高溫超高壓金屬彈性環(huán)密封技術研究

曾嶸， 羅友高， 劉剛， 羅家璘， 唐順杰

（武漢第二船舶設計研究所，武漢430064）

高溫超高壓金屬彈性環(huán)密封技術研究

曾嶸， 羅友高， 劉剛， 羅家璘， 唐順杰

（武漢第二船舶設計研究所，武漢430064）

針對氟橡膠O型圈只能使用在210℃、210 MPa的難題，設計了一種新型彈性環(huán)密封結構。該新型彈性環(huán)密封結構能使氟橡膠O型圈在250℃、250 MPa工況下安裝簡便、可靠密封。通過有限元分析方法，針對彈性環(huán)密封結構中的彈性環(huán)，分析各結構參數(shù)對彈性環(huán)的應力和變形的影響，快速、準確確定彈性密封結構尺寸。該密封結構在一定程度上可替代金屬密封結構。

彈性環(huán)；密封結構；高溫超高壓

0 引言

目前，利用氟橡膠制成的O型圈已能夠實現(xiàn)部分工作參數(shù)的高溫超高壓容器的密封，最高可用在工作溫度210℃、工作壓力210 MPa的工況下。近年來，石油勘探開發(fā)不斷深入，勘探目標日益復雜，石油測井系統(tǒng)對測井儀試驗裝置提出了更高的要求，希望在使用O型圈密封元件的情況下，將工作壓力提高到250 MPa、工作溫度為250℃，容器內徑增加到300 mm。

為了解決以上問題，本文設計一種彈性環(huán)密封結構，可在高溫超高壓極限條件下使用O型圈密封，并滿足如下要求：1）密封結構能滿足高溫、超高壓極限條件下的密封性能，密封口徑大，密封結構緊湊；2）加工制造方便，結構簡單，并且拆裝和檢修方便。

其技術指標：最高工作壓力250 MPa；最高工作溫度250℃；容器內徑為300 mm。

1 彈性環(huán)密封結構設計

彈性環(huán)密封結構采用O形環(huán)密封和金屬密封相結合的方式，結構形式如圖1所示。這種彈性環(huán)密封結構由壓緊頂蓋、凸肩頭蓋、六角頭螺栓、彈性環(huán)、O形環(huán)Ⅰ和O形環(huán)Ⅱ組成。

彈性環(huán)密封結構密封原理：工作時在介質壓力作用下，彈性環(huán)發(fā)生變形，向外膨脹使得彈性環(huán)與筒體之間的間隙減小，壓力越大消除密封面之間的間隙就越大，彈性環(huán)與筒體貼合得越緊，防止O形環(huán)Ⅱ被擠入間隙而被剪切，保證密封性能。

圖1 彈性環(huán)密封結構

該彈性環(huán)密封結構能夠保證O形環(huán)在250℃高溫、250 MPa高壓極限條件下的密封可靠性，且加工制造方便，拆裝方便。

2 彈性環(huán)結構分析設計

彈性環(huán)作為新型密封結構的關鍵部件，結構尺寸如圖2所示，其中彈性環(huán)的厚度δ2、凹槽的半徑R對彈性環(huán)外表面變形量和應力分布影響較大，為此利用有限元分析法研究上述結構參數(shù)對彈性環(huán)變形及應力的影響，以確定彈性環(huán)主要結構尺寸。

彈性環(huán)應選擇彈性較好的材料，同時為了便于取材，選擇采用Q/CNC 15-2006《人造石英晶體高壓釜》中的PCrNi3MoVA的3級鍛件。常溫下材料的許用應力Sm= 890/1.5=593.3 MPa，250℃下材料的許用應力Stm=0.895×593.3=531 MPa。

圖2 彈性環(huán)結構尺寸

利用有限元分析法，分析彈性環(huán)在高壓介質作用下的變形和應力，采用軸對稱模型，建立圖3所示的分析模型，在筒體內壁及彈性環(huán)內表面施加壓力載荷250 MPa。

圖3 有限元分析模型

2.2 彈性環(huán)厚度對結構的影響

選取R=15 mm，δ1=30，r1= 3 mm，h1=100 mm，h2=10，彈性環(huán)厚度 δ2分別為 20 mm、25 mm、30 mm和35 mm，建立有限元模型進行計算。彈性環(huán)的外表面變形曲線如圖4所示。X軸表示距離圖3所示的1-1橫截面的高度，Y軸表示不同高度的彈性環(huán)橫截面外表面相對于筒體內表面徑向方向的變形量（即彈性環(huán)外表面徑向變形量減去與其接觸的筒體內表面徑向變形量）。分析表明：離1-1截面越遠的橫截面彈性環(huán)外表面徑向變形量越大，彈性環(huán)與筒體貼合的越緊；δ2越小彈性環(huán)越容易變形，與筒體內表面貼緊的區(qū)域越大。

圖4 厚度δ2對彈性環(huán)徑向變形的影響曲線

在設計彈性環(huán)尺寸時，不僅要考慮其外表面徑向的變形量，還要保證彈性環(huán)外表面的變形在彈性范圍內，即進行強度校核。計算表明，彈性環(huán)厚度δ2=35 mm時，整體當量應力水平較低，在彈性范圍內，故在此不進行應力線性化分析。其它厚度的彈性環(huán)，根部凹槽彎矩較大，同時其截面抗彎慣性矩最小，應力分類時取如圖3所示的路徑1-1進行線性化處理。

根據(jù)JB 4732標準，應力線性化后各類應力校核條件：一次局部薄膜應力PL≤1.5，一次局部薄膜應力加一次彎曲應力PL+Pm≤1.5，一次應力加二次應力PL+ Pm+Q≤。由于設計溫度為255℃，許用應力強度應取Smt=497.6 MPa。從表1可見：彈性環(huán)厚度δ2=20 mm時，其內表面和外表面PL+Pb＞1.5，即彈性環(huán)整體屈服；對于δ2= 25 mm、30 mm兩種形式的彈性環(huán)，內表面PL+Pb＞1.5Smt，中心面及外表面PL+Pb＜1.5，僅內表面發(fā)生屈服。由標準可知，需要校核結構在工作壓力作用下，其危險截面的一次應力加二次應力PL+Pm+Q≤3，即進行安定性分析，判斷屈服是否具有自限性。

表1 設計工況下不同厚度彈性環(huán)危險截面應力線性化

由表 2可知，彈性環(huán)厚度δ2=25 mm、30 mm時，在工作壓力作用下，一次應力加二次應力即PL+Pb+ Q＜3，說明內壁屈服部位是局部的，具有自限性，即結構除在初始階段少數(shù)幾個載荷循環(huán)中產(chǎn)生一定的塑性變形外，在繼續(xù)施加的循環(huán)外載荷作用下不再發(fā)生新的塑性變形。同時由圖 4可知，δ2=25 mm的彈性環(huán)在介質壓力作用下外表面的變形量大于δ2=30 mm、35 mm的彈性環(huán)，因此取彈性環(huán)厚度δ2=25 mm。

表2 工作工況下不同厚度彈性環(huán)危險截面應力線性化

圖5 半徑R對彈性環(huán)徑向變形的影響曲線

2.3 彈性環(huán)凹槽半徑對結構的影響

選取δ1=30，r1=3 mm，h1=100 mm，h2=10均保持不變，彈性環(huán)厚度δ2=25 mm，凹槽半徑R分別為5 mm、10 mm、15 mm和20 mm，分別建立有限元模型進行計算。R越大，彈性環(huán)越容易變形，與筒體內表面貼緊的區(qū)域越大。

取如圖3所示的路徑1-1進行線性化處理。表3為應力分類結果。由表3可見，彈性環(huán)凹槽半徑越大，危險截面1-1的應力越大。本部分在進行應力校核時，安全性分析即一次應力加二次應力PL+ Pb+Q＜3，其計算載荷取設計壓力，分析結果偏于安全。當彈性環(huán)凹槽的半徑R=15、20 mm，危險截面的一次薄膜應力不滿足強度校核要求；當凹槽的半徑R=5、10 mm，危險截面1-1的各類應力均小于設計溫度下的許用應力強度極限。

表3 不同凹槽半徑彈性環(huán)危險截面應力線性化

綜上述分析表明，彈性環(huán)凹槽半徑R=10 mm的彈性環(huán)在介質壓力作用下，外表面的變形量大于R=5 mm的彈性環(huán)，因此取彈性環(huán)R=10 mm。

綜上分析，我們按δ2=25 mm，R=10 mm，δ1=30，r1= 3 mm，h1=100 mm，h2=10的尺寸制作了彈性環(huán)，并做了多次試驗。試驗中當溫度達到250℃、壓力達到250 MPa后，成功保壓30 min，證明該結構能在250℃、250 MPa下有效密封。

3 結論

本文提出了一種新型金屬彈性環(huán)密封技術。通過理論設計分析，找出了影響該金屬彈性密封結構的主要因素。實際應用證明，該結構操作方便，能完全滿足250 MPa、250℃高參數(shù)條件下“O”形圈對密封的要求。該技術在一定程度上可替代金屬密封結構，可極大節(jié)約成本，提高勞動效率。該產(chǎn)品的成功研制，為該技術廣泛應用奠定了良好的基礎，為高溫超高壓條件下的密封技術提供了一條全新的發(fā)展思路。

［1］ GB 150-2011鋼制壓力容器［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［2］ 邵國華.超高壓容器［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2002.

［3］ 余偉煒.ANSYS在機械與化工裝備中應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

（編輯：啟 迪）

Technological Research on New-type Sealing Structure under High Temperature and Ultra-high Pressure

ZENG Rong,LUO Yougao,LIU Gang,LUO Jialin,TANG Shunjie
（Wuhan Ship Development&Design Institute,Wuhan 430064,China）

A new type of elastic ring sealing structure is designed for the conundrum that the fluorine rubber O ring can be only used at the work environment below 210℃、210 MPa.The designed new type of elastic ring sealing structure is with fixing convenience and enable fluorine rubber O ring to achieve a reliable seal at 250℃ and 250 MPa.By using finite element method,the effect of the structural parameters on stress and deformation of the elastic ring is analyzed, the reasonable size of the seal structure can be determined quickly and exactly.This seal structure could substitute for metal seal structure.It economize on cost enormously and improve work efficiency.

elastic ring;sealing structure;high temperature and ultra-high pressure

TB 42

A

1002－2333（2014）04－0036－03

曾嶸（1975—），男，高級工程師，從事壓力容器設計工作。

2013-12-27