914101612191422162618292032B630720820920102012201420162018202020A——英制管；B——公制管39密封面形式與相應(yīng)的公稱直徑、公稱壓力等級密封面形式代號公稱壓力PN/MPa0.250.61.01.62.54.06.310.016.025.0突面RFDN10~2000DN10~1200DN10~600DN10~400DN10~300凸凹面MFM—DN10~600DN10~400DN10~300榫槽面TG—DN10~600DN10~400DN10~300全平面FFDN10~600DN10~2000—環(huán)連接面RJ—DN15~400DN15~30040管法蘭類型代號法蘭類型類型代號標(biāo)準(zhǔn)號法蘭類型類型代號標(biāo)準(zhǔn)號板式平焊法蘭PLHG20593帶頸平焊法蘭SOHG20594帶頸對焊法蘭WNHG20595承插焊法蘭SWHG20597螺紋法蘭ThHG20598對焊環(huán)松套法蘭PL/SEHG20599平焊環(huán)松套法蘭PJ/RJHG20600法蘭蓋BLHG2060141法蘭類型、密封面形式及公稱壓力等級法蘭類型密封面形式公稱壓力等級板式平焊法蘭突面全平面0.25~2.50.25~1.6帶頸平焊法蘭突面凸凹面榫槽面全平面0.6~4.01.0~4.01.0~4.00.6~1.6帶徑對焊法蘭突面凸凹面榫槽面環(huán)連接面全平面1.0~25.01.0~16.01.0~16.06.3~25.01.0~1.6整體法蘭突面凸凹面榫槽面環(huán)連接面全平面0.6~25.01.0~16.01.0~16.06.3~25.00.6~1.6承插焊法蘭突面凸凹面榫槽面1.0~10.01.0~10.01.0~10.0螺紋法蘭突面全平面0.6~4.00.6~1.6對焊環(huán)松套法蘭突面0.6~4.0平焊環(huán)松套法蘭突面凸凹面榫槽面0.6~1.61.0~1.61.0~1.6法蘭蓋突面凸凹面榫槽面環(huán)連接面全平面0.25~25.01.0~16.01.0~16.06.3~25.00.25~1.642a.板式平焊HG20592-97管法蘭類型：b.帶頸對焊法蘭43c.帶頸平焊d.承插焊e.平焊環(huán)松套板式f.翻邊松套板式44g.螺紋法蘭方法蘭橢圓形法蘭h.法蘭蓋45例題為一臺精流塔配一對連接塔身與封頭的法蘭。塔的內(nèi)徑為1000mm,操作溫度為280o，設(shè)計壓力為0.2MPa。塔體材質(zhì)為Q235-B。介質(zhì)無腐蝕性及其他危害。解：1.確定DNDN=1000mm〔板卷筒體〕。2.確定PN法蘭材質(zhì)也采用Q235-BR,根據(jù)操作溫度〔280°C〕及設(shè)計壓力〔0.2MPa)，查溫度/壓力表〔JB4700-92),得PN=0.6(MPa)。3.由DN和PN，查尺寸標(biāo)準(zhǔn)JB4701-92,確定連接尺寸及螺栓的規(guī)格數(shù)量。螺栓M20,36個464.確定密封面形式及墊片。查表6-1，確定采用平形密封面，墊片采用耐油橡膠石棉墊。墊片尺寸由相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)確定。表6-3給出參考寬度值：20mm。5.確定螺栓螺帽材質(zhì)。由相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)查得。表6-6給出參考值：螺栓螺母均為Q235-A。6.繪草圖。472.2高壓容器的密封概述高壓容器密封設(shè)計的著眼點：1〕盡量減小密封口徑；2〕盡量利用自身壓力來提高墊片密封比壓。按密封作用力的方式分為：1〕強制密封——平墊、透鏡墊、卡扎里等；2〕半自緊式密封——雙錐環(huán)、八角墊等；3〕自緊式密封——C、O、三角形、伍德式等。國內(nèi)用得較為廣泛的——？48高壓密封的設(shè)計原那么：1〕保證密封——適應(yīng)環(huán)境變化；2〕結(jié)構(gòu)簡單——安裝檢修方便；3〕便于加工——精度不高；4〕結(jié)構(gòu)緊湊——占用高壓空間?。?〕耐腐蝕——保證使用壽命，重復(fù)使用。492.2.1金屬平墊密封1.密封結(jié)構(gòu)502.使用范圍及材料選擇51墊片材質(zhì)：1〕退火鋁，HB15~30；2〕退火紫銅，HB30~50；3〕10號鋼。3.主螺栓計算預(yù)緊時，把緊螺栓，墊片為支點。DG——墊片平均直徑；b——墊片寬度；y——初始密封比壓。螺栓力：52操作狀態(tài)下：充壓后，法蘭有別離傾向，墊片回彈，有剩余比壓。P為介質(zhì)壓力引起的軸向力墊片密封力：式中b——墊片有效密封寬度，與墊片的接觸寬度N和根本密封寬度b0有關(guān)。b的取值：b0≤6.4mm時，b=b0；b0≤6.4mm時，535455主螺栓結(jié)構(gòu)：擰入端光桿部分光桿局部的直徑：取兩者中較大者。螺栓數(shù)n為4的倍數(shù)。推薦直徑系列：M36

×3；M42×3；M52×3；M64×3

M80×4；M105×4；M125×456二.雙錐環(huán)密封——半自緊式密封。1.適用范圍：設(shè)計壓力：6.4~35MPa；設(shè)計溫度：0~400℃；封口直徑：φ400~20002.結(jié)構(gòu)：573.工作原理：預(yù)緊時——擰緊螺栓，壓緊頂蓋雙錐環(huán)——徑向彈性收縮，內(nèi)側(cè)靠緊頂蓋——實現(xiàn)初始密封。壓力升高——環(huán)徑向擴張〔壓力+回彈〕——彌補了頂蓋與端法蘭別離以及比壓的下降。環(huán)的徑向回彈；介質(zhì)壓力擴張。自緊來自哪里？間隙量δ：過大——環(huán)會發(fā)生失穩(wěn)〔環(huán)向壓縮〕；過小——預(yù)緊比壓不夠，不能實現(xiàn)初始密封。δ取值：〔0.1~0.15%〕DiDi——雙錐環(huán)內(nèi)經(jīng)。58雙錐密封環(huán)密封特點：比壓——密封壓力泄漏量——密封比壓比壓泄漏量密封比壓594.雙錐環(huán)材料1.雙錐環(huán)：材料要韌性好——滿足回彈要求。推薦：25，35，20MnMo，20CrMo，15CrMo,1Cr18Ni9Ti等。2.軟金屬墊：推薦：退火鋁，退火紫銅，工業(yè)純鐵，奧氏體不銹鋼，銀等。605.雙錐環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸其中σm——環(huán)截面中點的彎曲應(yīng)力。一般為50~100MPa。616.筒體端部設(shè)計1).主螺栓：主螺栓光桿局部直徑：其中Am——主螺栓截面積。取值：min{Aa,Ap}Aa——預(yù)緊所需最小截面積；Ap——操作狀態(tài)下所需螺栓最小截面積。其中62y——預(yù)緊密封比壓，帶鋁軟墊時取78.4MPa；α——錐角，取ρ——摩擦角。！主螺栓的螺紋小徑不小于光桿局部直徑，推薦采用細(xì)牙螺紋。例如:M64×4,M80×4,M105×4,M125×4632).主螺母應(yīng)注意：其硬度應(yīng)低于螺栓。尺寸：螺母高度：a=(1.0~1.1)dB

dB——螺紋外徑外接圓直徑：D=(1.70~1.75)dB

643)筒端尺寸Db=D2+1.5dBD0=Db+1.8dB有效螺紋深度h1≥(1.3~1.5)Db螺孔深：hs=h1+工藝需要的無效長度r≥0.8δL=50mmh=α=30°時，h≥hs+0.5dB；α=45°時,h≥hs+dB657.平蓋的設(shè)計厚度：預(yù)緊狀態(tài)：操作狀態(tài)：668.影響雙錐環(huán)密封的因素1〕環(huán)的結(jié)構(gòu)的影響由徑向平衡：其中則——結(jié)構(gòu)自緊系數(shù)，一般≮2。67另外，雙錐環(huán)錐面貼合程度對密封性能有一定影響。升壓前：升壓后：68所以,錐環(huán)頂蓋錐面：692〕間隙δ的影響過大——雙錐環(huán)失穩(wěn)；過小——回彈力小，自緊作用小。3〕主螺栓預(yù)緊力的影響一旦在操作中出現(xiàn)泄漏，再擰緊螺栓是沒有用的。加大預(yù)緊力——可以提高臨界泄漏壓力，但不降低操作時的泄漏率。705〕溫度影響——高溫時的泄漏量低于常溫。金屬軟墊片在高溫下變軟，更易填滿密封面的不平處。4〕屢次升降壓的影響升壓時，雙錐環(huán)產(chǎn)生滑移——泄漏量最大；每降一次壓力，螺栓預(yù)緊力便降低4~10%。71三.C形環(huán)密封1.C形環(huán)密封副的結(jié)構(gòu)72預(yù)緊狀態(tài)下：擰緊連接螺栓——1〕兩法蘭凸凹限位面相接觸；2〕將卡箍固定；3〕C形環(huán)整體彈性變形，凸緣與法蘭密封面相接觸，并在凸緣處產(chǎn)生塑性變形；2.C形密封環(huán)的密封原理實現(xiàn)初始密封。1〕+2〕工作狀態(tài)——壓力上升1〕兩法蘭有別離趨勢，比壓下降；2〕C形環(huán)自身回彈；3〕介質(zhì)壓力使C形環(huán)兩翼有軸向張開趨勢。2〕+3〕使比壓得以補償。733.密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點1)預(yù)緊力小,并能嚴(yán)格控制；2)無須大螺栓和厚法蘭；3)C形環(huán)周向受力均勻，結(jié)構(gòu)緊湊；4〕加工、安裝、拆卸方便；5〕自緊作用容易實現(xiàn)，密封可靠。4.設(shè)計時應(yīng)注意的幾個問題：1〕σs法蘭＞σ接觸=1.5σs環(huán)；σ接觸——環(huán)接觸點凸緣處的接觸應(yīng)力。2〕控制好法蘭限位面的高度，以免介質(zhì)壓力波動時使C形環(huán)變形過大，防止環(huán)的兩翼產(chǎn)生屈服，使回彈力下降。743〕控制使用范圍：溫度＜200℃，壓力＜34.3MPa；口徑：300~1000mm。4〕標(biāo)準(zhǔn)：JB/Z182-82?C型密封結(jié)構(gòu)?75四.金屬O形環(huán)密封1.結(jié)構(gòu)762.密封環(huán)的材料與材質(zhì)常用材料：無縫管φ10×1，φ12×1，φ10×1.5，φ12×1.5等。材質(zhì)：-60~-30℃奧氏體不銹鋼；-30~50℃奧氏體不銹鋼，銅，低碳鋼，鋁，蒙乃爾合金等。50~200℃奧氏體不銹鋼，低碳鋼。200~350℃奧氏體不銹鋼，因科涅爾合金。＞350℃因科涅爾合金。制造工藝保證：1〕環(huán)外表粗糙度不低于3.22〕焊接點精度不低于基體。773.密封原理預(yù)緊〔擰緊連接螺栓〕——環(huán)管被壓扁，與法蘭接觸處產(chǎn)生塑性變形，實現(xiàn)初始密封。工作狀態(tài)〔壓力上升〕——1〕上下法蘭有別離傾向，比壓下降；2〕環(huán)管回彈；3〕介質(zhì)側(cè)壓環(huán)管。2〕+3〕——下降的比壓被彌補。78三種環(huán)管形式：普通型——介質(zhì)壓力作用；充氣型——環(huán)管內(nèi)填充物氣化，升壓作用；自緊式——環(huán)管內(nèi)介質(zhì)壓力作用。——比壓升高！794.影響密封性能的因素：1〕.O環(huán)的回彈量回彈能力越強，密封性能越好；隨壓力升高，泄漏量增大。高壓下自緊作用不明顯。2〕環(huán)管壓扁度=壓扁后高度/壓扁前外徑。壓扁度直接影響環(huán)管的回彈指數(shù)和膨脹指數(shù)?；貜椫笖?shù)—環(huán)壓扁時的回彈能力；膨脹指數(shù)—介質(zhì)壓力作用下的膨脹能力，反映結(jié)構(gòu)的自緊作用?；貜椓孔畲髸r壓扁度為0.8~0.7；膨脹量最大時壓扁度為0.5左右。是不是壓得越扁越好？多少最好？壓扁度≈0.7。

803〕法蘭的剛度——壓力作用下的變形。4〕溫度的影響——環(huán)管材料的力學(xué)性能隨溫度升高而變化。如，蠕變、松弛、疲勞等?！錃猸h(huán)內(nèi)壓力隨溫度升高而增大，比壓升高，有利于密封。5〕溫度、壓力波動——導(dǎo)致法蘭軸向變位，環(huán)向產(chǎn)生膨脹差——環(huán)面產(chǎn)生徑向劃痕，泄漏。815.結(jié)構(gòu)設(shè)計O形環(huán)的外徑與溝槽外徑之間的間隙——過大，“大環(huán)運動〞，密封面易擦傷；過小，環(huán)的外半圓剛度增大，而降低了內(nèi)半圓密封線上的比壓。82溝槽尺寸確定：Do=D+1.14ro〔1-η〕開式溝槽：Di≤D-d-πro〔1-η〕閉式溝槽：Di≤D-2d-2.28ro〔1-η〕式中ro——管子平均半徑；D——O形環(huán)外徑；η——壓扁度=壓扁后高度/壓扁前外徑。836.O形環(huán)的制造加工程序：彎管——下料——焊接——鉆孔——修磨——填充等。焊接接頭應(yīng)滿足：1〕接頭的強度、硬度、塑性和回彈性應(yīng)與基體一致；2〕焊縫要焊透，組織致密，根部不出現(xiàn)焊瘤；3〕焊縫處應(yīng)與基體外表平齊，無咬邊、凹坑及嚴(yán)重氧化等缺陷。