高压设备的静密封及特殊工况下的优化方式

1.静密封的分类

表4-17给出常见的静密封结构简图。其中金属空心O形密封圈可以达到橡胶O形密封圈不能达到的高温（1000℃），深冷（最低-270℃），高压（最高140MPa）器件的静密封。特别是高真空（1.33×10^-13MPa）和强辐射的场合。

表4-17 静密封的分类

（续）

静密封泄漏有两方面的原因：即界面泄漏和渗透泄漏。界面泄漏与密封垫的压紧程度和结合面的表面粗糙度有关。只有垫片受压变形并能使垫片面压入结合面凸凹不平的沟槽，将界面上泄漏通道堵塞之后，才能实现密封。另外，垫片材质老化和变质也会产生界面泄漏。

渗透泄漏主要原因是垫片有纤维介质，组织疏松，介质经过微型缝隙渗漏。渗漏量与压力、微型缝隙形成的毛细管当量直径和长度及介质黏度有关。

2.垫片密封的类型及选择

垫片是静密封的基本元件。它由铝箔、紫铜箔或纸板、塑料、橡胶、纤维和石棉橡胶板等制成。选择垫片类型主要根据介质温度、压力和腐蚀性等因素来决定。当温度和压力不高时，一般选用非金属软垫片；中压高温时，选用非金属与金属组合垫片或金属垫片；温度和压力有较大波动时，选用弹性好的或自紧式垫片。

垫片的类型、特点和用途，见表4-18。

表4-18 垫片类型、特点和用途

（续）

（续）

注：表中的成分均为质量分数。

3.垫片设计的最小有效压紧压力值Y和垫片系数m

法兰中的密封垫片靠拧紧螺栓而被压紧，如图4-33所示，在无内压力时，螺栓所加的总压紧力为F₀，垫片的初始压缩量为δ₀，垫片的受压面积为A_g，则垫片所受的平均预紧力σ_g0为

如介质的内压为p_i，则上盖受力使垫片放松，回弹量为δ。这时垫片上的压紧力减小，当压紧的垫片放松到一定程度时，就开始出现泄漏，只有垫片表面被压入并填满法兰面上的凹凸不平的间隙，才能起密封作用。垫片被放松，直到垫片与法兰面脱开，出现泄漏沟槽通道时，介质开始向外泄漏。

对于各种垫片和不同的介质和设备，都有一个最小压紧压力的允许值，将此最小预紧压力乘以一个安全系数，所得到的最小有效压紧压力就是选用和计算密封垫的设计值“Y”，简称为Y值，单位为MPa。

Y值通常由密封垫生产厂在样本或产品说明书中给出，或由各部门根据使用经验规定。根据Y值可算出在安装时压紧垫片所需要的螺栓预紧力（F′=πD_nbY，D_n——密封力位置处的直径，b——垫片的有效密封宽度）。

图4-33 密封垫的压缩与回弹

密封性能还与介质压力有密切关系。实验证明，在开始发生泄漏时，垫片有效压紧应力σ_g与内压p_i之比为一常数m，可以写作：

取

式中 m——垫片系数，决定于垫片种类、尺寸、形状、温度、介质压力和法兰接合表面的表面粗糙度等多种因素；

D——气缸内径。

由以上二式并令D≈D_n，可以导出在工作状态下，为保证密封所需的螺栓力F″，即

比较上面计算螺栓力F′和F″，取其大者作为螺栓力计算值。F′≥F″的条件，可以写作：

式中 A_g=πD_nb——垫片受压面积；

——内压作用在法兰上的面积；

p_i——介质压力（容器内压力）。

必须指出，垫片密封是一个极为复杂的问题。迄今尚无可靠的理论和实验数据作为指导设计的根据。目前国内外多数规范仍沿用Ross-Heim和Markle在1943年发表的，并为ASME规范所采用的垫片系数m和预紧比压Y。它们既未得到完整的实验证明，也与实际情况不甚相符。长期以来，现场实用的m和Y值远大于设计值。而且关于密封不漏的定义和准则，也尚无统一和明确的规定。对于各种介质规定出允许的泄漏量，才能用以评定密封的性能。

表4-19给出某些垫片的m和Y值。

表4-19 某些垫片的m和Y值

（续）

①w（Cr）=4%～6%。

4.法兰连接密封

法兰连接的密封元件是垫片，根据不同的法兰结构选用不同的垫片。法兰的结构型式及常用的垫片示于表4-20。各种法兰的公称口径和承压范围见有关标准。

5.管道连接密封

管道口径小于50mm以下的多采用螺纹连接密封，见表4-21。(www.xing528.com)

表4-20 法兰连接密封的型式

表4-21 管道连接的密封形式

6.高压设备密封（表4-22）

高压设备的静密封（压力大于10MPa）必须安全可靠，并能适应温度和压力的波动。结构要求紧凑，占用空间小。

表4-22 高压设备的密封结构

7.特殊工况下的静密封

（1）高温密封 高温操作下会引起材料变形、紧固件蠕变、松弛、热应力过高和较大的热变形。这些因素皆可引起泄漏、甚至使密封完全破坏。

材质选择应选用回弹性好或自紧式垫片，如缠绕式垫片、充气式金属空心O形环。紧固件应选用抗蠕变性能好的材质。

高温设备在经过一段工作后，应再次拧紧螺栓，以消除由于蠕变作用而引起的密封比压降低的现象。

（2）低温深冷密封 在宇航技术中常遇到要密封如液氢、液氮和高真空深冷下的氦等介质，这与常温下的密封不同。

使用金属O形圈可以得到较好的效果。

此外还有利用低温下不同材质的收缩率的差异使其密封作用加强的结构。

如图4-34所示为一种双金属半圆环的密封结构。外环用铝、内环用不锈钢制成。两半环的平面为45°的锥形平面、环的外表面涂敷一层聚四氟乙烯，以减少与槽表面的摩擦力。当深冷介质流过时，铝制外环的收缩率大于不锈钢的内环，外环沿锥面向内滑动，故使环表面与槽面压得更紧，加强了密封效果。

在低于-20℃的低温下，有些垫片材料变脆、弹性降低。低温下常用的材料有普通橡胶、石棉橡胶板、W形液态密封胶、聚四氟乙烯、纯铜垫和铝垫片。低于-200℃时，可选用铝合金、铜合金和不锈钢等。

图4-34 聚四氟乙烯涂层的双金属环密封

（3）真空密封 高真空（1.33×10^-11～1.33×10^-8MPa）密封垫片的材料主要是橡胶，常用的是邵氏硬度为55～65的丁腈橡胶和氯丁橡胶。密封圈的断面有圆形的和矩形的。它的压缩变形量为15%～20%。

超高真空（10^-16～10^-12MPa）密封材料主要有金、银、无氧铜、高纯铝、纯铜、氟橡胶和氟塑料等。

8.金属空心O形圈密封

金属空心O形圈密封具有特殊优良的密封性能。主要是适应性广，特别适用于高温高压、超高压、高真空、低温及介质有放射性、要求严格密封的场合。使用压力最高达700MPa，温度范围-250～1000℃，真空度最高达1.33×10^-13MPa。

金属空心O形环靠压扁后断面弹性变形所产生的回弹力使密封面严密接触来实现密封。压扁度η代表压扁的程度，即

式中 G₀——O形环管子压扁后高度；

d——O形环管子压扁前直径。

金属空心O形环的有限密封的压扁度与环的材质和尺寸特别是管壁厚有关。一般最合适的压扁度为0.7～0.8。若综合考虑O形环的膨胀、蠕变、松弛等因素，η取0.7最合适。

金属空心O形环有三种类型，见表4-23。与它相配套的法兰，密封面的形式见图4-35。基本型式的法兰对三种金属空心O形环均适用。其改型使法兰加工简化，并便于调节O形环的压扁度，中间一件起挡圈作用，可根据需要加工成任意厚度，并可根据需要更换。

图4-36为凹槽形法兰和三角槽形法兰。凹槽形与橡胶O形环法兰形相同，这种形式一般用于腐蚀性介质或含有硬质颗粒的介质。

在压力特高或高度真空的情况下，可将法兰槽由矩形变成三角形。压紧后，金属O形环在槽内就由圆形变成了方形，加强了密封效果。

图4-35 金属O形圈法兰的基本形式和改型

a）基本形式 b）改型

表4-23 金属空心O形环的类型

金属O形环的空心管材料，是根据介质温度、压力和腐蚀性来选用。一般用1Cr18Ni9Ti不锈钢管焊成的。在不同情况下也可用低碳钢管、铝管、铜管、因科镍管等。为改善密封性能，O形环表面需镀覆或涂以金、银、铂、铜、氟塑料等，覆盖层厚度为0.03～0.04mm。

与金属O形环配套的法兰，密封面表面粗糙度要求达到Ra≤1.6μm。

图4-36 凹槽和三角槽形法兰与金属O形圈

9.密封胶

密封胶是一种液体密封剂，也叫液体密封填料。它分为液态密封胶和厌氧胶两类。

（1）液态密封胶 它是由基料、溶剂和填充剂组成。基料可分为合成树脂、合成橡胶和天然高分子物质等几类。这些都是高分子聚合物，并以合成材料为主要基料。

液体密封剂在常温下是可流动的黏稠液体。可用于温度高至300℃，压力至1᥊6MPa的油类、水、气、有机化合物、酸、碱等介质。不腐蚀金属。

液态密封胶可单独使用，也可与垫片配合使用，可获得更好的密封效果。

（2）厌氧胶 厌氧胶分为胶粘剂和密封剂两种。其组成主要是具有厌氧性的树脂单体和催化剂。它的外观是茶色或无色透明液体，涂敷性良好，在隔绝空气的情况下，胶液自动固化。能耐酸、碱、盐、水、油、醇类等介质，有良好的耐热性和耐寒性。

厌氧胶的使用工艺与液态密封胶相似。一般用于不仅需要密封而且需要固定的接合面。对液压元件的接头和阀门接合面的密封有良好的效果。密封高压油管接头（5～30MPa）时，更显出其优越性。