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        壓力容器中八角墊密封設(shè)計的研究

        2018-05-18 12:23:17榮貴
        化肥設(shè)計 2018年2期
        關(guān)鍵詞:溝槽

        ,榮貴

        (中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

        近年來,我國壓力容器廣泛采用了八角墊密封,因為八角墊密封是屬于徑向自緊密封結(jié)構(gòu),其依靠密封元件各自結(jié)構(gòu)上的特點,在壓力升高后,密封件與平蓋、筒體端部之間的壓緊力自動加大,從而達(dá)到了密封的目的。而螺栓力僅用來產(chǎn)生初始密封所需要的壓緊力,特別適用于內(nèi)壓較高或壓力與溫度有波動的場合。為此,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已把這種墊圈作為主要密封元件,并正式編入了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS7483,我國也將該墊圈列入HG標(biāo)準(zhǔn)中。對于一定公稱尺寸、公稱壓力的管道或設(shè)備可以直接按標(biāo)準(zhǔn)選用,給設(shè)計、使用、制造帶來了很大的方便。但隨著裝置的大型化和特殊化,上述標(biāo)準(zhǔn)往往無法滿足設(shè)計要求,需要自行設(shè)計八角墊。

        1 八角墊密封原理

        常用的八角墊有3種形式(見圖1):①無孔墊圈,見圖1(a);②有孔墊圈,見圖1(b);③不等邊有孔墊圈,見圖1(c)。通常采用無孔墊圈,墊圈密封面與八角墊墊圈中心軸線呈23°。

        圖1 八角墊

        八角墊密封結(jié)構(gòu)是將八角墊放入設(shè)有梯形槽的法蘭里,法蘭裝配時,內(nèi)部無壓力在螺栓預(yù)緊狀態(tài)下,螺栓全部載荷通過法蘭兩錐面,使墊圈外側(cè)密封面與密封溝槽面接觸,導(dǎo)致墊圈受到壓縮,當(dāng)螺栓預(yù)緊力繼續(xù)加大時,墊圈內(nèi)移直至墊圈內(nèi)側(cè)封面也接觸到槽面,此時墊圈變形處于彈性狀態(tài),墊圈內(nèi)的壓應(yīng)力使墊圈產(chǎn)生抵抗變形的回彈力,此力使密封面產(chǎn)生部分自緊。當(dāng)操作壓力形成時,墊圈還產(chǎn)生了由壓力作用下的徑向擴(kuò)張,從而形成了徑向自緊的作用。八角墊密封結(jié)構(gòu)見圖2。

        2 八角墊墊圈法蘭的設(shè)計

        上世紀(jì),美國API對法蘭與八角墊墊圈做了許多試驗,根據(jù)試驗得知,墊圈外側(cè)面接觸壓力等于3倍工作壓力時就已經(jīng)足夠,由此得出每一側(cè)接觸面的高度等于整個墊圈高度的1/6。同時,試驗還得出,要使密封系統(tǒng)能產(chǎn)生初始密封比壓,又要滿足壓力能夠作用在八角墊墊圈的內(nèi)側(cè),法蘭安裝時應(yīng)保證其之間的距離尺寸S1為3.2mm,此時墊圈外側(cè)密封接觸面才能與密封溝槽面接觸。當(dāng)螺栓繼續(xù)系緊,八角墊墊圈內(nèi)移直至兩法蘭相距S2=1.2mm時(見圖2),墊圈內(nèi)側(cè)接觸面也與密封溝槽面接觸,螺栓進(jìn)一步系緊法蘭直至幾乎接觸,八角墊墊圈與槽側(cè)面完全密合,從而達(dá)到完全密封。

        3 八角墊墊圈機(jī)構(gòu)設(shè)計

        非標(biāo)準(zhǔn)八角墊結(jié)構(gòu)尺寸計算公式是基于八角墊外側(cè)倒角處的接觸壓力為操作壓力的3倍時,便能達(dá)到密封的這一條件導(dǎo)出的,并假設(shè):

        八角墊墊圈23°,斜接觸面高度各為墊圈整個高度的1/6(見圖2);

        墊圈的高度LG與內(nèi)徑的關(guān)系:

        (1)

        式中:DI為法蘭內(nèi)徑,mm;

        API的研究人員認(rèn)為墊圈寬度應(yīng)是壓力的函數(shù),其彎曲應(yīng)力不超過51.7MPa,即可保證密封不泄漏。

        4 墊圈寬度的計算

        墊圈在內(nèi)壓p作用下,墊圈外側(cè)支持在接觸面的中點上,此時,內(nèi)壓力產(chǎn)生的載荷作用在高度LG上,其單位長度的彎矩為:

        (2)

        八角墊墊圈的彎曲應(yīng)力:

        (3)

        式中:Z為單位長度斷面模數(shù),mm3/mm;

        (4)

        p為設(shè)計壓力,MPa;TG為墊圈寬度,mm。

        故八角墊圈寬度TG為:

        為了使墊圈安全運(yùn)行,在API規(guī)定八角墊墊圈的許用彎曲應(yīng)力取為[σ]t=51.7MPa,故可求得墊圈寬度TG:

        (5)

        從式中可以得出TG與p的關(guān)系(見表1)。

        表1 八角墊圈寬度TG與p之間的關(guān)系

        5 八角墊剪應(yīng)力的校核

        (6)

        在API標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了許用剪應(yīng)力[τ]t=44.5MPa,并要求:

        τ≤[τ]t

        (7)

        6 八角墊墊圈外直徑和溝槽尺寸的設(shè)計

        當(dāng)法蘭獲得密封時,法蘭兩側(cè)相距應(yīng)為1.2mm,此時N值應(yīng)為:

        (8)

        式中:GG為墊圈槽外徑,mm;

        G2為八角墊圈的外徑,mm;

        故:

        (9)

        將φ=23°及S2=1.2mm代入式(9),得出:

        N=TG+0.283LG-0.51

        (10)

        將式(1)代入上式,得:

        (11)

        從圖2 (b)知道,

        (12)

        通常Q=0.6LG,同時將(11)式N代入(12),化簡后得:

        (13)

        (14)

        密封后的八角墊圈外徑G2即為壓力作用時八角墊的直徑。

        7 八角墊槽座外徑的確定

        (15)

        (16)

        式中,其他符號及意義見圖2。

        8 自由狀態(tài)下墊圈的外徑

        為了使八角墊墊圈在預(yù)緊之前(即自由狀態(tài))與法蘭溝槽外側(cè)密封面接觸,墊圈取大的尺寸,以便保證兩法蘭相距3.2mm。

        (17)

        (18)

        將S1=3.2mm,φ=23°代入式(18),得:

        G1=GG-0.283LG+1.35

        (19)

        (20)

        =G2+0.84

        (21)式中:G1即是八角墊墊圈的制造外徑,mm。

        9 墊圈、環(huán)槽材料的硬度要求

        可按GB/T 150.3附錄C6.3進(jìn)行設(shè)計。

        10 密封墊圈和密封溝槽尺寸公差的要求

        八角墊墊圈和密封溝槽尺寸的制造公差對自緊密封性能影響很大,為此,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對八角墊都提出了嚴(yán)格的要求,表2及圖3為GB/T 150.3附錄C中表8與API標(biāo)準(zhǔn)的八角墊墊圈和密封溝槽尺寸公差范圍要求比較。

        圖3 八角墊密封結(jié)構(gòu)尺寸

        /mm

        續(xù)表

        注:1.槽與八角墊環(huán)接觸斜面(23°表面)的表面粗糙度不高于3.2μm;2.允許環(huán)高有1.9mm的正偏差,但在整個圓周上任何部位的墊環(huán)高度差應(yīng)不大于0.5mm。

        11 關(guān)于螺栓載荷的計算

        從目前的一些文獻(xiàn)來看,計算八角墊螺栓載荷有以下幾種計算方法。

        (1)按GB/T 150/2011附錄C6計算。

        預(yù)緊狀態(tài)螺栓載荷:

        Wa=3.14bDGy

        (22)

        操作狀態(tài)下的螺栓載荷:

        (23)

        (2)按美國API及ASA標(biāo)準(zhǔn)計算。

        預(yù)緊狀態(tài)螺栓載荷:螺栓預(yù)緊時的載荷HJ等于螺栓面積乘以室溫下螺栓許用應(yīng)力,即

        Hj=AbxSb

        (24)

        操作狀態(tài)下的螺栓載荷:

        HT=H+HP

        (25)

        式中:

        Hp=3.14G2LGptanφ

        (26)

        (27)

        G2為受壓面積的直徑(見圖2),mm;LG為墊圈的高度,mm;Ab為螺栓的實際面積(螺紋根部直徑),mm2;Sb為室溫下螺栓材料的許用應(yīng)力,MPa;

        其他符號及意義同前。

        (3)《壓力容器手冊》計算。

        操作狀態(tài)下的螺栓載荷:

        WP=W+Q

        (33)

        式中,W為工作密封壓力下的軸向力:

        W=πDGhptanα

        (34)

        Q為介質(zhì)壓力P作用下的軸向力:

        (35)

        h為墊圈高度,mm。

        其他符號及意義同前。

        11.4 幾種計算公式、計算結(jié)果的比較

        筆者對幾種墊圈的計算公式進(jìn)行實例計算比較,發(fā)現(xiàn)在預(yù)緊狀態(tài)時,以GB/T 150.3—2011方法計算結(jié)果比用其他公式計算時的力要大。操作狀態(tài)時,幾種公式計算結(jié)果較接近,最大相差7%左右,其不同的原因是在于受壓直徑的選擇,有的按八角墊槽的外側(cè)直徑作為計算直徑,也有的取八角墊墊圈中徑,造成誤差,同時,發(fā)現(xiàn)螺栓載荷主要取決于操作狀態(tài)。故有些文獻(xiàn)不考慮預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓載荷,如 《壓力容器手冊》 。

        12 結(jié)語

        (1)八角墊及槽的設(shè)計尺寸如下:

        Q=0.6LG

        G1=G2+0.84

        八角墊斜面角度取度取φ=23°,誤差±0.5°,其他粗糙度與公差見表2。

        (2)螺栓載荷的計算。通過計算比較,認(rèn)為應(yīng)按GB/T 150—2011進(jìn)行設(shè)計螺栓載荷較為合理,對于法蘭的設(shè)計可按GB/T 150.3—2011計算。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王心明.工程壓力容器設(shè)計與計算 [M].北京:國防工藝出版社,1986.

        [2]GB/T 150—2011,壓力容器[S].

        [3]張康達(dá),等.壓力容器手冊[M].北京:勞動人事出版社,1990.

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