新型高压容器顶盖密封结构分析研究

马秀峰 郝红亲

摘 要：随着我国工业化进程的逐步加快，以往传统的压力容器已经不能满足越来越高的容器压力。因此，需要对以往的高压容器密闭结构进行总结分析，然后提出更高要求，更高质量的容器顶盖压力结构。本文首先分析了几种传统的高压顶盖密封结构，提出了存在的不足，然后提出了两种新型的高压容器顶盖密封机构。

关键词：顶盖；密封结构

高压密封结构的密封好坏直接关系到容器使用安全，是整个高压容器的核心部分，其密封结构设计是否科学合理，不仅只是影响容器的正常使用，还会对使用可靠性和安全性造成巨大隐患。

进行高压密封结构设计时要综合考虑各种影响因素，包括容器使用的环境，比如巨大的压力，高温甚至在温度波动剧烈的时候，都必须要确保容器安全使用，确保容器的密封性能。另外，除了具备相应的密封可靠性，结构必须尽量简单，以方便日常安装、维护拆卸的方便快捷，检修方便。

尽管对密封结构的加工精度和光洁度不是很高，但是密封元件的材质必须是耐介质腐蚀，并能经受多次重复使用的强度。针对生产生活的越来越高的要求，亟需满足更高压力要求的顶盖密封结构来实现各种生产要求。

1 几种传统高压容器顶盖密封结构分析及缺陷

1.1 平垫密封

金属平垫密封是市场上多见的密封结构，该机构属于强制密封結构，该结构的密封原理比较简单，通过在预紧和工作压力来实现压力密封，其中预紧压力和工作压力来自筒体端部大法兰上的主螺栓的压紧力。影响结构预紧力施加强度的大小的因素主要是垫片材料的屈服强度，另外，垫片的宽度也是重要的影响因素。金属平垫密封的最大优势是结构简单，降低了施工组装周期和难度，对于加工设备的要求不高，而且经过多年的发展，加工技术比较成熟。由于金属平垫的适用范围较小，仅仅在温度低于200℃、压力小于32MPa、容器内径不大于800mm的环境中使用，因此，适用环境比较单一，当压力升高时，需要大容量加压时，需要对螺栓进行调整改进，提高结构尺寸，加大了密封结构的复杂程度，同时会加大结构乃至整个容器的重量，结构的复杂性也给安装拆卸带来了诸多麻烦。

1.2 双锥密封

双锥密封是在保留了主螺栓结构的基础上一种改进的半自紧密封结构，密封面呈两条半圆形或三角形沟槽的组合结构。其密封原理是在容器内部压力的高温高压环境下，双锥环受热膨胀，发生弹性形变，密封面的比压加大。由于该结构额密封垫材料是软钢和不锈钢，密封面形状为锥面，高压环境会使双锥环沿径向向外扩张，从而大大提高密封面上的密封比压，实现生产所需要的密封效果。双锥密封对环境的承受能力比较强，使用环境比较广泛，尤其是超压压力、超高温度环境和大直径范围的使用。此外，这种密封结构相对简单，便于加工组装，加工精度要求也不高，在环境改变时候可以根据需要在短时间内进行结构调整。该结构的缺点是对螺栓预紧力和轴向力要求很高，需要施加很大的密封压力来实现密封效果，同时结构元件大且杂。

1.3 B形环密封

B形环密封对高温环境的承受能力很强，即使在恶劣的环境下，密封效果依然保持稳定的可靠性和安全性。B形环密封是一种自紧密封结构，该结构对连接结构刚度不高，而且密封效果和环境压力和温度呈一定的正相关，压力越高、直径越大，结构的密封效果越好。由于B形环密封的初比压是依靠B形环波峰和筒体、顶盖上的密封槽之间的径向过盈来实现预密封的，而密封环的加工精度要求高，对加工技术要求过高造成制造困难，同时拆卸不便给后续维修保养造成了一定的难度，容易擦伤接触面。

2 D形螺栓连接C 形环高压密封装置

D形螺栓连接C 形环高压密封装置的顶盖置于筒体端部法兰内，在减小顶盖直径和厚度的同时，对整体结构的紧凑程度和结构质量依然具有很好的性能。D形螺栓连接C 形环高压密封装置的顶盖与端部法兰内部平齐，D形螺栓的连接螺孔的1/4圈在加工时置于端部法兰上，顶盖与端部法兰之间的环隙中均布“偏心”安装的D形螺栓。顶盖与端部法兰预留一定的间隙为C 形环和压垫的安装预留空间。

D形螺栓连接C 形环高压密封装置在介质内压作用下，C 形环的通过自紧密封作用加大预紧螺钉的调节压紧力。值得注意的是在进行结构安装前，要调松顶盖上的全部D 形螺栓，在法兰腔内装入顶盖组件，并进行轴向，周向的定位。顶盖与端部法兰的拆卸比较简单时，只需将D 形螺栓按照反向旋转约90°就可以去除端部法兰内的顶盖组件，实现对容器顶盖的快速装拆，而无需其他液压扳手的辅助工具，同时，D型螺栓的结构简单，对构件的加工难度和精度要求不高，应用也比较广泛，在各个行业如化工、能源等工程中的高压和超高压容器密封装置上都有广泛的应用空间。

3 基于O形橡胶圈的新型高压密封结构

三重密封的0形橡胶圈由两条密封沟槽内设有与筒壁组成，胶圈沿平盖的周向布置。在平盖的抗剪环由均分的扇形环片和侧面平行的圆环片以相间排列方式组成，单个扇形环片和圆环片的径向设有螺孔。径向密封通过尺寸链大大增强了预紧密封的压缩率，提高了径向三密封可靠性；托架上的径向密封和轴向两个方向的密封实现了密封结构完整密封。

4 结语

文章提出的两种高压密封结构密封可靠、结构简单，除去了高压密封传统的金属垫片或垫块。利用导向螺杆在筒体外部操作抗剪环的拆装，易于安装和拆卸，将是这个阶段高压容器顶盖密封结构发展的方向。

参考文献：

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[2]胡殿印，王荣桥，任全彬，洪杰.橡胶O形圈密封结构的有限元分析[J].北京航空航天大学学报，2005（02）.

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