一种O形橡胶圈的密封强度计算方法_张波.pdf
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1、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 Calcula
2、tion 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 prote
3、cted 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 compressioncon
4、dition 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
5、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
6、,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
7、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
8、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
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