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    改良型圆柱面接触静密封结构.pdf

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    改良型圆柱面接触静密封结构.pdf

    第43卷第6期 2014年11月 石油化工设备 lP,ETRO-CHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 No.6 NOV.2O14 文章编号10007466201406008005 .蚰个 改良型圆柱面接触静密封结构 李 昊 北京众博蔫孬油 蘸有限公司西安分公司,陕西西安 710016 摘要针对典型的圆筒形 ,提出了一种改良型圆柱面接触静密封结构,解决了此类密封方 式的挤出问题。该密封结构具有耐装拆性好、耐紧固装置受力变形、不增大密封直径和紧固力、设 计简便及易于制造等优点。在结构强度许可范围内,采用此结构均可达到极低的泄漏量而几乎不 受结构刚度影响。通过选用合适的材料,该结构可以用于更多介质和更大的温度变动范围。还与 快开门紧固装置进行了协同设计。 关键词静密封;圆筒形内压容器;圆柱面;结构;改进 中图分类号TB42;TH49 文献标志码A doi10.3969/j.issn.i0007466.2014.06.021 Improved Cylindrical Surface Contact Static Sealing Structure LI Hao Xi’an Branch,Beij ing Polydoctor Petroleum Technology Co.Ltd.,Xi’an 7 1 00 1 6,China AbstractAn improved cylindrical surface contact static sealing structure,which solved the ex trusion,is proposed for the typical internal cylindrical pressure vesse1.Advantages of such seal ing structure include good resistance to assembly and disassembly,good resistance to deation of fastening devices,minimum sealing diameter and fastening force,easy to be designed and man ufactured.The sealing provides very low leakage within the extent of strength of structure,while almost not influenced by stiffness.Coordinated design work with fast open fastening devices is al SO carried out. Key wordsstatic sealing;cylindrical pressure vessel;cylindrical surface;structure;improve一 可拆静密封技术是一种通用技术,用于维持设 片或某些元自紧能力的接触型密封的场合,预设预 备的正常运转,并且使设备便于维护。在高压、超高 压工况下可靠工作,并且达到更低的制造、使用成 本,是该技术领域的研究目的。笔者以最常见的圆 筒形内压容器为例,以密封直径D与密封压力P为 分析设计基础参数,提出了一种改良型圆柱面接触 静密封结构。 问题描述 在现有的高压、大直径静密封工程应用中,普遍 使用垫片或各种垫环形式的接触型密封。在使用垫 收稿日期20140621 紧力繁琐且操作困难,而且因密封效果和结构重量 问题而不适用于pD较大的场合。使用C形环、双 锥环、三角垫、透镜垫及B形环等有一定程度自紧 能力的接触型密封时_1],预紧力相对较低甚至不需 要预紧力,可用于pD更高的场合,但一般要用金属 材料制作密封元件,对密封部位的尺寸精度和粗糙 度要求较高,而且由于依赖密封元件塑性变形形成 密封,因此耐装拆性不好。采用这些技术实现高等 级密封时难以兼顾经济性,而且需要密封部位的直 径都比相应的密封作用部位的直径小,这就加大了 作者简介李吴1976一,男满族,陕西渭南人,工程师,硕士,现从事机械类产品的研究设计工作。 器 容 压 一. ..I 第6期 李吴改良型圆柱面接触静密封结构 内压作用面积,使端盖与装置主体的分离力比被密 封部位开口本身对应的分离力大,即便是解决了装 拆快速性和耐装拆性问题的隔螺式炮闩结构也存在 此缺点,因此紧固装置更为笨重。 伍德密封、楔形环、Bridgman密封以全部或大 部分作用于端盖构件的分离力压紧密封部位 ,利 用材料的泊松比现象将密封件与基体材料压紧,对 高压力的密封等级很高,但结构重量和占用高压空 间都较大,使用范围受到限制,而且容易发生垫环塑 性变形挤入间隙影响拆卸3],即使进行精细设计也 很难彻底解决。 2 常规圆柱面接触静密封 工程上使用垫片或接触型密封时,发生密封作 用的位置通常是圆柱面、端面以及介于圆柱面、端面 之间的锥面或球面。 在前述提及的各种密封技术中,除B形环、楔 形环、Bridgman和伍德密封外,进行密封接触的最 大直径部位都为端面或锥面,因此密封作用部位的 直径必须超过需要密封部位的直径,这是造成紧固 装置受力更大的根本原因。B形环只有最大直径部 位密封而没有次密封部位,属于纯圆柱面接触方式, 其密封作用部位直径加大是安装方式设计问题引起 的,与伍德密封一样,可以通过设计与楔形环和 Bridgman类似的安装结构来解决。而且普通B形 环是圆柱面接触密封中的一个特例,使用金属材料 代替常规应用中的柔软材料变形实现密封,虽然解 决了挤出问题,但加工要求高、装拆工艺性和耐装拆 性不佳,低压下泄漏严重。作为其改进形式的衬环 密封和组合式B形环,虽然解决了低压泄漏问题, 但压伤问题依然存在。 对常规圆柱面接触静密封,为达到可靠接触的 目的,只能使用柔性较好的材料制造密封元件,靠密 封元件在安装位置上发生变形而实现密封。为装拆 密封元件,必须在高强度基体材料的轴孔配合上留 出一定径向间隙,因此会在密封材料硬度、间隙、压 力的某个组合区间内发生密封元件挤出而导致泄 漏,即间隙和密封材料硬度会综合影响可密封的压 力。一般在正常工作时无法消除该间隙,甚至常因 承压筒体变形而导致间隙进一步加大,因此此类密 封元件一直很少单独用于高压大直径密封位置。虽 然蒋伟华将自行设计的特殊结构成功用于60 MPa、 700 Illii1内径的场合 ],但其推理过程仍极为繁琐 且有待商榷。 3改良型圆柱面接触静密封结构 从不增大密封作用部位直径的角度考虑,应该 在最大密封直径部位采用圆柱面接触密封结构,在 轴上布置密封元件是实现这种结构的最佳方式,而 且壳体受力情况也最好,但存在挤出问题。为防止 挤出,不采用~般的提高密封材料硬度或增大该处 壳体壁厚提高刚度的方法,而是去掉端盖上密封元 件安装部位内径方向的部分材料,使端盖部件在密 封元件后方一定范围的壁厚远小于按强度理论计算 所对应的筒壁厚度,形成一个薄壁区,其壁厚只要能 满足腐蚀裕量即可 ]。 初装时和工作压力较低时相关部件的情况与普 通圆柱面接触静密封结构相似,内压升高后薄壁部 位快速径向膨胀,其与外部简体之间的装拆间隙在 密封元件被挤出前逐渐闭合,直到薄壁区外周与筒 体内壁间出现仅比被密封压力略低的接触应力,即 发生金属对金属的严密接触,防止较柔软的密封材 料从改良前无法闭合的间隙中被挤出。此时可以认 为密封元件自身处于无缝高压环境中,再高的密封 压力也不会在密封元件内形成足够的破坏应力 ], 因此能密封极高的压力。只要薄壁部分的变形不超 过弹性极限,这种密封结构就可以在泄压后恢复成 与初始装配状态相同的状态,可耐压力循环和相应 的反复装拆。即使超过了弹性极限,由于其内部应 力超过筒体应力,泄压后的收缩量必定大于筒体收 缩量,肯定会重新产生间隙,而不会发生难以拆卸的 问题。从这个角度来讲,本密封结构与枪炮发射药 筒的薄壁结构有相似的着眼点,但因为有前置的密 封元件,所以在各压力段,特别是压力较低时都有更 好的密封性能。 改良之后的圆柱面接触静密封部位的结构示意 图见 图1。 1.被密封介质 2.高压侧按常规方式设计的部分基体 3.密封元件 4.与高压侧薄壁部分对应的低压侧高强度结构区 5.密封元件低压侧界面 6.高压侧薄壁部分 图1改良后圆柱面接触静密封部位结构 82 石油化工设备 2014年第43卷 在紧固装置发生轴向变形时,密封部位可通过 在圆柱面上滑动而继续保持密封接触,只要薄壁区 后方的高强度筒体有足够的延伸长度保护薄壁区不 致暴露就仍能可靠密封。这种结构比隔螺式炮闩中 形成密封功能的部分更为优越,对紧固装置制造、安 装公差和变形并不敏感,可以使用无预紧力的紧固 装置。为充分利用这一优点,应该进一步讨论配套 的紧固装置,即采用快开门式端盖结构。 4配套紧固装置讨论 为了承受密封压力在接口和端盖等部位产生的 轴向力,紧固装置至少要能施加的力为FpnD / 4。不考虑紧固结构的影响,该力分布在厚度 的筒 壁材料上所产生的应力近似为 一pD/48 。在承 压圆筒部位,用薄壁圆筒模型近似得到的筒壁承压 周向应力 一pD/2 ,而筒壁远离端部紧固部位 的轴向应力 则可用简单的拉杆模型公式近似为 pD/4 。此外,壁面径向应力 一一P,承压 圆筒远离端部紧固力作用区主体部分的实际应力为 以上三向应力的组合。因为 与 在形式上相似 且 一2a ,考虑实际圆筒受力遵循厚壁圆筒公式以 及圆筒主应力计算中所使用的三向应力理论,可以 看出,只要端部紧固装置只承受内压产生的轴向力, 在强度裕度相当时其 可以降低到0.5 以下。这 也是螺纹锁紧结构可以在端部以更薄的基体承载螺 纹载荷,并在重量上优于普通法兰结构的原因[7-9]。 5 改良型圆柱面接触静密封结构试验 基于以上改良型圆柱面接触静密封结构和紧固 装置的讨论,将密封部位前置进行结构设计,让紧固 装置只承受内压P导致的F而不受P的其它效应 影响,设计了一个原理试验件,密封直径40 mm,试 验条件为常温水/气密封,不考虑腐蚀影响,薄壁区 厚度只有1 mm,装配状态见图2。图中没有标出压 力试验口,实际压力试验口是通过在右侧端盖上钻 孑L后在外端面焊接一段金属接头实现的。 对照O形圈材质选用普通的肖氏硬度约70HS 的丁腈橡胶,主密封圈可随意选用尺寸合适的各种 柔软致密材料。 端盖紧固部位紧固力作用位置采用了锥面而不 是平面结构,这样可以在保证两侧承力齿根都有较 大厚度的前提下压缩轴向尺寸。由于密封结构对紧 固装置松弛不敏感,轴向尺寸只定自由公差,密封部 位也只采用橡胶密封元件的一般粗糙度和公差要 求,因此制造精度要求较低。 1.对照试验轴 2.轴用弹性挡圈 3.齿啮式端盖4.简体 5.对照0形圈6.主密封圈7.垫圈8.螺钉 图2原理试验件装配图 该试验件零件尺寸较小,装拆非常方便,在主密 封圈使用普通的70HS丁腈橡胶。形圈时,经过多 次装拆和压力试验,水压试验压力升到65 MPa时 结构仍然完好,未发现泄漏。气压试验压力上升到 37 MPa,采用气泡法检查也未发现泄漏。受水压和 气压试验条件限制,没有进行破坏试验,但基本证明 了该结构的强度和密封效果。特别需要指出的是, 当主密封圈使用多根8字形环绕的橡筋时,虽无法 对0.5 MPa的空气进行密封,但在65 MPa水压试 验压力下却可保持可靠的密封性能。 在水压试验压力65 MPa下,对照O形圈处未 发现泄漏,分解也未发现对照O形圈有损伤,估计 是这种安装条件下,其低压侧间隙不会因压力作用 而增大,而且循环次数也较少。 6大直径密封工程应用设计 在用于大直径密封时,采用如图2所示的整体 式端盖结构会导致加工量较大、成本较高,因此设计 了如图3所示的2种分离式端盖结构。左端配合整 体齿啮合式结构设计[2],在高压介质侧设一很小的 内密封盖将薄壁件固定在整体齿啮合式端盖上;右 端配合剖分环式紧固结构设计,端盖靠与薄壁件和 剖分环的直接压力传递轴向力,最终由剖分环将轴 向力传递到筒体上。由于无法避免圈间负荷不均问 题L1 ],多圈紧固结构会造成更长的轴向尺寸,因 此出于紧凑性考虑,也基于 可以不大于0.58的讨 论,两端盖均采用一道大型紧固结构承担全部载荷, 而非多道结构同时承载。此处的非承力面均设计成 环形平面,但为了在尽可能紧凑的尺寸内获得足够 的强度裕度,紧固结构可采用更为合适的角度,这方 第6期 李吴改良型圆柱面接触静密封结构 面可以参考涡轮叶片安装榫槽的设计结果 ],或者 其它目的相近的成熟结构,而不会影响密封部位的 设计。 1.内邵高压介质2.简体3.主密封圈 4.剖分环结构用薄壁件 5.剖分环 6.剖分环限位钉 7.用于装拆的辅助结构8.剖分环结构用端盖 9.剖分环结构用辅助密封1O.齿啮结构用内密封盖 11.齿啮结构用辅助密封 12.齿啮结构用薄壁件 13.整体齿啮合式端盖 图3 应用于大直径场合时分离式端盖结构 2种端盖结构的辅助密封均采用可控制密封元 件变形率的自压紧方式,在辅助密封元件低压侧,基 体间接触应力高于被密封压力,同样形成金属间的 严密接触,避免了辅助密封元件被压溃的可能。 比较2种端盖结构形式,整体齿啮合式结构的 端盖零件少,一般装拆时不牵涉辅助密封,操作较为 简单,但重量集中,装拆时主密封或辅助密封部位有 发生周向摩擦的倾向,可能对某些种类的密封元件 造成一定影响,而且紧固部位因齿啮构造而必然存 在一定程度的应力集中,在大pD场合会导致较大 的结构重量,因此在大型化装置上的应用会受到一 定限制,更适合在小型装置上发挥装拆迅速的优势。 剖分环结构的端盖功能由较多零件共同完成,一般 装拆时需打开辅助密封,操作较为繁琐,占用高压空 间较大,但单个零件重量容易控制,装拆主密封时没 有周向摩擦问题,特别是紧固作用力理论上在周向 均匀分布,应力集中问题不严重,在大直径场合结构 重量轻,更适用于大型化装置。 7 结语 基于普通圆柱面接触静密封方式的失效机理, 提出了相应的解决方案,并与整体齿啮合式结构结 合设计了一个使用改良型快开门式端盖的试验件, 经高压气、液压力试验验证了使用效果。在此基础 上设计了2种用于更大直径场合的快开门式端盖结 构,该结构避免了传统端面、锥面密封所用法兰结构 的笨重,密封效果良好,极大地简化了装拆操作过 程,通过选用合适材料,可适应更多的工作介质和更 大的温度变动范围,是一种很有潜力的压力容器、管 道用可拆静密封结构。 参考文献 [1]王金刚.石化装备流体密封技术[M].北京中国石化 出版社,20078-215. 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WANG Jin-guang.The Design of the Large-sized Screw Locking Ring Double Shell Side Heat Exchanger in the State of High Temperature and Hign Pressure [J].Pressure Vessel Technology,2002,1948-10. 第43卷第6期 2014年11月 石油化工设备 PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 NO.6 NOV.2014 文章编号i0007466201406008405 南山终端LPG中H2 S体积分数影响 因素与回收率关系分析 王军,崔攀,李云刚 中海石油中国有限公司湛江分公司,广东深圳 518067 摘要以南山终端液化石油气LPG生产工艺参数优化调整后LPG中H。s的变化为基础,通过 实验测试分析找到了影响LPG中H S体积分数的因素。提出了在保证LPG回收率的前提下,尽 量降低系统H。S体积分数、延长脱硫剂使用周期、将LPG生产系统受H S腐蚀风险降到最低的方 法,以保护生产设备安全,延长设备生命周期,降低整体生产成本,提高经济效益。 关键词液化石油气;参数优化;回收率;H S;含量 中图分类号TE626.7;TQ050 文献标志码B doi10.3969/j.issn.10007466.2014.06.022 Relation between Affecting Factors and Recover Rate Of H2 S Content in Liquefied Petroleum Gas in Nanshan Terminal WANG Jun.CUI Pan.LI Yungang Zhanjiang Branch,CNOOCChinaCo.Ltd.,Shenzhen 518067,China AbstractBased on the changing H2 S content in liquefied petroleum gasLPGprocessing data after optimization in Nanshan Terminal and through test and analysis,the factors affecting H2 S content in LPG was obtained.On the recovery rate guaranteed,to reduce system H2 S content in I PG and to prolong desulfurizer cycle are put forward in order to lower H2 S corrosion to lowest risk in LPG system. Key wordsliquefied petroleum gas;data optimization;recovery rate;H2 S;content ””--“”-4-“卜””*“-4.-“-4-..“”-4-..十”--“ E82康晓雷.石油套管螺纹连接的密封结构gJ2.钻采工艺, l997,2014751. KANG Xiaolei.Sealing Structure of Oil Casing Thread Connection[J].DrillingProduction Technol ogy,1997,2014751. [9]张居勤.国外油井管特殊扣的主要类型及其特点[J]. 钢管,2005,2O156 60. ZHANG Juqin.Main Types and Characteristics of Premium Threads of Foreign Oil Well Pipes[J].Steel Pipe,2005,201566O. [1O]杨宇峰,龚菊华.高压换热器密封中螺纹受力分析[J]. 当代化工,2012,417740741. YANG Yufeng,GONG J uhua.Stress Intensity A nalysis of Threads in Threadlocking Ring and Dia “。卜“‘卜” 卜”-卜“‘卜“■一”-4-“-4;-”” “-4-”-4-”“-1-”一十“ phragm Seal of High Pressure Heat Exchanger[J]. Contemporary Chemical Industry,2012,417740 741. [11]山本晃.螺纹连接的理论与计算[M].上海 【二海科学 技术文献出版社,19845153. Yamamoto Sway.Theory and Calculation of Threaded connection[M].ShanghaiShanghai Scientific and Techno logical Literature Publishing House,198451-53. [12]格鲁宾A H.涡轮叶片枞树形榫头强度计算[M].北 京国防工业出版社,1975. Rubin A H.Turbine Blade Fir-tree Tenon Strength Calculation[M].BeijingNational Defense Industry Press,1975. 张编 收稿Et期20140710 作者简介王军1981-,男,陕西汉中人,工程师,学士,现从事天然气和LPG生产及相关技术工作。

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