曾嵘， 罗友高， 刘刚， 罗家璘， 唐顺杰

（武汉第二船舶设计研究所，武汉430064）

高温超高压金属弹性环密封技术研究

曾嵘， 罗友高， 刘刚， 罗家璘， 唐顺杰

（武汉第二船舶设计研究所，武汉430064）

针对氟橡胶O型圈只能使用在210℃、210 MPa的难题，设计了一种新型弹性环密封结构。该新型弹性环密封结构能使氟橡胶O型圈在250℃、250 MPa工况下安装简便、可靠密封。通过有限元分析方法，针对弹性环密封结构中的弹性环，分析各结构参数对弹性环的应力和变形的影响，快速、准确确定弹性密封结构尺寸。该密封结构在一定程度上可替代金属密封结构。

弹性环；密封结构；高温超高压

0 引言

目前，利用氟橡胶制成的O型圈已能够实现部分工作参数的高温超高压容器的密封，最高可用在工作温度210℃、工作压力210 MPa的工况下。近年来，石油勘探开发不断深入，勘探目标日益复杂，石油测井系统对测井仪试验装置提出了更高的要求，希望在使用O型圈密封元件的情况下，将工作压力提高到250 MPa、工作温度为250℃，容器内径增加到300 mm。

为了解决以上问题，本文设计一种弹性环密封结构，可在高温超高压极限条件下使用O型圈密封，并满足如下要求：1）密封结构能满足高温、超高压极限条件下的密封性能，密封口径大，密封结构紧凑；2）加工制造方便，结构简单，并且拆装和检修方便。

其技术指标：最高工作压力250 MPa；最高工作温度250℃；容器内径为300 mm。

1 弹性环密封结构设计

弹性环密封结构采用O形环密封和金属密封相结合的方式，结构形式如图1所示。这种弹性环密封结构由压紧顶盖、凸肩头盖、六角头螺栓、弹性环、O形环Ⅰ和O形环Ⅱ组成。

弹性环密封结构密封原理：工作时在介质压力作用下，弹性环发生变形，向外膨胀使得弹性环与筒体之间的间隙减小，压力越大消除密封面之间的间隙就越大，弹性环与筒体贴合得越紧，防止O形环Ⅱ被挤入间隙而被剪切，保证密封性能。

图1 弹性环密封结构

该弹性环密封结构能够保证O形环在250℃高温、250 MPa高压极限条件下的密封可靠性，且加工制造方便，拆装方便。

2 弹性环结构分析设计

弹性环作为新型密封结构的关键部件，结构尺寸如图2所示，其中弹性环的厚度δ2、凹槽的半径R对弹性环外表面变形量和应力分布影响较大，为此利用有限元分析法研究上述结构参数对弹性环变形及应力的影响，以确定弹性环主要结构尺寸。

弹性环应选择弹性较好的材料，同时为了便于取材，选择采用Q/CNC 15-2006《人造石英晶体高压釜》中的PCrNi3MoVA的3级锻件。常温下材料的许用应力Sm= 890/1.5=593.3 MPa，250℃下材料的许用应力Stm=0.895×593.3=531 MPa。

图2 弹性环结构尺寸

利用有限元分析法，分析弹性环在高压介质作用下的变形和应力，采用轴对称模型，建立图3所示的分析模型，在筒体内壁及弹性环内表面施加压力载荷250 MPa。

图3 有限元分析模型

2.2 弹性环厚度对结构的影响

选取R=15 mm，δ1=30，r1= 3 mm，h1=100 mm，h2=10，弹性环厚度 δ2分别为 20 mm、25 mm、30 mm和35 mm，建立有限元模型进行计算。弹性环的外表面变形曲线如图4所示。X轴表示距离图3所示的1-1横截面的高度，Y轴表示不同高度的弹性环横截面外表面相对于筒体内表面径向方向的变形量（即弹性环外表面径向变形量减去与其接触的筒体内表面径向变形量）。分析表明：离1-1截面越远的横截面弹性环外表面径向变形量越大，弹性环与筒体贴合的越紧；δ2越小弹性环越容易变形，与筒体内表面贴紧的区域越大。

图4 厚度δ2对弹性环径向变形的影响曲线

在设计弹性环尺寸时，不仅要考虑其外表面径向的变形量，还要保证弹性环外表面的变形在弹性范围内，即进行强度校核。计算表明，弹性环厚度δ2=35 mm时，整体当量应力水平较低，在弹性范围内，故在此不进行应力线性化分析。其它厚度的弹性环，根部凹槽弯矩较大，同时其截面抗弯惯性矩最小，应力分类时取如图3所示的路径1-1进行线性化处理。

根据JB 4732标准，应力线性化后各类应力校核条件：一次局部薄膜应力PL≤1.5，一次局部薄膜应力加一次弯曲应力PL+Pm≤1.5，一次应力加二次应力PL+ Pm+Q≤。由于设计温度为255℃，许用应力强度应取Smt=497.6 MPa。从表1可见：弹性环厚度δ2=20 mm时，其内表面和外表面PL+Pb＞1.5，即弹性环整体屈服；对于δ2= 25 mm、30 mm两种形式的弹性环，内表面PL+Pb＞1.5Smt，中心面及外表面PL+Pb＜1.5，仅内表面发生屈服。由标准可知，需要校核结构在工作压力作用下，其危险截面的一次应力加二次应力PL+Pm+Q≤3，即进行安定性分析，判断屈服是否具有自限性。

表1 设计工况下不同厚度弹性环危险截面应力线性化

由表 2可知，弹性环厚度δ2=25 mm、30 mm时，在工作压力作用下，一次应力加二次应力即PL+Pb+ Q＜3，说明内壁屈服部位是局部的，具有自限性，即结构除在初始阶段少数几个载荷循环中产生一定的塑性变形外，在继续施加的循环外载荷作用下不再发生新的塑性变形。同时由图 4可知，δ2=25 mm的弹性环在介质压力作用下外表面的变形量大于δ2=30 mm、35 mm的弹性环，因此取弹性环厚度δ2=25 mm。

表2 工作工况下不同厚度弹性环危险截面应力线性化

图5 半径R对弹性环径向变形的影响曲线

2.3 弹性环凹槽半径对结构的影响

选取δ1=30，r1=3 mm，h1=100 mm，h2=10均保持不变，弹性环厚度δ2=25 mm，凹槽半径R分别为5 mm、10 mm、15 mm和20 mm，分别建立有限元模型进行计算。R越大，弹性环越容易变形，与筒体内表面贴紧的区域越大。

取如图3所示的路径1-1进行线性化处理。表3为应力分类结果。由表3可见，弹性环凹槽半径越大，危险截面1-1的应力越大。本部分在进行应力校核时，安全性分析即一次应力加二次应力PL+ Pb+Q＜3，其计算载荷取设计压力，分析结果偏于安全。当弹性环凹槽的半径R=15、20 mm，危险截面的一次薄膜应力不满足强度校核要求；当凹槽的半径R=5、10 mm，危险截面1-1的各类应力均小于设计温度下的许用应力强度极限。

表3 不同凹槽半径弹性环危险截面应力线性化

综上述分析表明，弹性环凹槽半径R=10 mm的弹性环在介质压力作用下，外表面的变形量大于R=5 mm的弹性环，因此取弹性环R=10 mm。

综上分析，我们按δ2=25 mm，R=10 mm，δ1=30，r1= 3 mm，h1=100 mm，h2=10的尺寸制作了弹性环，并做了多次试验。试验中当温度达到250℃、压力达到250 MPa后，成功保压30 min，证明该结构能在250℃、250 MPa下有效密封。

3 结论

本文提出了一种新型金属弹性环密封技术。通过理论设计分析，找出了影响该金属弹性密封结构的主要因素。实际应用证明，该结构操作方便，能完全满足250 MPa、250℃高参数条件下“O”形圈对密封的要求。该技术在一定程度上可替代金属密封结构，可极大节约成本，提高劳动效率。该产品的成功研制，为该技术广泛应用奠定了良好的基础，为高温超高压条件下的密封技术提供了一条全新的发展思路。

［1］ GB 150-2011钢制压力容器［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［2］ 邵国华.超高压容器［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［3］ 余伟炜.ANSYS在机械与化工装备中应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

（编辑：启 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

曾嵘（1975—），男，高级工程师，从事压力容器设计工作。

2013-12-27