這幾種常見的高壓密封結構,你認識嗎?

密封是防止氣體、液體或者固體的洩漏與組織外部顆粒、流體進入密閉空間或管道系統的功用。能起密封作用的零部件稱為密封件。較為複雜的密封連接稱之為密封結構或密封裝置。

密封裝置廣泛地用於工業、農業、國防和人們的日常生活之中。現代化工、石油、航天、原子能及深海技術的迅速發展對設備的密封提出越來越高的要求。密封失效可能是造成能源和材料資源的浪費、環境的汙染，甚至設備的報廢和人員的傷亡。由於洩漏而造成的事故有很多，日本煉油行業今年來發生的燃燒爆炸事故70%是由洩漏造成的；美國挑戰者號太空梭的爆炸也是洩漏造成的災難性事故之一。流體密封是一個複雜而較難解決的問題，密封的可靠性不僅與所採用的密封材質和密封元件有關，而且與連接結構形式、介質特性、工況條件等諸多因素有關。

對於壓力容器行業，密封的應用範圍更加廣泛，比如設備法蘭和管法蘭等等，如圖1所示。

圖1壓力容器行業常見的密封裝置

密封

1.1 密封理論

非接觸型動密封的密封結構不同，密封機理相差很大，無法詳細歸類。對於接觸型密封，無論動密封還是靜密封都是固體間的接觸密封，其密封機理的理論可以分為三類：阻斷理論、自封理論和過盈理論[1]。

（1）阻斷理論

阻斷理論認為，密封材料的密封作用，是由密封材料對於接合表面的接觸壓力和對於緊固外力的彈性回復力所共同形成的對內部介質的阻斷作用而產生的。阻斷理論主要適用於墊片靜密封。對於墊片密封，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，相接觸後構成閉合的圓形接觸線，依靠接觸線上的魏曉彈性變形來填塞密封線上不平出，達到消除間隙的目的。

圖2 墊片密封原理

（2）自封理論

當密封材料被安裝到結合部位後，對接合表面產生一定的接觸壓力。當內部介質壓力作用時，內壓通過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）過盈理論

密封材料是具有過盈量的刃口結構，對軸接觸面能夠產生足夠大的接觸壓力，達到密封的目的。油封是典型的過盈密封。

1.2 密封分類

密封的分類方法有很多。按所密封的介質可以分為液體密封、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；按接觸面間的相對運動狀態分為動密封和靜密封。習慣上，常按後者分類，如圖3所示。靜密封是指密封面之間沒有相對運動的密封；動密封是指密封接合面之間有相對運動，如旋轉密封和活塞缸體密封等。靜密封又可以作如圖4的分類。

圖3 密封的分類

圖4 靜密封的分類

1.3 介質洩漏機理

（1）穿漏（Penetration）流體通過密封面間隙的洩漏。

成因：a.流體存在壓力差△P；b.洩漏縫隙h；

特點：單向洩漏，從高壓側到低壓側；

洩漏量：是衡量密封裝置密封性能的主要指標；

單向周邊洩漏量：

（2）滲漏（Percolation）在壓力差△P的作用下，被密封流體通過密封件材料的毛細管的洩漏。

成因：a.流體存在壓力差△P；b.密封件材料毛細管；

特點：單向分子洩漏；

氣體重量洩漏量：

式中，r：毛細管或接觸面毛細通道半徑。

高壓容器常用的密封形式

2.1 平墊密封

金屬平墊密封是最常見的強制密封。預緊和工作壓力下，依靠筒體端部大法蘭上的主螺栓施加足夠的壓緊力來實現密封。預緊力的大小與墊片的寬度、墊片材料的屈服強度有關。工作時介質壓力上升，軸向力通過頂蓋傳遞至主螺栓，使主螺栓發生彈性伸長，墊片隨之發生回彈，此時仍保持墊片上有一定的比壓，方式如圖5所示。

平墊密封結構簡單、加工方便、使用成熟，在直徑小、壓力不太高的場合密封可靠。當結構尺寸大壓力高時，螺栓尺寸也較大，結構笨重，裝拆不便，每次檢修都要更換墊片。

適用範圍：用於溫度低於200℃、壓力小於32MPa、容器內徑不大於800mm的場合。

圖5平墊密封形式

2.2 雙錐密封

雙錐密封是一種半自緊密封結構，保留了主螺栓。採用軟鋼和不鏽鋼製作雙錐面密封墊，密封面為錐面。密封面上各開有兩條半圓形或三角形溝槽，密封面上設有軟金屬墊片。雙錐環用託環、螺釘固定在平蓋上。雙錐面的內圓柱面與平蓋的圓柱支撐面的間隙應控制在一定範圍，保證預緊時內圓柱與平蓋貼緊，且雙錐環不發生壓縮屈服。當內壓升高頂蓋上浮時，一方面靠雙錐環自身的彈性擴張而保持密封面上的比壓；另一方面靠介質壓力使雙錐環沿徑向向外擴張，使密封面上的密封比壓進一步增大，進而達到密封效果，方式如圖6所示。

雙錐密封的特點：加工精度要求不太高，生產周期短，可以用在較大的溫度、壓力、直徑範圍內，由於徑向自緊作用，在壓力和溫度波動下密封性能良好，主螺栓預緊力比平墊密封小。但仍需大螺栓承受預緊力和軸向力，密封元件大，零件較多。

圖6 雙錐密封形式

1-主螺母；2-墊圈；3-主螺栓；4-平蓋；5-雙錐環；6-軟金屬墊片；7-圓筒端部；8-螺栓；9-託環

2.3 「B」形環密封

B形環密封是一種自緊密封，依靠B形環波峰和筒體、頂蓋上的密封槽之間的徑向過盈來產生密封面的初比壓，以達到預密封。當內壓作用後，B形環向外擴張，密封比壓增加，保持很好的密封效果，其形式如圖7所示。

B形環密封的特點：對連接結構剛度要求低，適用於高壓和溫度波動較大的場合，壓力越高、直徑越大，密封效果越好。加工精度要求高，製造困難，拆卸不便，容易擦傷接觸面。

圖7 「B」形環密封形式

2.4 伍德密封

伍德密封結構是一種最早使用的自緊式密封結構。安裝時，將頂蓋、壓墊、四合環、牽制環依次裝入，擰緊拉緊螺栓，使四合環貼住筒體，用牽制螺栓將頂蓋吊起而壓緊楔形壓墊，達到初始預緊密封。操作時，壓力載荷全部加到浮動頂蓋上，密封比壓隨介質壓力上升而增加，其形式如圖8所示。

伍德密封的特點：溫度和壓力波動時，能保持良好的密封性能；介質壓力產生的軸向力通過頂蓋傳遞給壓墊和四合環，最後全部傳遞到上部筒體，沒有主螺栓，密封可靠。但結構複雜笨重、零件多，加工精度要求高，安裝要求高。

圖8 伍德密封形式

1- 頂蓋；2-預緊螺栓；3-螺母；4-支持環；5-四合環；6-拉緊螺栓；7-密封環；8-筒體端部

高壓密封的發展趨勢

（1）頂蓋置於筒體端部法蘭內部並與法蘭頂部齊平。在頂蓋和筒體端部法蘭的許多相對位置關係中，只有將頂蓋置於簡體端部法蘭內部，並與法蘭頂部齊平，才能使頂蓋重量最輕，法蘭高度最小。

（2）內壓所產生的軸向載荷和密封比壓所產生載荷由不同零件承擔，並採用軸向抗剪螺栓。頂蓋與筒體端部之間的承力構件對高壓密封裝置的受力和裝拆有很大影響，若設計得當，可使密封裝置裝拆方便，受力合理。

（3）採用小環面密封，並能單獨實現初始密封和預緊程度調節，減少密封面寬度，以及減小密封預緊作用力。將承力構件與密封元件截然分開，可以減輕螺栓載荷，消除承力構件加工精度對密封的影響，使兩者的設計更加顯得靈活。

（4）利用內壓的自緊作用，這是提高密封效果的一條最簡單有效的途徑，利用容器內壓實現的自緊密封，壓力越高，密封越可靠，而且適用於操作條件波動的情況。