一种O形橡胶圈的密封强度计算方法_张波.pdf

54一种 O 形橡胶圈的密封强度计算方法张波严欢季敏东潘绍成东方电气集团东方锅炉股份有限公司，成都 611731摘要：为避免内部锈蚀，锅炉辅机、化工容器、气化炉、太阳能、氢能等槽罐类容器在运输和贮存过程中均要求进行充氮保护，需要对设备现场焊接的管口进行密封。核电等设备一般均要求须采用机械密封方式。本文将立足于容器设备运输和贮存过程中的充氮防护，介绍一种 O 形橡胶圈在轴向受压工况下机械密封强度的理论计算和校核方法。关键词：O 形橡胶圈；充氮防护；运输和贮存；低压和静压；密封强度计算中图分类号：TH136文献标志码：A文章编号：1001-9006（2022）04-0054-04A Calculation Method for Sealing Strength of O-ringZHANG Bo,YAN Huan,JI Mindong,PAN Shaocheng(Dongfang Boiler Group Co.,Ltd.,611731,Chengdu,China)Abstract:In order to avoid internal corrosion,tanks such as boiler auxiliaries,chemical vessels,gasifiers,solar energy,hydrogen energy,etc.are required to be protected by nitrogen charging during transportation and storage,and the pipeorifices welded on site need to be sealed.Mechanical seal is generally required for nuclear power equipment.In thispaper,a theoretical calculation and check method of mechanical seal strength of O-ring under axial compressioncondition is introduced based on nitrogen filling protection during transportation and storage of container equipment.Key words:O-ring;Nitrogen filling protection;transportation and storage;low pressure and static pressure;calculation ofsealing strength1收稿日期：2022-07-21作者简介：张波（1988），男，2012 年毕业于武汉理工大学包装工程与工商管理专业，本科，工程师。为避免内部锈蚀，锅炉辅机、化工容器、气化炉、太阳能、氢能等槽罐类容器在运输和贮存过程中均要求进行充氮防护，需要对设备现场焊接的管口进行密封。密封主要有机械和焊接密封两种方式。由于焊接密封在现场需要对设备进行二次加工和消缺，易对设备的工期和性能等造成影响，核电等设备一般均要求须采用机械密封方式。O 形橡胶圈有结构简单、成本低廉、拆装方便、单件使用双向密封、摩擦系数小等特点，具有良好的密封性和自封性能，密封压力可从 1.3310-5Pa 到 400 MPa，是一种典型的内塞膨胀式摩擦机械密封材料。按工程经验，设备在运输和贮存工况下的充氮压力一般均小于 0.1 MPa，是一种较典型的低压和静压密封。本文将立足于容器设备运输和贮存过程中的充氮防护，介绍一种 O 形橡胶圈在轴向受压工况下机械密封强度的理论计算和校核方法。1设计原理设备在运输和贮存过程中，内部进行充氮防护，充氮压力为 Pc。在 Pc 作用下，沿管口轴向会产生向外的轴力 Fp（如下图 1 所示）图 1 典型充氮防护机械密封结构DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2022.04.00755O 形圈套在螺杆固定轴上。在螺母拧紧的过程中，会产生沿管接口轴向向内的预紧力。在轴向预紧力反作用力和固定件的双向作用力下，O 形圈轴向受到双向挤压，截面发生变形。随着预紧力的增大，O 形圈径向与管壁逐步发生接触，直至不能再预紧时，产生沿管口轴向向内的静摩擦力 Ff。摩擦力通过计算最大接触压力和接触面积获得。当摩擦力 Ff满足下式（1）时，密封结构可靠。式中，S0为结构安全系数；n0为 O 形圈数量。螺纹预紧过程中产生的最大预紧力 FM由螺杆材质、螺纹规格等因素确定。O 形圈轴向受到双向挤压时会产生反作用的压应力。当 O 形圈因螺纹最大预紧力承受的当量压应力R小于 O 形圈橡胶材料拉伸强度o,即满足下式（2）时，连接结构可靠。R 0（2）2设计原则由于容器设备类充氮防护压力一般小于 0.1MPa，而密封用橡胶 O 形圈的抗拉强度一般均大于等于 5 MPa，材料抗拉强度值远大于设计要求值；橡胶具有高度非线性特点（材料非线性、几何非线性、接触非线性），综合以往工程经验数据，本文设计按 O 形圈橡胶材料遵循以下假设进行：（1）材料是连续均匀的；（2）O 形圈在各向的蠕变性质相同，且蠕变不引起体积的变化；（3）忽略材料溶胀对密封性能的影响；（4）忽略温度变化对密封性能的影响。图 2 密封结构尺寸示意2.1 O 形圈压缩率的选取O 形圈压缩率可用下式（3）表示（见下图 4）：式中，为压缩率，d0为 O 形圈初截面面直径，b 为压缩后径向无约束状态下的椭圆截面短半轴长。在选取 O 形圈的压缩率时一般要考虑以下两个方面：密封接触面积和材料永久变形的可能性。密封接触面积的大小直接影响摩擦力的大小。压缩率越大，摩擦力会越大。但过大的压缩率易造成材料永久性变形，或因应力松弛而失效。对静压密封而言，压缩率一般取 15%25%为宜。O 形圈材料选取时，其最大允许压缩值应大于设计压缩率。2.2 螺杆轴径 D1 的选取一般地，O 形圈在套入螺杆以后应有一定的拉伸量。O 形圈拉伸量可用下式（4）表示：式中，D0为 O 形圈内径，D1为螺杆轴径。同压缩率一样，拉伸量的大小对 O 形圈的密封性能和使用寿命也有很大的影响。如果拉伸量太小，装配时会容易脱出，如拉伸过大，会导致 O 形圈安装不方便，也会致使截面积减少太多而出现泄漏。对静压密封而言，拉伸量一般取 1.03%1.04%为宜（参见参考文献 2）。且螺杆 D1 轴径表面的粗糙度不低于 Ra3.2。2.3 最大接触压力值 Pm 计算O 形圈挤压过程中对管壁会产生压应力。按文献 1 的应力分析结果，O 形圈与管壁的最大接触压力均随着压缩率的增大而线性，区别为不同硬度曲线的一次函数曲线斜率和截距不同,其值均随着硬度的增大而变大。最大接触压力值可按下式（5）：式中：为硬压比系数，c 为计算常数。不同硬度值下 O 形圈硬压比系数和常数 C 值参见下图 3（参见参考文献 1）：图 3O 形圈硬度和常数关系图562.4 接触面积 As 计算按设计压缩率，轴向受压径向无约束状态下的O 形圈状态示意见下图 4。O 形圈截面按椭圆进行计算，并假定 O 形圈沿径向均匀拉伸。压缩前后体积相等，计算可得压缩后截面长半轴 a 和短半轴 b的值：图 4O 形圈轴向受压径向无约束状态示意按设计压缩率，轴向受压径向有管壁状态下的O 形圈状态示意见下图 5。假定忽略 O 形圈受挤压时的溢出，O 形圈受挤压后成鼓形，且 O 形圈与管壁和螺杆槽面接触的压力相等，则可计算获得 O 形圈与管接口内壁的接触长度 Sb如见下式（6）：图 5O 形圈轴向受压径向有约束状态示意As=DcSb（6）式中，Dc 为管接口内径。2.5 最大静摩擦力 Ff和最大当量压应力R计算按上述涉及原则和计算流程，O 形圈与管壁接触产生的最大静摩擦力 Ff和能承受的最大当量压力R可按下式（7）和式（8）计算获得：Ff=AsPmf0.（7）式中：As 为理论接触面积；f0为 O 形圈材料与管子材料间的静摩擦系数；FM为螺纹最大预紧力。3工程验证3.1 工程计算以某核电废液收集处理项目设备为例，设备设计有进水口、溢流口、排空口、呼排口、循环口、排水口等现场焊接接口，接口管径涵盖 D14、D21.3、D33.4、D60.3、D73、D89、D114.3 等多种规格。接管材料为 022Cr19Ni10 不锈钢，O 形橡胶圈材料选用丁腈橡胶，硬度 Hr 取为 70（IRHB 硬度），最大抗拉强度0取为 10 MPa（按机械设计手册）；接管材料与橡胶材料按干摩擦系数，取 f0为 0.65；安全系数考虑实际工况下螺杆及固定件自重及管口方位等的影响，取 S0为 4；螺杆材料为 06Cr19Ni10，常温下材料屈服极限 RM为 137 MPa；设备充氮设计压力 Pc 取为 0.1MPa，以工艺试验选定的 D142、D893.05、D114.36.02 三种接管规格为代表的计算数据和校核结果见下表 1:表 1 某核电项目 O 形圈密封强度工程计算数据数据管子规格螺纹规格D1(mm)D0d0（mm）no0（MPa）S0Dc(mm)f0ba（mm）D142M616.46.31.8425%104100.650.6751.2D893.05M202.5646210182.93.756.667D114.36.02M2438482101102.263.756.667数据管子规格Sa（mm）Sb(mm)As（mm2）PM(MPa)Fp(N)Ff（N）FM（N）RR0D1420.90.893283.227.8558.6合格14387.76合格D893.054.7254.69412225402882合格182128.36合格D114.36.024.5654.9115778213673合格262259.82合格573.2 试验验证为验证上述计算结果，项目开展了专项试验论证。根据项目结构特点，选取三种规格，分别对D50 以下、D50 以上和带有弯头的管接头的密封强度进行验证。密封强度验证试验简图见下图 6：图 6 密封强度验证试验简图当密封结构组装好后，密封强度验证按以下步骤进行：（1）进行短期验证。排完内部空气后，向工装设备中充入氮气和氦气，进行氦捡漏，并观察压力表情况。如果未出现异常，则进行长期验证；（2）长期验证时保压至少 24 小时，每隔 2 小时观测并记录压力表值变化情况；（3）数据异常时立即分别对各管口进行氦捡漏，寻找泄漏源，可先对密封装置重新进行加固，再按照步骤（1）和（2）重复进行验证；（4）长期验证记录数据平稳，无大幅波动，则密封强度合格；按照步骤（3）反复 5 次以上，仍发生泄漏时，则密封强度不合格。按项目要求保压值（0.020.05 MPa），试验压力表量程选用0.06 MPa，初始充氮压力值约为0.054MPa。试验长期验证数据记录值见下图 7 所示。24小时内氮压值变化率约为 1%，综合温差、气候对O 形圈性能的影响，可论证密封强度计算结果可靠。图 7 试验记录数据示意4结语作为工程中常用的气体、液体机械密封材料，O 形橡胶圈具有高度非线性特点。一般在工程应用时，均根据工程经验、试验或应力分析进行强度验算。本文通过对 O 形圈在设备充氮运输和贮存工况下，对其与管壁接触的最大静摩擦力和轴向受压承受的当量压应力的受力理论分析和计算，介绍了一种对 O 形圈密封强度和有效性的理论计算和校核方法，对同类型低压和静压密封工况下的 O 形圈选型和设计，具有一定的指导意义。同时，本文方法仅限于对 O 形圈本身的密封性能和有效性而言。在实际低压和静压工况，如设备充氮运输和贮存工况下的密封整体结构设计时，还应考虑管口方位、密封结构自重及运输外力等的影响，本文所涉及的设计原理也可对相应结构的设计提供一定计算的依据。参考文献：1 刘健,仇性启,薄万顺等.橡胶 O 形密封圈最大接触应力数值分析J.润滑与密封,2010,35(1):41-442 刘兴玉,张新奇,余