一種O型圈的全自緊式密封結構設計探討

郭 良 黃國昌 唐曉寧 王錦生 曹 蕾

(東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢，643001)

一種O型圈的全自緊式密封結構設計探討

郭 良 黃國昌 唐曉寧 王錦生 曹 蕾

(東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢，643001)

通過對O型橡膠密封圈(后文簡稱：O型圈)的密封原理及失效機理的分析，新設計出一種O型圈的全自緊式密封結構，并在大型高壓設備中應用。解決了O型圈密封在大型結構使用時O型圈不被擠食，而要求高精度加工及高難度的裝配問題。

O型圈 全自緊式 密封結構

1 引言

高壓自緊式密封元件有B形環(huán)、C形環(huán)、三角墊、O型環(huán)、空心金屬O型環(huán)。這些密封元件不是結構復雜、構件體積龐大，就是密封件加工精度高、制作成本高。在150℃以下的動、靜密封中常用O型圈密封，常用的溝槽為矩形溝槽。本文針對O型圈的密封機理和失效原理，探尋出一種結構簡單，密封效果好的全自緊式O型圈密封結構，從而解決O型圈密封在大型結構使用時O型圈不被擠食失效，而要求高精度加工及高難度的裝配問題。

2 O型圈密封及失效原因

O型圈是一種擠壓型密封，其基本工作原理是依靠密封件發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓，則不發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏。這種靠介質(zhì)本身壓力來改變O型圈接觸狀態(tài)，使之實現(xiàn)密封的性質(zhì)，稱為自密封作用。

O型圈的失效主要原因有O型圈的壓縮率和拉伸率設計不合理使O型圈永久變形、使用溫度導致O型圈永久變形、工作介質(zhì)引起O型圈永久變形、O型圈的硬度和密封間隙的不匹配等原因，使介質(zhì)從密封通道泄漏。

3 全自緊式O型圈密封結構及其密封原理

本密封結構由密封托架、軸向O型圈、徑向O型圈共同組成，統(tǒng)稱全自緊式O型圈密封結構(后文簡稱“密封結構”)，見圖1。密封托架上的密封溝槽選用矩形結構。安裝密封結構后能夠同時實現(xiàn)軸向通道和徑向通道的密封，在徑向通道上通過機加工裝配公差實現(xiàn)O型圈的預緊壓緊力和操作狀態(tài)的壓緊力。由O型圈的密封原理可知，軸向通道上無需施加過大的預緊力就能實現(xiàn)初始密封，操作狀態(tài)的壓緊力由設備內(nèi)部壓力將密封托架向上托舉產(chǎn)生的力來實現(xiàn)密封。

圖1 密封結構密封機理說明

設備腔內(nèi)壓力開始升高時，O型圈在滿足初始密封的同時，密封托架在內(nèi)壓的作用下發(fā)生彈性變形，隨著壓力的升高，密封托架的彈性變形亦在不斷的增大，當壓力增大到某一臨界值時，此臨界值應小于設備設計壓力，腔內(nèi)介質(zhì)的壓力可使密封托架發(fā)生彈性變形，而消除密封托架與徑向的間隙S1，使S1接近于零，從而實現(xiàn)高壓工作狀態(tài)的密封?？赏ㄟ^調(diào)整密封托架的結構型式及尺寸，使密封托架既要在彈性變形范圍工作，又要使其在較低的壓力下實現(xiàn)用彈性變形量來消除其本身與徑向間隙S1。當腔內(nèi)壓力升高時，密封托架在內(nèi)壓的作用下將有向上的位移，從而消除密封托架與軸向零件的間隙S2。通過整個密封結構的共同作用從而實現(xiàn)全自緊密封。

設備內(nèi)部壓力升高時，作用在密封結構上的壓力使密封結構發(fā)生彈性變形，消除密封結構與徑向零件之間的間隙，防止O型圈在高壓下被劑食失效，從而實現(xiàn)高壓密封。密封結構發(fā)生彈性變形之前的壓力必須小于O型圈被擠壓失效的臨界壓力，應通過不斷的改變密封結構的結構尺寸使密封結構發(fā)生變形量的壓力越小越好，同時還應保證密封結構在加工時所需要的強度及剛度。

4 全自緊式O型圈密封結構應用

4.1 某工程高壓容器設計參數(shù)

某工程的高壓容器參數(shù)如下：設計壓力(MPa)： 42；工作壓力(MPa)：40；設計溫度(℃)：45；工作溫度(℃)：4～40；工作介質(zhì)：淡水；設計使用年限(年)：20；內(nèi)部有效空間(mm)：內(nèi)徑：Di=Φ2500；耐壓試驗壓力(MPa)：52.5(立式)(介質(zhì)：水)。

1.筒體 2.密封托架 3.筒體端部 4.剪切環(huán) 5.O型圈 6.O型圈圖2 某高壓設備結構簡圖

圖2某高壓設備結構簡圖為了使設備更具有密封的保險性，在采用全自緊式O型圈密封結構的基礎上，頂蓋圓柱面上設了三道O型圈密封環(huán)，作為密封備用方案。設備整體耐壓試驗時頂蓋圓柱面只裝二道密封圈。

4.2 密封托架結構

圖3 密封托架結構及尺寸

4.3 結論

(2)O型圈發(fā)生擠食失效處的間隙處的密封溝槽過渡圓角半徑對O型圈的密封效果起著重要的作用。上述分析可知，當密封槽頂過渡圓角半徑由R2改為應為R0.8mm以下時，密封效果較好。

5 密封驗證

應用全自緊式O型圈密封結構的容器，在設備耐壓試驗時要求裝配完整密封元件進行整體強度驗證，耐壓試驗是驗證設備整體的密封性，在規(guī)定的耐壓試驗壓力和耐壓試驗方法下沒有出現(xiàn)泄漏，僅證明設備整體結構密封完好，還不能充分證明全“自緊式O型圈密封結構”是否實現(xiàn)完全密封。為了充分驗證設備的各個密封單元的密封性，在設備整體耐壓試驗完成后，分別做了如下驗證：

5.1 驗證頂蓋圓柱面上二道O型圈的密封性

將設備的頂蓋取出，用專用工裝取處“自緊式O型圈密封結構”的密封托架。在頂蓋圓柱面裝上二道O型圈。用專用工裝將頂蓋裝入設備內(nèi)部，并作在工作壓力下的密封驗證。逐步增加設備內(nèi)部壓力，壓力升至20MPa，停止升壓，檢查頂蓋泄漏通道無液體泄漏，保壓20分鐘壓力表值無下降。

繼續(xù)升高設備內(nèi)部壓力至42MPa后，停止加壓，檢查頂蓋泄漏通道無液體泄漏，保壓20分鐘壓力表值無下降。證明頂蓋圓柱面上二道橡膠圈性能滿足設備設計壓力下的密封性。

5.2 驗證“全自緊式O型圈密封結構”密封性

用專用工裝將頂蓋從筒體端部取出，并拆除頂蓋圓柱面上二道O型圈；

將密封托架及O型圈即“全自緊式O型圈密封結構”安裝至其正常工作位置，頂蓋裝入設備工作位置，逐步增加設備內(nèi)部壓力，壓力升至20MPa，停止升壓，檢查頂蓋泄漏通道無液體泄漏，保壓20分鐘壓力表值無下降。

繼續(xù)升高設備內(nèi)部壓力至42MPa后，停止加壓，檢查頂蓋泄漏通道無液體泄漏，保壓30分鐘壓力表值無下降。證明“全自緊式O型圈密封結構”實現(xiàn)了設備設計壓力下的密封性。

6 綜述

在O型圈密封原理及其擠食失效機理的基礎上，新設計出了一種O型圈的全自緊式密封結構，并探索出分析計算方法。通過對新密封結構的應用和驗證，證明了O型圈的全自緊式密封結構的分析計算方法是正確可行的。解決了高壓、常溫(低于150℃)下大尺寸開口件的密封難題。在高壓大開口密封設計上，封蓋圓柱面上雖然要設備用密封環(huán)，但封蓋圓柱面與筒體(或端部內(nèi)圓面)的間隙可不按O型圈不被擠食的間隙設計，這樣可大大降低大工件的加工難度和裝配難度。

本設計是基于橡膠圈作為密封元件進行的分析和計算，其局限性是可使用溫度受密封材料的限制，一般在150℃以下。此分析計算方法是否可推廣到別的可耐較高溫度的密封材料上，有待進一步研究，以擴大本密封結構的應用范圍。

[1] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會,李世玉,等.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社，2005.

[2] 胡繼棟.O性密封圈的設計與應用[J].油田建設設計,1997,43(2):32-35.

[3] 盧黎明.O形橡膠圈的壓縮率對其密封性能的影響[J].華東交通大學學報,2003,20(2):9-11.

[4] 陳愛平,周忠亞.O形密封圈和密封圈槽的選配與應用[J].石油機械,2000,28(5):49-51.

The Design of a Fully Self Sealing Structure of O-ring

GuoLiang,HuangGuochang,TangXiaoning,WangJinsheng,CaoLei

(DongFangBoilerGroupCo.,Ltd.Zigong643001,Sichuan,China)

through the O type rubber sealing ring (hereinafter referred to as: O-ring) of the sealing principle and failure mechanism of analysis and design of new out a O-ring full self tightening type sealing structure, and applied in a large high-pressure equipment. We solved the problem that the O-ring is easy to be crowded in the use of large structure, and the requirements of high precision machining and high difficulty of the assembly.

O-ring; fully self tightening; sealing structure

四川省科技廳青年基金項目(No.2013JQ0047)