（机械工程专业论文）主汽门半双锥环密封结构性能评价和改造.pdf

工程硕士学位论文 摘要 汽轮机自动主汽门半双锥环密封连接属于有径向自紧作用的半自紧式密封 结构，可应用在高温高压蒸汽阀门的密封上。自2 0 0 2 年以来，中石化仪征化纤 热电厂频繁发生半双锥环连接结构密封泄漏故障。因此，分析引起该结构密封失 效的原因，开展半双锥环密封连接性能评价与改造的研究十分迫切，研究结论可 对同类型电厂高温高压阀门的自密封泄漏分析处理提供依据，具有重要的工程意 义。 本课题以仪征化纤热电厂自动主汽门半双锥环密封连接结构为研究对象，对 其失效原因进行了分析，并对该结构进行改进和应用。 本文的主要研究工作和结论如下： ( 1 ) 对仪征化纤热电厂自动主汽门半双锥环密封连接结构进行现场工况调 查与分析。通过对现场损坏的密封连接结构进行分析发现阀体出现宏观裂纹，发 生泄漏的密封环上密封齿变形严重，密封面未能形成有效的啮合进而不能实现有 效密封。 ( 2 ) 对仪征化纤热电厂自动主汽门半双锥环密封结构相应部件的材料进行 力学性能试验，为有限元分析提供了计算依据。 ( 3 ) 分析了半双锥环密封连接结构工作原理，建立半双锥密封结构有限元 模型，通过对连接结构的变形和强度分析，揭示了连接结构密封失效的原因。 ( 4 ) 确定了自动主汽门半双锥环密封结构的最佳改造方案。将密封环厚度 增加1 5 m m ，其它构件不作调整。 ( 5 ) 确定自动主汽门升温、升压速度曲线标准；明确自密封部件拆卸安装 技术要求；总结出自动主汽门壳体裂纹的修复工艺技术和更换自动主汽门安装、 焊接、热处理技术要求。 从改进后的密封环使用效果情况来看，2 0 0 8 年4 月群1 机大修、2 0 0 9 年5 月 j 6 3 机大修中使用了新的密封环，自动主汽门自密封密封状况良好，迄今并未出 现半双锥环泄漏问题。 关键词：半双锥密封数值模拟泄漏结构改进 a b s t r a c t a b s t r a c t h a l f - d o u b l e c o n es e a l i n gs t r u c t u r ei su s e di na u t o m a t i cm a i nv a l v eo fs t e a m t u r b i n e i ti s s e l f - t i g h t i nr a d i a ld i r e c t i o na n dc a nb ea p p l i e du n d e re l e v a t e d t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e t h el e a k a g eo ft h i ss e a l i n gs t r u c t u r eh a sb e e nt a k e np l a c e f r e q u e n t l ys i n c e2 0 0 2i ny i z h e n gc h e m i c a lf i b e rt h e r m a lp o w e rp l a n t t h e r e f o r e ，i t i sn e c e s s a r yt om a k er e s e a r c ho nt h em e c h a n i c sa n ds e a l i n gp e r f o r m a n c eo ft h e s t r u c t u r ea n da n a l y z et h ec a u s e so ft h el e a k a g e t h ec o n c l u s i o n sc a nb eu s e da st h e b a s i so ft h el e a k a g ea n a l y s i sf o rt h es a m ek i n do fs e a l i n gs t r u c t u r e t h eh a l f - d o u b l e c o n es e a l i n gs t r u c t u r eu s e di nt h ey i z h e n gc h e m i c a lf i b e r t h e r m a lp o w e rp l a n tw a si n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r t h em e c h a n i c sa n ds e a l i n g p e r f o r m a n c ea n dt h ec a u s e s o ft h el e a k a g ew e r ea n a l y z e d ，a n dt h ei m p r o v e m e n t s c h e m ew a sa l s op u tf o r w a r d t h em a j o rr e s e a r c ha n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r e ： ( 1 ) i tw a sf o u n dt h a tt h e r ew a sm a c r o s c o p i cc r a c ko nt h ed a m a g e ds e a l i n g s t r u c t u r eb ys p o ti n v e s t i g a t i o n t h es e a l i n gt o o t hd e f o r m e ds e r i o u s l ya n di tw a s d i f f i c u l tt of o r ma na v a i l a b l em a t i n gs u r f a c e ( 2 ) t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l so ft h es e a l i n gc o m p o n e n t sw e r e t e s t e d ，a n di tp r o v i d e dt h ec a l c u l a t i o nb a s i sf o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( 3 ) t h es e a l i n g m e c h a n i s mo fh a l f - d o u b l e c o n e s e a l i n g s t r u c t u r ew a s i n v e s t i g a t e d t h ec a u s e so ft h el e a k a g ew e r ea n a l y z e dt h r o u g ht h ed e f o r m a t i o na n d s t r e n g t ha n a l y s i so ft h es t r u c t u r eb yu s i n go ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( 4 ) t h eo p t i m a li m p r o v e m e n ts c h e m eo fh a l f - d o u b l e - c o n es e a l i n gs t r u c t u r eu s e d i na u t o m a t i cm a i nv a l v eo fs t e a mt u r b i n ew a sd e t e r m i n e d t h a tw a st oi n c r e a s et h e t h i c k n e s so fs e a l i n gr i n gb y1 5 m mw i t hn oa d j u s t m e n to fo t h e rc o m p o n e n t s ( 5 ) t h er i s i n gc u r v e so ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so f d i s a s s e m b l ya n di n s t a l l a t i o no fs e a l i n gs t r u c t u r ew e r ed e f i n e d t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s o fr e p l a c e m e n t ，w e l d i n ga n dh e a tt r e a t m e n to fa u t o - m a s t e rv a l v ew e r ea l s oc o n c l u d e d t h ei m p r o v e ds e a l i n gr i n g sw e r eu s e di n # 1m a c h i n ei na p r i l2 0 0 8a n d 撑3 i i a b s t r a c t m a c h i n ei nm a y2 0 0 9 a n dt h e s em a c h i n e sw o r kw e l la n dn oo b v i o u sl e a k a g eh a s b e e nf o u n d u p 话n o w k e y w o r d s ：h a l f - d o u b l e - c o n es e a l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；l e a k a g e ；s t r u c t u r e i m p r o v e m e n t s i i i 工程硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论一1 1 2 典型金属垫片密封连接结构l 1 2 1 典型自紧密封结构“2 1 2 1 1 双锥环密封一2 1 2 1 2 伍德密封一4 1 2 2 金属垫片密封连接结构的泄漏形式一5 1 2 3 金属垫片界面泄漏的主要影响因素一6 1 2 3 1 金属垫片微观密封过程一6 1 2 3 2 影响界面泄漏的主要因素”7 1 2 3 3 现有密封模型一7 1 3 国内外金属密封环的研究现状9 1 3 1 理论研究一9 1 3 2 试验研究1 0 1 3 3 数值模拟研究1 2 1 3 4 设计方法13 1 4 本论文选题的意义和研究内容一1 4 第二章自动主汽门泄漏故障状况及自密封的失效原因分析1 6 2 1 汽轮机自动主汽门简介l6 目录 2 2 自动主汽门自密封结构介绍一18 2 3 自动主汽门最近几年来泄漏情况一l8 2 4 自动主汽f - i 自密封泄漏原因分析”1 9 2 4 1 自密封泄漏处理经过1 9 2 4 2 自密封结构处理初步原因分析2 2 2 5 自动主汽门阀体变形情况及分析”2 3 第三章自动主汽门自密封材料的力学性能试验2 5 3 1 自密封材料拉伸性能试验一2 5 3 1 1 试验原理和方法2 5 3 1 2 试验设备与试样2 5 3 1 3 试验结果2 6 3 2 线膨胀系数试验一2 7 3 2 1 试验原理和方法2 7 3 2 2 试验设备与试样2 8 3 2 3 试验结果2 8 第四章自动主汽门密封结构有限元分析及结构改进3 0 4 1a b a q u s 简介一3 0 4 2 自动主汽门密封结构分析3 0 4 2 1 创建几何部件31 4 2 2 设置分析步3 2 4 2 3 定义边界条件和载荷3 2 4 2 4 网格划分3 2 4 2 5 结果分析与讨论3 3 4 3 结构改进”3 5 工程硕士学位论文 4 3 1 增加密封环高度3 5 4 3 2 减小压紧环高度3 8 4 3 3 减小门套高度3 9 4 4 结果与讨论“4 l 第五章自动主汽门使用及安装检修中应注意的问题4 2 5 1 自动主汽门使用注意事项一4 2 5 2 自动主汽门解体及自密封拆卸要求一4 4 5 3 检修过程中注意事项”4 4 5 4 自密封结构关键检修工艺技术要求一4 5 5 4 1 压紧环、密封环更换周期4 5 5 4 2 自密封装配时有关参数值4 5 5 5 自动主汽门阀体裂纹修复技术要求”4 6 5 5 1 焊接工艺及要求4 6 5 5 2 热电偶装置施工步骤4 7 5 6 自动主汽门阀体更换技术要求一4 7 5 6 1 旧壳体的拆除4 7 5 6 2 新壳体的安装4 7 5 6 3 施工工艺要求4 8 第六章结论与展望5 0 6 1 结论“5 0 6 2 展望5 0 参考文献5 1 致谢5 5 工程硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 流体密封装置广泛应用于工业、农业、国防和人们的日常生活中。密封技术 对于机电产品防止“三漏”( 油、水、气) ，保证安全运行，提高性能和效率，节 约能源，保护环境等方面具有重大意义。在强调经济和社会可持续发展的2 1 世 纪，密封技术的重要性尤为突出，因此世界各国均高度重视密封技术的研究和应 用。 随着科学技术的发展，工业生产中高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性、剧毒 和放射性介质的工况日益增多。这些系统一旦产生泄漏，轻则造成能源和原材料 的大量浪费，设备不能正常工作，重则导致设备报废、整个工厂或系统陷于瘫痪， 人员伤亡和严重的环境污染，因此密封元件性能的研究具有十分重大的意义。 火力发电厂高温高压阀门普遍使用自紧密封装置，由于多种原因，自密封效 果各不相同。汽轮机自动主汽门采用齿形半双锥金属密封，承压高，温度变化大， 密封要求高，自密封结构直径大。2 0 0 2 年至今，仪征化纤热电厂发生了多起自 动主汽门泄漏事故，造成直接损失5 0 多万元，影响主体生产厂用电、用汽，间 接损失上百万元。 因此，针对自动主汽门泄漏的情况，以自动主汽门的半双锥环密封结构为研 究对象，通过对齿形半双锥环密封结构材料机械性能试验，并对半双锥密封结构 进行有限元分析，确定自动主汽门自密封泄漏原因；提出改进方案，对原有连接 结构进行改进，研制出满足实际工况需要的半双锥环密封连接结构，确保密封要 求，保证自动主汽门长周期可靠安全运行。 1 2 典型金属垫片密封连接结构 由于石油、化工、核能、航空航天、海洋开发等领域所采用的某些装备， 其介质性质和操作工况十分苛刻，如强腐蚀性、放射性、超低温、超高温、高真 空、超高压等。这些装备密封要求非常严格，一般的垫片无法满足，而金属垫片 往往成为首选。设备与管道连接中广泛使用的高压密封结构如图1 1 所示，本文 第一章绪论 以半双锥齿形金属密封连接结构为研究对象。 ( a ) 八角垫密封 ( b ) c 型环密封 ( c ) 金属平垫密封 瞄闵 秀 惑 ( d ) 0 型环密封( e ) q 环密封( f ) 双锥环密封 图l 一1 常见高压密封结构 f i g 1 1c o m m o nh i g hp r e s s u r es e a l i n gs t r u c t u r e 1 2 1 典型自紧密封结构 自密封的原理是利用介质的压力在密封部位产生附加的密封比压，以阻止介 质的泄漏，介质压力越高，垫片压得越紧，密封就越可靠。因此预紧力不需很大， 相应的连接尺寸就可减小，并能保证压力和温度有波动时连接的紧密性。因此自 紧密封是一种比较理想的非强制式密封形式。 1 2 1 1 双锥环密封 双锥环密封属自紧式密封，以下双锥环密封结构保留了预紧螺栓。它是由筒 体端部、金属双锥环、软金属垫片、平垫圈、托环和主螺栓组成，如图1 2 所示。 金属双锥环一般采用软钢或不锈钢制作双锥面密封垫。双锥环置于筒体与顶盖之 间，用托环将双锥环托住，以便装拆，托环用螺钉固定在顶盖的底部，通常密封 面上还放有l m m 左右的金属软垫片，靠主螺栓使软垫片发生塑性变形而达到初 始密封。为了增加密封的可靠性，在双锥环的密封面上还开有2 3 个沟槽，深约 工程硕士学位论文 l m m ，半径为1 1 5 m m 的半圆形槽或三角形槽。两个斜的密封面上软金属垫片， 常用退火铝、退火紫铜或奥氏不锈钢等，双锥面的背面靠着平盖，但与平面之间 又留有间隙e ，预紧时双锥环的内表面与平盖贴紧。 图1 2 双锥环密封结构图 f i g 1 - 2 d o u b l e c o n es e a l i n gs t r u c t u r e 1 一主螺母；2 一垫圈；3 一主螺栓：4 一顶盖；5 一双锥环； 6 软金属垫片；7 简体端部：8 一螺栓；9 托环 双锥环在安装时，其内侧面和项盖支承面处于间隙状态，预紧时，主螺栓使 衬于双锥面上的软金属和平封头、筒体顶部的锥面相接触并压紧以保证两锥面的 软金属衬垫上达到足够的预紧密封比压；同时，双锥环本身受到径向压缩，使双 锥环的内侧面和顶盖支承面间隙e 值消失而贴合在一起，间隙设计得要使双锥环 贴紧时不发生压缩屈服。当内压升高平盖上浮时，介质进入双锥环与顶盖的环形 间隙，使螺栓等连接件发生变形( 主要是螺栓变长) ，受压锥环也相应产生回弹； 此外，在介质压力作用下，双锥环向外扩张，从而弥补了螺栓等连接件的变形所 带来的密封比压下降。为了保证良好的密封性，两锥面上的比压不能小于该软金 属垫片所需要的操作密封比压。由于双锥面上的密封比压是金属双锥环的回弹以 及金属环在介质内压作用下所引起的径向扩张两个因素所引起，前者相当于平垫 密封中平垫的回弹作用，后者则由介质内压所引起，并且锥面上的密封比压随介 质压力的升高而增加。因此双锥环密封是具有径向自紧作用的自紧式密封结构。 双锥环密封结构简单，加工精度要求不是很高，装拆方便，能适用于压力与 温度波动场合。双锥环材料应有好的韧性，以使它在压缩状态下有足够的回弹力， 常用材料有2 5 、3 5 、2 0 m n m o 、1 5 c r m o 、1 c r l 8 n i 9 t i 等。双锥环密封适用于设 计压力为6 4 3 5 m p a ，温度为0 - 4 0 0 。c ，内径为4 0 0 2 0 0 0 m m 的压力容器。 第一章绪论 1 2 1 2 伍德密封 伍德密封是较早出现的一种自紧式密封结构，如图1 3 所示。它是由顶盖、 筒体端部、牵制螺栓、牵制环、四合环、拉紧螺栓、楔形压垫等元件组成。其中 楔形压垫为关键零件，其外锥面上加工出1 2 道约5 m m 深的环形槽，既增加了 楔形压垫的柔度，使之更易与密封面贴合，又减少了密封面的接触面积，提高了 密封比压。该密封的密封面均有较高的粗糙度要求，需经研磨，以保证密封可靠。 图1 3 伍德密封结构图 f i g 1 3 w o o ds e a l i n gs t r u c t u r e a ) 伍德密封结构；b ) 结构受力分析 伍德密封中的四合环是由四块元件组成的圆环，每块元件上均有一螺孔。安 装时，将顶盖、压垫、四合环、牵制环依次装入，再由牵制螺栓将顶盖吊起并压 紧楔形压垫和封头之间的线接触面( 实为一狭窄环带) ，达到预紧密封。也可以 通过拧紧拉紧螺栓而使四合环向外扩张，使楔形压垫压紧顶盖的球面上面而达到 预紧密封。当介质压力升高后，顶盖向上浮动，使顶盖球面部分和楔形压垫问压 紧力增加，保证密封，并且介质压力越高，楔形压垫上的密封比压越大，密封越 可靠，所以伍德密封属轴向白紧式密封。 伍德密封的主要优点： ( 1 ) 全自紧式，压力和温度的波动不会影响密封的可靠性； ( 2 ) 介质产生的轴向推力经顶盖传给压垫和四合环，最合均由简体承担，无 需主螺栓，拆卸方便； ( 3 ) 由于顶盖密封面是圆弧面，组装时顶盖即使有些偏斜，在升压过程中也 可自行调整，不至于影响密封效果。其缺点是结构笨重，零件多，加工要求高， 4 工程硕士学位论文 顶盖占据筒体高压空间较多。 楔形压垫的材料一般采用2 0 、2 0 c r m o 、1c r l8 n i 9 t i 、0c r l8 n i 9 ；顶盖材料 要求比压垫材料硬，常用的材料有1 4 m n m o v b 、18 m n m o m b 、2 0 m n n o 。抗氢 的场合可用1 2 c r 3 n i m o a 、2 0 c r 3 n i m o a 、2 4 c r m o n i 。顶盖圆弧处表面粗糙度要 求不低于1 6 u m 。 1 2 2 金属垫片密封连接结构的泄漏形式 泄漏即介质从有限空间内部流动到外部，或者从外部进入有限空间内部的人 们不希望发生的现象。螺栓法兰垫片连接结构的泄漏主要以两种形式出现的，即 所谓的“界面泄漏”和“渗透泄漏”，如图1 4 所示。界面泄漏是指发生在垫片与 法兰密封面之间的泄漏；渗透泄漏是指发生在垫片材料内部的泄漏。 渗透 1 2 j - z钐缓3 泄漏 荨霜一畛 界面泄漏 心沁4 ； j 。 心 图1 4 界面泄漏与渗透泄漏 f i g 1 4 l e a k a g eo ni n t e r f a c eo f j o i n t sa n dp e n e t r a t i o n 1eakage t h r o u g hg a s k e t s 1 螺栓2 - 上法兰3 垫片4 _ f 法兰 对于金属垫片密封连接结构是通过拧紧螺栓，使法兰与垫片接触表面产生较 大的压紧应力，从而使法兰表面与垫片表面紧密贴合，填充法兰和垫片密封表面 的微间隙，亦即减小被密封流体的泄漏通道。由于任何制造或加工方法都不可能 形成绝对光滑的理想表面，实际密封表面形貌为凹凸不平，如图1 5 所示，而且 密封面间也不可能实现完全嵌合，所以在相互接触的密封面间总是存在着细微的 第一章绪论 图1 5 密封面的表面形貌 f i g 1 5t o p o g r a p h yo f t h es e a l i n gs u r f a c e 间隙或通道，如图1 - 6 所示。因而，对金属垫片密封来说，界面泄漏是不可避免 的，而渗透泄漏通常可忽略不计。 ( b 法兰 金属垫 法兰 金属垫 法兰 金属垫 ( c 图l 一6 密封面微观密封过程 f i g 1 - 6m i c r o - s e a l i n gp r o c e s so f t h es e a l i n gs u r f a c e 1 2 3 金属垫片界面泄漏的主要影响因素 1 2 3 1 金属垫片微观密封过程 金属垫片密封过程中密封面的微观结构如图1 - 6 所示。在加载过程中，泄漏 率随密封表面上微凸体的压缩变形而变化。密封面间首先接触的是表面微凸体顶 部，如图1 - 6 ( a ) 。在加载过程的初期，因局部载荷很大，这些凸出部分很快被 压平或嵌入凹陷部分直至图l 一6 ( b ) 状态，此时尽管密封表面上微凸体已产生了 一定的压缩变形，但泄漏仍很严重。在此阶段中，密封面大部分呈自由状态，间 6 工程硕士学位论文 隙很大，基本上没有密封能力，尚不能形成初始密封。由l 。6 ( b ) 状态继续加载， 密封面间波峰、波谷相互穿插、嵌合，微间隙逐渐减小直至配合面吻合，如图 1 6 ( c ) 。在该阶段，流道截面随压紧应力增加而减小，流道阻力随之增大，泄 漏率相应减小，即增加压紧应力可以控制泄漏，故该阶段通常称之为正常密封阶 段。从图1 6 ( c ) 可以看出，当密封面基本吻合后，若继续增加压紧应力，密封 表面上微凸体的压缩变形增加甚微，泄漏率则几乎不变。此时由初始表面形貌所 形成的微间隙基本上已被堵死，密封面大部分已嵌合，泄漏通道主要由表面缺陷 如裂纹、划伤等形成，而要进一步消除这部分间隙则十分困难。卸载过程中，密 封面上由于相互嵌合而产生的塑性变形，不因卸载而恢复，此时，只要垫片未被 完全压实，垫片的回弹能力能够补偿由于介质压力所引起的压紧面间的轴向位 移，连接总是具有一定的密封能力。这就是在相同压紧应力下，卸载时的泄漏率 远小于加载时的泄漏率的原因。但是，由于密封面上应力分布是不均匀的，嵌合 过程中并非垫片的整个表面都形成了与法兰面相吻合的塑性变形，其中一部分波 峰和受力较小的波谷处仍处于弹性状态。这部分弹性变形将随压紧应力的减小而 恢复，于是一部分微间隙又重新出现，泄漏率又渐渐增大。 1 2 3 2 影响界面泄漏的主要因素 通过对金属垫片微观密封过程分析可见，造成金属垫片连接结构界面泄漏的 根本原因是由于密封表面上存在间隙以及密封面两侧存在压力差或浓度差。由于 实际密封面是粗糙的，即使对密封面施加压紧应力，密封面间也不可能实现完全 嵌合，当密封面两侧存在泄漏推动力时，就会发生界面泄漏。要减少泄漏，就必 须设法实现密封面的最大程度的嵌合，即减小泄漏通道的截面积、增加泄漏阻力， 并使之大于泄漏推动力。文献 2 ，3 】研究表明，在相同压紧应力下，密封表面越光 滑，泄漏率越低。由此可见，密封表面的表面形貌、压紧应力以及介质压力为金 属垫片界面泄漏的主要影响因素。 1 2 3 3 现有密封模型 对垫片密封来说，泄漏是不可避免的。人们在对密封机理进行广泛研究的基 础上，提出了多种密封模型对垫片密封的泄漏现象进行描述。现有的垫片密封模 型主要有五种，即圆管模型、平行平板模型、平行圆板模型、三角沟槽模型和多 孔介质模型h j 。 第一章绪论 圆管模型认为泄漏可看成粘度为叼的介质在一直径不变的水平圆管内由一 端向另一端的稳定的层流流动，其体积泄漏率为 l ： ( 1 1 ) v 死r 4 ( p l - p 2 ) 8 z 叩 式中，只为圆管半径，z 为管道长度，p l 为管道入口处的压力，见为管道出口处 的压力。 平行平板模型认为泄漏可以看成介质在两块固定无限长二维平行平板间不 可压缩流体的稳定层流流动，其体积泄漏率为 厶，：婴鱼! 二趔( 1 2 ) 1 2 l 7 平行圆板模型将流体介质通过密封点的泄漏简化为介质通过间隙高度h ，压 力差( p 。- p ：) ，由圆板内径r l 处流至外径 2 处的定常层流流动，其体积泄漏率 为 驴詈南”岛) ( 1 3 ) 乙2 i 而协叩2 3 三角沟槽模型认为，密封面间( 如垫片与法兰面) 的间隙由许多三角沟槽所 组成，设h 为三角沟槽的深度，b 为三角沟槽的底宽，为流道的长度( 通常为 垫片的宽度) ，j d 为介质密度，p l 、成分别为流道两端的压力，则体积泄漏率为 对于液体： 6 矗3 卸 厶，= 二( 1 4 ) 。 c r l l 对于气体： l v ：b 3 a ( p ) 2 ( 1 5 ) 一 j 2 c r p 1 ， 式中，c 为常数。 多孔介质模型认为气体通过多孔介质的流动状态可分为层流和分子流，其流 工程硕士学位论文 如吐h m 硝p 2 - p l m m 船驴( p 2 - p l l r m ) ( 1 6 ) z v 式中，忱、n m 、a 和么m 为回归系数。 在这几种模型中，多孔介质模型最为合理，它较好地描述了垫片密封的泄漏 状况，但它是针对非金属垫片的。 1 3国内外金属密封环的研究现状 1 3 1 理论研究 在国外，k o l l m a n n 5 】在文献【6 】理论分析的基础上，依据虎克定律，对金属平 垫在高压工况下的弹、塑性应力应变进行了分析，发现在高压下，金属平垫发生 显著的弹性变形且影响其密封性能，得到了相应的应力应变公式。应力应变公式“ 的建立为金属平垫设计提供了理论依据。t h o m a s 【7 1 采用g w 【8 1 和m r 9 1 弹性接触 模型研究了表面粗糙度对金属密封表面变形的影响，研究表明表面形貌对金属密 封性能影响很大，在相同的密封程度下，使密封面的接触区产生弹性变形所需要 的接触力不一定小于产生塑性变形所需要的接触力，接触表面越粗糙这种情况越 明显。k o m d o r f i l 0 】详述了双锥环密封的计算方法，在此方法中考虑了具有摩擦力 的双锥环因内压载荷所产生的附加螺栓力，但忽略了由预紧力所产生的双锥环应 力。b e r t s c h 等【l l 】推导出了双锥环的螺栓力及密封比压和内压的关系式，从而能 够较准确地计算双锥环的有效密封力。n e p m n h a 等旺1 计算- tx l 锥环的预紧 力。研究表明，在力平衡方程式中除了应考虑摩擦力并确定密封垫的轴向柔度外， 还应考虑由于摩擦力变向所引起的连接结构刚性的变化。 在国内，兰州石油化工机器厂二分厂技术组【1 3 】依据双锥环密封连接的变形协 调条件，用解析方法描述双锥环密封结构升压和降压的工作过程，提出了各个工 作阶段的螺栓力和密封力与压力载荷的解析关系，并试图以简化的力学图解加以 直观的说明。分析表明，双锥环密封结构的密封性能与预紧力的关系很小，论证 了确定预紧力的依据。合理设计的双锥环密封结构的主螺栓载荷可控制在 1 0 5 1 1 倍的流体静压轴向力。文中对双锥环的几何参数的选择进行讨论，并对 现行设计规范的双锥环尺寸提出了修改意见。巢建伟【1 4 】从理论上分析了超出标准 的高压和大直径八角垫的受力情况，给出了预紧和操作状况下螺栓载荷的计算公 式，此公式中螺栓载荷的计算不是以聊、y 值为基础，而是与预紧比压、操作压 9 第一章绪论 力、螺栓和八角垫的材料尺寸、摩擦角有关，并提出了设计使用八角垫时的注意 事项。梁乃章【1 5 1 分析了目前国内采用的透镜垫连接系统螺栓载荷计算公式中存在 的问题，着重探讨了摩擦力、介质种类及工作压力对螺栓载荷的影响，并提出了 初步的改进意见。冯秀和顾伯勤【1 6 t1 7 1 通过对不同压应力下的金属垫片密封表面 轮廓曲线进行测量，依据分形几何理论研究了金属垫片密封表面形貌的分形特 征，采用结构函数法计算表面轮廓的分形维数、尺度系数和特征尺度系数，探讨 了压应力对这些分形参数的影响，并依据分形几何理论，结合不可压缩粘性流体 层流流动理论，建立基于分形参数的金属垫片泄漏模型，该模型揭示了泄漏率与 密封表面形貌之间的关系。 1 3 2 试验研究 在国外，b u c h t e r 1 8 1 对金属垫片密封进行了一系列的试验研究发现，使金属 密封面的接触区产生弹性变形的接触力不能够形成耐高压的紧密密封，只有在密 封接触力使接触面产生永久变形时，才能够形成密封，且密封接触力是垫片材料 屈服强度的两倍。高压密封连接的密封元件不需要很高的表面光洁度。b a z e r g u i 1 9 】 对椭圆垫进行了试验研究，结果发现随着垫片应力的增加，泄漏率降低速度很快， 而达到某一垫片应力后，泄漏率随垫片应力变化很小。m a t s u z a k iy o s h i l 2 0 】等利用 薄的聚碳酸酯软片观察了金属平垫接触状态泄漏行为。 g g 冬 奢 鹾 u 山 南 黼 繇 图1 7 线密封比压与紧密性系数关系 f i g 1 - 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i n e a rc o n t a c tp r e s s u r e a n dt i g h t n e s sp a r a m e t e r 在国内，各种金属垫片试验研究也很活跃。合肥通用机械研究所高压密封课 1 0 工程硕士学位论文 程组 2 1 - 2 3 】对1 0 0 0 m m 的金属“o ”形环进行了密封试验，探索了螺栓预紧力、压 扁度、温度及径向错动对密封性能影响，比较了各种规格“o ”形环的密封性能。 研究结果表明，螺栓预紧力可按大于+ 1 3 倍流体静压轴向力选取，压扁度取0 7 左右。不同的使用温度下，金属“o ”形环应选取不同的材料，一般操作温度在 3 0 0 以上时，可采用因科镍管材，3 0 0 以下可选不锈钢管材。金属“o ”形环表 面镀银可以改善密封性能，同时可以防止径向错动所引起的法兰密封面擦伤。李 压明 2 4 j 对两种小尺寸不锈钢“0 ”形环进行了力学性能和密封性能试验研究及弹 性强度分析，发现线密封比压与紧密性系数关系，如图1 7 所示，彳部分曲线上 有两个转折点局与恐，提出实际工况下线密封比压值应小k l 点的比压值。虽然 “o ”形环的回弹性能不好，但b 部分曲线的斜率很大，说明不锈钢“o ”形环操作 时密封性能随比压变化很小。文献 2 4 亦分析了“o ”形环表面镀银对密封性能的 影响，表面镀银改善了密封性能，但镀银层厚度应大于1 0 2 0 岬。王立业等【2 5 】 和王学文等犯6 j 的研究结果表明，无论是八角垫，还是椭圆垫，垫片材料的硬度和 密封面的粗糙度对密封性能均有影响，而粗糙度的影响程度比硬度的影响小得 多。在通常的体积泄漏率指标下，y 的试验值要小于a s m e 规范推荐值，而m 试验值对气体介质远大于规范值，对液体介质则与规范值较接近。在加载初期， 随着载荷增加紧密性系数迅速增大，而当载荷达到某一值后，继续加载对紧密性 系数无太大影响。石泽华等【27 j 对空心金属“o ”形环进行了常温定量气密封试验研 究，研究表明空心金属“o ”形环在氦气体介质中密封性能优良，并可以重复使用。 合肥通用机械研究所高压课题组【2 2 9 】对双锥环密封进行了试验，探索了双锥环 在预紧阶段和工作阶段的密封机理，指出了影响双锥环密封的主要因素，初步验 证了双锥环密封的设计方法。吕理荣等【3 0 j 在文献 2 9 的基础上，对双锥环进行了 高温高压( 压力3 2 m p a 、温度3 0 0 ) 密封试验。结果表明，在高温下，双锥环 密封对螺栓预紧力减小、法兰错动并不敏感，适应性较强。同时，也证明了在 3 0 0 高温下密封参数的选取及设计计算方法可按常温下的结果进行。合肥通用 机械研究所高压密封课题组【3j 】对无垫双锥环与镶丝双锥环进行了试验研究，探索 了这两种密封结构的密封机理、影响因素及密封的可靠性。研究结果表明，当无 垫双锥环及上下法兰密封面表面粗糙度为r a 3 2m m 时，泄漏比较大，不能满足 密封的要求。无垫双锥环密封节省了软金属垫，安装和拆卸方便，但要求双锥环 第一章绪论 与上下法兰密封面具有较高的加工精度及光洁度。而镶丝双锥环既具有普通双锥 环的优点，又有结构合理、经济实用、密封性能好的特点，是实现密封结构大型 化的优良密封结构。钟大鸣【3 2 】根据大量试验，分析t 3 n 铝垫双锥环的密封特性参 数、密封面宽度和密封面接触状况等问题。张立权等【3 3 】对透镜垫密封进行了试验 研究，发现合理选取预紧力是透镜垫可靠密封的重要保证。于新奇【3 4 j 对金属透镜 垫的密封性能作了深入的试验研究，探讨了介质压力、比压、表面粗糙度、介质 种类等因素对透镜垫密封性能的影响。采用线弹性理论，将螺栓、法兰和透镜垫 看作一个相互影响的整体进行了理论分析，推导出了连接系统螺栓力的计算公 式，且计算值与试验结果比较吻合。胡少波等瞰j 对金属八角垫的常温力学性能和 密封性能进行了试验研究，提出了压缩回弹性能和密封性能的公式表示方法，通 过试验数据的回归分析得到了公式中的系数。在此基础上，建立了一种确定八角 垫预紧载荷的新方法。 目前金属垫片性能试验大多在刚性法兰上进行，但实际连接中，法兰发生偏 转，垫片的接触应力分布是不均匀，这势必将影响连接的密封性能。因此，有必 要研究垫片接触应力分布不均匀时连接结构性能。 1 3 3 数值模拟研究 近年来，随着计算软件的蓬勃发展，数值模拟成为研究金属垫片连接系统性 能的强有力手段。蔡仁良等【3 6 j 利用p a f e c 有限元软件对各种操作工况下的八角 垫进行热分析和弹性应力分析，结果发现设备内部介质温度变化引起的法兰与螺 栓的温度滞后，有可能使八角垫的线密封比压降到临界值以下而发生泄漏，尤其 在降温阶段，温度滞后对连接密封的影响更为显著。因此有必要采取如控制降温 速率等对策。周剑秋等【37 】用二维、三维有限元法对大直径八角垫密封进行模拟计 算，并与规范方法和文献 3 8 方法进行比较，结果表明三维有限元计算值最准确。 法兰和垫片在加压过程中发生了扭转变形，其中垫片外侧最下点和内侧最上点应 力值最大。戴俊鸿等【3 9 】对八角垫残余变形进行了分析，发现八角垫与法兰存在较 大的热膨胀差是产生塑性变形的主要原因之一，这可以通过改变八角垫材料得到 解决。梁红野等【4 0 】采用有限元法对高温高玉, j k 角垫密封体系的动态密封特性进行 分析。研究表明，法兰八角垫螺栓系统的动态密封失效的主要原因，是由于密封 体系的温度变化导致了原有的平衡被破坏，在达到新的平衡过程中，体系各部分 1 2 工程硕士学位论文 之间存在严重的不同步现象，造成动态密封失效。通过采用选择合适的材料，合 理控制操作工艺等措施，可以有效避免动态密封的失效。彭向和等【4 l 】采用非经典 大变形弹塑性理论和相应的结构分析有限元程序对压力容器法兰密封结构元件 “0 ”形环的压缩、回弹以及在随后的循环加、卸载过程中的松弛进行了分析。与 试验结果的比较表明，所采用的本构模型和算法具有较好的计算精度、效率和收 敛性。冯秀等【4 2 】运用a n s y s 的接触分析功能，对不锈钢空心“0 ”形环在常温下 的压缩回弹过程进行了数值模拟，得到了回弹量与压扁度的关系曲线，进而确定 了最佳压扁度以及对应的密封比压，数值模拟结果与试验结果十分吻合。蔡仁良 等【4 3 】采用p a f e c 有限元程序对国内某厂一台双锥环密封的高压分离器在非正常 操作中出现的泄漏失效进行了模拟。梁红野、陈彦泽【删采用有限元方法，建立了 在高温条件下的法兰八角垫连接的三维力学一热传导耦合的计算模型，并对其动 态密封性能等进行了分析。张永1 4 5 】等通过建立一大型氨合成塔封头法兰双锥环密 封结构的三维有限元分析模型，得到预紧和正常操作两种工况下密封面上的垫片 应力，并探讨了双锥环内侧与顶盖圆柱面之间径向间隙对密封性能和双锥环应力 的影响。 迄今为止，对金属垫片连接结构数值模拟研究主要集中在连接结构强度分析 方面，而对于连接结构中金属垫片接触应力分布研究很少。部分学者认为，垫片 的局部接触应力对螺栓法兰连接结构密封性能的影响较垫片的平均应力更大 4 6 - - - 4 8 】。研究垫片接触应力分布及其对垫片密封性能的影响是合理解决金属垫片 连接紧密性问题的前提。 1 3 4 设计方法研究 目前，金属垫片连接的设计方法一般沿用非金属垫片的设计及选用方法， 主要有美国a s m e 规范设计方法【4 9 】、我国g b l 5 0 1 9 9 8 规范设计方法酬以及西 德d i n 2 5 0 5 规范设计方法【5 1 】。规范设计方法以垫片系数或线密封比压为依据， 以强度为设计准则，没有考虑诸如泄漏量、表面粗糙度、装配应力等因素的影响。 国内在金属垫片连接设计方法方面的研究较少，钟学军 5 2 j 根据椭圆垫的试验、表 面屈服载荷计算及有限元分析，提出了椭圆垫连接结构的设计方法，但这种方法 本质上是以连接结构强度作为判据，并没有定量泄漏和紧密性的概念。 第一章绪论 1 , 4 本论文选题的意义和研究内容 本论文选题的意义： 仪征化纤是国家“六五”和“十五”计划期间重点投资建设项目，主生产装置分 别从德国、日本、意大利和法国等国家引进，通过不断的技术改造，工艺技术达 到业内先进水平。目前是中国最大的现代化化纤和化纤原料生产基地，是世界第 四大聚酯生产商，聚酯聚合产能居世界首位。仪化热