壓力容器的可拆密封裝置形式很多,如中低壓容器中的螺紋連接、承插式連接和螺栓法蘭連接等,其中以結構簡單、裝配比較方便的螺栓法蘭連接用得 普遍。
螺栓法蘭連接主要由法蘭、螺栓和墊片組成。
螺栓的作用有兩個:一是提供預緊力實現初始密封,并保持操作時的密封;二是使螺栓法蘭連接變為可拆連接。
墊片裝在兩個法蘭中間,作用是防止容器發生泄漏。法蘭上有螺栓孔,以容納螺栓。螺栓力、墊片反力與作用在筒體中面上的壓力載荷不在同一直線上,法蘭受到彎矩的作用,會發生彎曲變形。
螺栓法蘭連接設計的一般目的是:對于已知的墊片特性,確定安全、經濟的法蘭和螺栓尺寸,使接頭的泄漏率在工藝和環境允許范圍內,使接頭內的應力在材料允許范圍內,即確保密封性和結構完整性。
一是“滲透泄漏”,即通過墊片材料本體毛細管的滲透泄漏,除了受介質壓力、溫度、黏度、分子結構等流體狀態性質影響外,主要與墊片的結構與材料性質有關,可通過對滲透性墊片材料添加某些填充劑進行改良,或與不透性材料組合成型來避免“滲透泄漏”;
二是“界面泄漏”,即沿著墊片與壓緊面之間的泄漏,泄漏量大小主要與界面間隙尺寸有關。壓緊面就是指上、下法蘭與墊片的接觸面。加工時壓緊面上凹凸不平的間隙及壓緊力不足是造成“界面泄漏”的直接原因?!敖缑嫘孤笔敲芊馐У闹饕緩?。
防止流體泄漏的基本方法是在密封口增加流體流動的阻力,當介質通過密封口的阻力大于密封口兩側的介質壓力差時,介質就被密封。而介質通過密封口的阻力是借施加于壓緊面上的比壓力來實現的,作用在壓緊面上的密封比壓力越大,則介質通過密封口的阻力越大,越有利于密封。螺栓法蘭連接的整個工作過程可用尚未預緊工況、預緊工況與操作工況來說明。
圖4-23 (a)為尚未預緊的工況。將上、下法蘭壓緊面和墊片的接觸處的微觀尺寸放大,可以看到它們的表面是凹凸不平的,這些凹凸不平處就是流體泄漏的通道。圖4-23 (b)為預緊工況。
擰緊螺栓,螺栓力通過法蘭壓緊面作用到墊片上。由于墊片的材料為非金屬、有色金屬或軟鋼,其強度和硬度比鋼制的法蘭低得多,因而當墊片表面單位面積上所受的壓緊力達到一定值時,墊片便產生彈性或屈服變形,填滿上、下壓緊面處原有的凹凸不平處,堵塞了流體泄漏的通道,形成初始密封條件。
形成初始密封條件時墊片單位面積上所受的 小壓緊力,稱為“墊片比壓力”,用y 表示,單位為MPa。在預緊工況下,如墊片單位面積上所受的壓緊力小于比壓力y,介質即發生泄漏。
圖4-23 (c)為操作工況。此時通入介質,隨著介質壓力的上升,一方面,介質內壓引起的軸向力,將促使上下法蘭的壓緊面分離,墊片在預緊工況所形成的壓縮量隨之減少,壓緊面上的密封比壓力下降;另一方面,墊片預緊時的彈性壓縮變形部分產生回彈,其壓縮變形的回彈量補償因螺栓伸長所引起的壓緊面分離,使作用在壓緊面上的密封比壓力仍能維持一定值以保持密封性能。
為保證在操作狀態時法蘭的密封性能而必須施加在墊片上的壓應力,稱為操作密封比壓。操作密封比壓往往用介質計算壓力的m 倍表示,這里m 稱為“墊片系數”,無因次。
(2)密封分類
根據獲得密封比壓力方法的不同,壓力容器密封可分為強制式密封和自緊式密封兩種。強制式密封是完全依靠連接件的作用力(如扳緊連接螺栓的預緊力)強行擠壓密封元件達到密封,因而需要較大的預緊力,預緊力約為工作壓力產生的軸向力的1.1~1.6倍;而自緊式密封主要依靠容器內部的介質壓力壓緊密封元件實現密封,介質壓力越高,密封越可靠,
因而密封所需的預緊力較小,通常在工作壓力產生的軸向力的20%以下。自緊式密封根據密封元件的主要變形形式,又可分為軸向自緊式密封和徑向自緊式密封,前者的密封性能主要依靠密封元件的軸向剛度小于被連接件的軸向剛度來保證;后者則主要依靠密封元件的徑向剛度小于被連接件的徑向剛度來實現。
另外,還有一種半自緊式密封,其密封結構按分類原則屬于非自緊式的強制式密封,但又具有一定的自緊性能,如高壓容器密封中的雙錐密封結構。
按被密封介質的壓力大小,壓力容器密封又可分為中低壓密封和高壓密封。中低壓密封以螺栓法蘭連接結構 為常用,它廣泛應用于容器的開孔接管和封頭與筒體的連接中,屬于強制式密封。
下面主要介紹密封裝置的密封原理、影響密封的因素、密封結構的分類及選用原則、密封結構強度計算等內容。