郭 良 黃國昌 唐曉寧 王錦生 曹 蕾

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢，643001)

一種O型圈的全自緊式密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

郭 良 黃國昌 唐曉寧 王錦生 曹 蕾

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢，643001)

通過對(duì)O型橡膠密封圈(后文簡稱：O型圈)的密封原理及失效機(jī)理的分析，新設(shè)計(jì)出一種O型圈的全自緊式密封結(jié)構(gòu)，并在大型高壓設(shè)備中應(yīng)用。解決了O型圈密封在大型結(jié)構(gòu)使用時(shí)O型圈不被擠食，而要求高精度加工及高難度的裝配問題。

O型圈 全自緊式 密封結(jié)構(gòu)

1 引言

高壓自緊式密封元件有B形環(huán)、C形環(huán)、三角墊、O型環(huán)、空心金屬O型環(huán)。這些密封元件不是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件體積龐大，就是密封件加工精度高、制作成本高。在150℃以下的動(dòng)、靜密封中常用O型圈密封，常用的溝槽為矩形溝槽。本文針對(duì)O型圈的密封機(jī)理和失效原理，探尋出一種結(jié)構(gòu)簡單，密封效果好的全自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)，從而解決O型圈密封在大型結(jié)構(gòu)使用時(shí)O型圈不被擠食失效，而要求高精度加工及高難度的裝配問題。

2 O型圈密封及失效原因

O型圈是一種擠壓型密封，其基本工作原理是依靠密封件發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓，則不發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏。這種靠介質(zhì)本身壓力來改變O型圈接觸狀態(tài)，使之實(shí)現(xiàn)密封的性質(zhì)，稱為自密封作用。

O型圈的失效主要原因有O型圈的壓縮率和拉伸率設(shè)計(jì)不合理使O型圈永久變形、使用溫度導(dǎo)致O型圈永久變形、工作介質(zhì)引起O型圈永久變形、O型圈的硬度和密封間隙的不匹配等原因，使介質(zhì)從密封通道泄漏。

3 全自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)及其密封原理

本密封結(jié)構(gòu)由密封托架、軸向O型圈、徑向O型圈共同組成，統(tǒng)稱全自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)(后文簡稱“密封結(jié)構(gòu)”)，見圖1。密封托架上的密封溝槽選用矩形結(jié)構(gòu)。安裝密封結(jié)構(gòu)后能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸向通道和徑向通道的密封，在徑向通道上通過機(jī)加工裝配公差實(shí)現(xiàn)O型圈的預(yù)緊壓緊力和操作狀態(tài)的壓緊力。由O型圈的密封原理可知，軸向通道上無需施加過大的預(yù)緊力就能實(shí)現(xiàn)初始密封，操作狀態(tài)的壓緊力由設(shè)備內(nèi)部壓力將密封托架向上托舉產(chǎn)生的力來實(shí)現(xiàn)密封。

圖1 密封結(jié)構(gòu)密封機(jī)理說明

設(shè)備腔內(nèi)壓力開始升高時(shí)，O型圈在滿足初始密封的同時(shí)，密封托架在內(nèi)壓的作用下發(fā)生彈性變形，隨著壓力的升高，密封托架的彈性變形亦在不斷的增大，當(dāng)壓力增大到某一臨界值時(shí)，此臨界值應(yīng)小于設(shè)備設(shè)計(jì)壓力，腔內(nèi)介質(zhì)的壓力可使密封托架發(fā)生彈性變形，而消除密封托架與徑向的間隙S1，使S1接近于零，從而實(shí)現(xiàn)高壓工作狀態(tài)的密封?？赏ㄟ^調(diào)整密封托架的結(jié)構(gòu)型式及尺寸，使密封托架既要在彈性變形范圍工作，又要使其在較低的壓力下實(shí)現(xiàn)用彈性變形量來消除其本身與徑向間隙S1。當(dāng)腔內(nèi)壓力升高時(shí)，密封托架在內(nèi)壓的作用下將有向上的位移，從而消除密封托架與軸向零件的間隙S2。通過整個(gè)密封結(jié)構(gòu)的共同作用從而實(shí)現(xiàn)全自緊密封。

設(shè)備內(nèi)部壓力升高時(shí)，作用在密封結(jié)構(gòu)上的壓力使密封結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形，消除密封結(jié)構(gòu)與徑向零件之間的間隙，防止O型圈在高壓下被劑食失效，從而實(shí)現(xiàn)高壓密封。密封結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形之前的壓力必須小于O型圈被擠壓失效的臨界壓力，應(yīng)通過不斷的改變密封結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸使密封結(jié)構(gòu)發(fā)生變形量的壓力越小越好，同時(shí)還應(yīng)保證密封結(jié)構(gòu)在加工時(shí)所需要的強(qiáng)度及剛度。

4 全自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用

4.1 某工程高壓容器設(shè)計(jì)參數(shù)

某工程的高壓容器參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力(MPa)： 42；工作壓力(MPa)：40；設(shè)計(jì)溫度(℃)：45；工作溫度(℃)：4～40；工作介質(zhì)：淡水；設(shè)計(jì)使用年限(年)：20；內(nèi)部有效空間(mm)：內(nèi)徑：Di=Φ2500；耐壓試驗(yàn)壓力(MPa)：52.5(立式)(介質(zhì)：水)。

1.筒體 2.密封托架 3.筒體端部 4.剪切環(huán) 5.O型圈 6.O型圈圖2 某高壓設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

圖2某高壓設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖為了使設(shè)備更具有密封的保險(xiǎn)性，在采用全自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，頂蓋圓柱面上設(shè)了三道O型圈密封環(huán)，作為密封備用方案。設(shè)備整體耐壓試驗(yàn)時(shí)頂蓋圓柱面只裝二道密封圈。

4.2 密封托架結(jié)構(gòu)

圖3 密封托架結(jié)構(gòu)及尺寸

4.3 結(jié)論

(2)O型圈發(fā)生擠食失效處的間隙處的密封溝槽過渡圓角半徑對(duì)O型圈的密封效果起著重要的作用。上述分析可知，當(dāng)密封槽頂過渡圓角半徑由R2改為應(yīng)為R0.8mm以下時(shí)，密封效果較好。

5 密封驗(yàn)證

應(yīng)用全自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)的容器，在設(shè)備耐壓試驗(yàn)時(shí)要求裝配完整密封元件進(jìn)行整體強(qiáng)度驗(yàn)證，耐壓試驗(yàn)是驗(yàn)證設(shè)備整體的密封性，在規(guī)定的耐壓試驗(yàn)壓力和耐壓試驗(yàn)方法下沒有出現(xiàn)泄漏，僅證明設(shè)備整體結(jié)構(gòu)密封完好，還不能充分證明全“自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)”是否實(shí)現(xiàn)完全密封。為了充分驗(yàn)證設(shè)備的各個(gè)密封單元的密封性，在設(shè)備整體耐壓試驗(yàn)完成后，分別做了如下驗(yàn)證：

5.1 驗(yàn)證頂蓋圓柱面上二道O型圈的密封性

將設(shè)備的頂蓋取出，用專用工裝取處“自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)”的密封托架。在頂蓋圓柱面裝上二道O型圈。用專用工裝將頂蓋裝入設(shè)備內(nèi)部，并作在工作壓力下的密封驗(yàn)證。逐步增加設(shè)備內(nèi)部壓力，壓力升至20MPa，停止升壓，檢查頂蓋泄漏通道無液體泄漏，保壓20分鐘壓力表值無下降。

繼續(xù)升高設(shè)備內(nèi)部壓力至42MPa后，停止加壓，檢查頂蓋泄漏通道無液體泄漏，保壓20分鐘壓力表值無下降。證明頂蓋圓柱面上二道橡膠圈性能滿足設(shè)備設(shè)計(jì)壓力下的密封性。

5.2 驗(yàn)證“全自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)”密封性

用專用工裝將頂蓋從筒體端部取出，并拆除頂蓋圓柱面上二道O型圈；

將密封托架及O型圈即“全自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)”安裝至其正常工作位置，頂蓋裝入設(shè)備工作位置，逐步增加設(shè)備內(nèi)部壓力，壓力升至20MPa，停止升壓，檢查頂蓋泄漏通道無液體泄漏，保壓20分鐘壓力表值無下降。

繼續(xù)升高設(shè)備內(nèi)部壓力至42MPa后，停止加壓，檢查頂蓋泄漏通道無液體泄漏，保壓30分鐘壓力表值無下降。證明“全自緊式O型圈密封結(jié)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)了設(shè)備設(shè)計(jì)壓力下的密封性。

6 綜述

在O型圈密封原理及其擠食失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，新設(shè)計(jì)出了一種O型圈的全自緊式密封結(jié)構(gòu)，并探索出分析計(jì)算方法。通過對(duì)新密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和驗(yàn)證，證明了O型圈的全自緊式密封結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算方法是正確可行的。解決了高壓、常溫(低于150℃)下大尺寸開口件的密封難題。在高壓大開口密封設(shè)計(jì)上，封蓋圓柱面上雖然要設(shè)備用密封環(huán)，但封蓋圓柱面與筒體(或端部內(nèi)圓面)的間隙可不按O型圈不被擠食的間隙設(shè)計(jì)，這樣可大大降低大工件的加工難度和裝配難度。

本設(shè)計(jì)是基于橡膠圈作為密封元件進(jìn)行的分析和計(jì)算，其局限性是可使用溫度受密封材料的限制，一般在150℃以下。此分析計(jì)算方法是否可推廣到別的可耐較高溫度的密封材料上，有待進(jìn)一步研究，以擴(kuò)大本密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。

[1] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì),李世玉,等.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社，2005.

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The Design of a Fully Self Sealing Structure of O-ring

GuoLiang,HuangGuochang,TangXiaoning,WangJinsheng,CaoLei

(DongFangBoilerGroupCo.,Ltd.Zigong643001,Sichuan,China)

through the O type rubber sealing ring (hereinafter referred to as: O-ring) of the sealing principle and failure mechanism of analysis and design of new out a O-ring full self tightening type sealing structure, and applied in a large high-pressure equipment. We solved the problem that the O-ring is easy to be crowded in the use of large structure, and the requirements of high precision machining and high difficulty of the assembly.

O-ring; fully self tightening; sealing structure

四川省科技廳青年基金項(xiàng)目(No.2013JQ0047)