密封结构原理与槽垫密封结构炼自《ASME锅炉与压力容器法规》

密封结构原理与槽垫密封结构炼自《ASME锅炉与压力容器法规》

密封结构原理与槽垫密封结构

——炼自《ASME锅炉与压力容器法规》

作者：

徐长祥（1945-），男，汉，四川省中江县人，高级工程师，大学本科，现主要从事外径规格管路系统(tubing system)和内径规格管路系统(piping system)连接原理、结构与零部件研究。

● 液压与气动杂志，2009年第8期 ● 石油化工设备杂志，2009年第5期 ● 阀门世界 2009年亚洲学术会议与展览

密封结构原理与槽垫密封结构炼自《ASME锅炉与压力容器法规》

密封结构原理与槽垫密封结构——炼自《ASME锅炉与压力容器法规》

浙江华夏阀门有限公司 徐长祥 xchx9763@

内容提要：只要适当选用“微观线后跟面的线接触”和软密封垫，使结构在无介质压力时实现初始密封的最小名义应力y小至有介质压力时的密封维持系数m = Fs/Fu有意义，任何密封结构都可按m >1来设计和校对，因为m=1时的结构的密封作用力(Fs)等于密封面上的介质去密封作用力(Fu)。本密封维持因素m和y源于但不同于《ASME锅炉与压力容器法规》的理念。 关键词：密封结构原理,密封维持系数m,最小名义应力y,微观线后跟面的线接触,微观锯齿环 1 密封的任务

密封的任务是填平补齐对接表面的凸凹不平。密封对接表面一般都是由车镗工艺加工而成的，因此，密封的任务是填平补齐车镗加工引起的表面几何误差。

机械加工表面几何误差有表面粗糙度、表面波纹度和表面形状误差三种；表面粗糙度是由切削刃迹构成的轮廓元宽度较窄(或波长较短)的表面微观几何误差，其轮廓元(宽度Xs/高度Zt)<50；表面波纹度是加工振动所致的轮廓元宽度稍宽(或波长稍长)的表面微观几何误差，其轮廓元(宽度Xs/高度Zt)=50~1000；表面形状误差是机床导轨或工件安装夹紧所致的轮廓元宽度较宽(或波长较长)的表面宏观几何误差，其轮廓元(宽度Xs/高度Zt)>1000。密封面宽度远小于机床导轨平行度与垂直度引起的表面形状误差波长，反映在对接密封面上的表面形状误差可忽略不计，工件安装夹紧所致的表面形状误差应当而且可以避免；普通车镗加工手段属稍精细的机械加工范畴，需要使用稍高的主轴转速和稍细的进给速度，振动所致的表面波纹度的波长较短，刃迹构成的粗糙度的波长更短；因此，密封要填平补齐的是对接表面上较细腻的微观表面波纹度和粗糙度量级的凸凹不平。欧洲标准EN13555第5.2条更是明确认定，密封要填平补齐的是对接表面上表面粗糙度量级的凸凹不平。现代普通车镗水平是内表面Ra3.2~Ra1.6μm、外表面Ra1.6~Ra0.8μm1)，所以，密封要填平补齐的最终是表面粗糙度不粗过Ra3.2的对接表面的表面粗糙度引起的表面凸凹不平。

2 垫的压力传递特性

常用密封材料在某个常温范围，其它材料在某个高温范围，几乎都是晶体区与非晶体区相互不停转换与共存的粘弹材料，而晶体区致材料显固相特性、有强度和刚性，非晶体区致材料显液相特性、有粘性和弹性。液相成分的流动性可导致密封垫的压力传递各向同性，无论介质作用面与密封面是平行还是垂直，都有可能将垫表面压强全数转换为密封面的密封应力；液相成分的体积不可压缩性可导致密闭压缩中的密封垫，象油缸中的液压油一样，有超强的抗压能力——只要挤出间隙足够小，就决不会被挤破；液相成分的粘性可导致密封垫应变滞后应力，或导致垫密封应力松弛或导致密封垫冷流，引起密封失效；液相成分的粘性还可致使密封垫的压力传递高度递减。固相成分的稳固性可导致密封垫的压缩应力，至多只能按泊松比和虎克定律，减半地转换成其正交方向上的延伸应力(因为常用密封材料的泊松系数小于0.5)，因此，有可能只能将自密封垫的表面压强，按投影转换成其它方向、按泊松比转换成正交方向的密封应力。所以，质地较软的弹性橡胶垫几乎可按液体传递压力，质地硬的垫几乎只能按固体泊松比和矢量传递压力，质地软硬中等的聚四氟乙烯垫可在屈服前在微观上按液相、宏观上按固相传递压力，可在屈服后在宏观上按液相传递压力。

3 密封结构原理

任何密封接触面都是一个干扰脉冲放大器，当其受到干扰作用力而影响密封应力瞬间下降至某种程度时，压力介质将逐步而又迅速地渗入密封接触面而产生一个“密封接触面积x介质压强”的去密封作用力，因此，可用密封维持系数或抗干扰系数m(=结构的密封作用力Fs/密封面上的介质去密封作用力Fu)来衡量一个密封结构的密封维持性或可靠性。

如果m=Fs/Fu始终成立，则无疑m=1时，结构的密封作用力(Fs)=密封面上的介质去密封作用力(Fu)=密封接触面积x介质压强，结构应处于密封与非密封临界状态，m稍大于1时，结构应维持密封，m比1越大，结构维持密封的能力越强，可靠性越高。

然而，如果无介质压力时结构实现初始密封所必须的最小名义应力y(按名义接触面积计算、用0.14巴介质压力测试)过大，结构的额定工作压力又过小，则有可能按m公式确定的结构的密封作用力Fs(=mFu)连初始密封都无法实现，就更不用说有介质压力时的密封维持和抗干扰。

密封结构原理与槽垫密封结构炼自《ASME锅炉与压力容器法规》

也就是说，密封结构的密封维持系数或抗干扰系数m理念有意义或m公式成立的充要条件应当是，无介质压力时结构实现初始密封所必须的最小名义应力y须足够小至忽略不计。如果y值足够小，小至无介质压力时，结构承受极限工作压力的那份预紧固力已使结构充分实现初始密封，那当然密封结构设计只需要附加一份维持和加强初始密封所需的由m值确定的力。

由此可见，密封的结构原理是，无介质压力时，结构实现初始密封所必须的最小名义应力y应当足够小，小至有介质压力时，结构的密封维持系数或抗干扰系数m(=结构的密封作用力F介质去密封作用力F结构的密封作用力(F时，结构进入密封维持状态，m比1越大，结构维持密封的能力越强，可靠性越高；也就是说，密封结构设计在于首先使其无介质压力时的y值小至有介质压力时的m有意义，然后使其m>1。

如前面所述，金属表面对接密封的任务是填平补齐表面粗糙度不粗过Ra3.2的表面的凸凹不平，因此，如果密封接触结构是“微观线后跟面的线接触”，则就可首先由逼近零接触面积的线接触提供一个逼近无穷大的实现初始密封的实际应力，然后由线接触后紧跟的面接触或用小压力除以大面积的方式提供一个大小可忽略不计的计算应力y，及时保护线接触不被压扁地永在面接触中维持和加强初始密封。“微观线后跟面的线接触”密封对接结构的基本结构形式是一面是光滑对接面，一面是有(齿距Xs/齿高Zt)=20~500的微观锯齿环的对接面。对接表面越软，其锯齿环刃越易变形实现初始密封并使对接从线接触向面接触发展，保护线接触始终存在又不挤坏光滑对接面；对接表面越硬，其锯齿环刃越不易变形钝化，初始接触面积越接近0，初始线接触应力越逼近无穷大，同样越易实现初始密封，但一旦线接触变形实现初始密封又同样受到面接触保护。实验证明，无论对接金属软或硬，微观锯齿环密封对接结构，都能反复以小紧固力对接地通过低压气密封测试，以适当大紧固力对接地通过高压密封测试，并对齿测试塑料薄膜始终有环刃切割痕迹，或既能提供实现初始密封所需的线接触又能提供y值可忽略不计的面接触，或始终都能维持“微观线后跟面的线接触”。如果使用垫而不用锯齿环对接，则由于垫比对接金属软，因此，一般都可通过承受极限工作压力的那份预紧固力实现初 …… 此处隐藏：2766字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……