大直徑透鏡式金屬密封圈有什麽特點？-惠諾油封
來源： 發布時間：2021-01-17 16:40
大直徑透鏡式金屬密封圈研究
摘要：
透鏡式密封圈是一種常見的金屬密封形式，然而在其設計方面美洲和歐洲标準存在較
大差異。在進行水下密封研究的過程中發現，大于6時規格的透鏡墊産品幾乎不存在。在研究金屬密封原理的基礎上，結合德國标準給出的設計方法，設計出了一種18時的大直徑透鏡式金屬密封圈。通過有限元方法對其密封性能進行分析，結果驗證了該透鏡式密封圈的設計合理，且能安全使用。最後，給出了兩種實用的複合透鏡式密封圈使用的形式，能夠在滿足工作内壓的基礎上兼顧水下環境的外壓要求。
1. 引言
金屬密封由于其自身材料特性和良好的加工性能，在高溫高壓密封圈領域有着廣泛的應用。透鏡式密封圈是一種常見的金屬密封形式，然而在其設計方面美洲和歐洲标準存在較大差異［1-2] .在進行水下密封研究的過程中發現，目前隻有部分尺寸的透鏡式密封圈已有成熟應用，大于6時規格的産品幾乎不存在／3-6] .因此針對18時密封圈展開研究以期對大尺寸透鏡式密封圈的發展和應用有所貢獻。
2.透鏡式密封圈的結構設計
透鏡墊的側面呈圓弧狀，部分屬于工作密封表面。工作過程中，與密封圈相配合的上下法蘭受到軸向預緊力約束，密封圈被壓緊而發生彈性變形，通過變形産生的回彈力在兩接觸面之間産生接觸壓力，從而形成密封。密封性能取決于接觸壓力的大小，與預緊力、材料性能、密封面粗糙度等因素均有關。
規範DIN2696中給出了透鏡墊尺寸的設計方法，根據d2、d5、x三個初始參數确定透鏡墊以及相配合法蘭的剖面尺寸［2］ 。規範中列出了6時以下各規格透鏡墊的具體參數，但對于其中的設計方法并未限制适用的尺寸範圍。結合18時法蘭内徑di (已知）确定出透鏡墊設計所需要的三個初始參數，再按照規範中的設計方法計算得到其他尺寸。随後，将通過有限元分析對這種大尺寸透鏡墊的設計效果進行驗證。
18時法蘭的内徑di定爲387mm, 然後按比例放大确定d2、d5、x三個參數的值，設計模型如圖1所示，計算過程和結果，如表1所示。各參數含義，如表2所示。
3.透鏡墊密封圈有限元分析
通過有限元方法對18時透鏡墊密封圈和相配合法蘭的工作狀态進行模拟，分析二者的應力分布情況。由于法蘭－密封圈系統是嚴格的軸對稱結構，同時又關于密封圈中面呈鏡像對稱，因此可以隻針對1/2徑向剖面進行有限元分析，如圖2所示。在提高建模效率的同時也大大節約了機時。模型中規定網格尺寸采用映射分網方法，接觸面附近進行網格加密。
金屬密封的工作原理決定了密封圈的硬度應略低于法蘭，因此透鏡墊和法蘭材質分别選用316不鏽鋼和12Cr2Mo1/4-5] 。316不鏽鋼的彈性模量爲（2. 0x105) MPa; 12Cr2Mo1屬于低合金熱強鋼，彈性模量取（2. 06x105) MPa; 二者的屈服強度均爲310MPa。創建密封面接觸對時，透鏡墊上的接觸面選用CONTA172單元，法蘭上的目标面選用
TARGE169單元。
模型内壓爲34. 5MP, 這一壓力作用于密封圈、法蘭内表面以及二者接觸點的内側。在法蘭斜肩上施加6210kN軸向集中載荷，這一工作預緊力是根據ASME相關規定計算得到的［6] 。鑒于模型的鏡像對稱性，限制密封圈中線豎直方向的位移。模型加載和邊界條件情況，如圖3所示。
18時透鏡墊的應力分布情況，如圖4所示。最大等效應力值是241. 5MP, 現在接觸點附近。接觸壓力的大小決定了最終的密封效果，理論上當接觸壓力大于需要密封的壓力時，就可以形成安全的密封。法蘭和密封圈之間的接觸壓力是383. 0MP, 如圖5所示。
4.透鏡墊密封圈的擴展應用
水下密封在考慮内壓的同時還需考慮随水深加劇的外壓，複合式透鏡墊密封圈應運而生，其在主體部分的标準透鏡墊上增加了用于抵抗外壓的非金屬密封圈，具體結構有如種形式。軸向複合密封圈，如圖6所示。軸向是指引入O型圈軸向密封。
對于如圖6所示的軸向複合密封圈，其外伸凸沿的上下端面加工有環形凹槽，内置O型非金屬墊圈，在外側的軸向上形成次要密封。這種複合密封圈對于密封預緊力的要求非常嚴格，因爲密封性能主要由初始的預壓縮量決定，而預壓縮量又取決于軸向密封預緊力的大小。工作過程中要求金屬透鏡墊與非金屬O型圈的壓縮量同時達到密封要求，不能産生将O型圈壓縮破壞的情形。
徑向複合密封圈是指O型圈與配合端面之間形成次要的非金屬徑向密封，如圖7所示。該密封圈将标準透鏡墊的外徑加大而不改變内徑和球面尺寸。此種結構對于密封圈的裝配要求甚爲嚴格，因爲裝配完成後0型圈的壓縮量便無法改變，從而密封能力也随之确定。
這兩種複合密封圈的典型應用，如圖8、圖9所示。
5結論
針對深水管道高溫高壓的工作特點，設計了18時金屬透鏡式密封圈的參數尺寸，并對其進行有限元分析探究工作應力的分布規律，結果驗證了結構設計的正确性。
通過将密封圈擴展應用得到複合式透鏡密封圈，在具備同等條件下标準金屬透鏡墊密封能力的同時兼
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