大直径透镜式金属密封圈有什么特点？-惠诺油封
来源： 发布时间：2021-01-17 16:40
大直径透镜式金属密封圈研究
摘要：
透镜式密封圈是一种常见的金属密封形式，然而在其设计方面美洲和欧洲标准存在较
大差异。在进行水下密封研究的过程中发现，大于6时规格的透镜垫产品几乎不存在。在研究金属密封原理的基础上，结合德国标准给出的设计方法，设计出了一种18时的大直径透镜式金属密封圈。通过有限元方法对其密封性能进行分析，结果验证了该透镜式密封圈的设计合理，且能安全使用。最后，给出了两种实用的复合透镜式密封圈使用的形式，能够在满足工作内压的基础上兼顾水下环境的外压要求。
1. 引言
金属密封由于其自身材料特性和良好的加工性能，在高温高压密封圈领域有着广泛的应用。透镜式密封圈是一种常见的金属密封形式，然而在其设计方面美洲和欧洲标准存在较大差异［1-2] .在进行水下密封研究的过程中发现，目前只有部分尺寸的透镜式密封圈已有成熟应用，大于6时规格的产品几乎不存在／3-6] .因此针对18时密封圈展开研究以期对大尺寸透镜式密封圈的发展和应用有所贡献。
2.透镜式密封圈的结构设计
透镜垫的侧面呈圆弧状，部分属于工作密封表面。工作过程中，与密封圈相配合的上下法兰受到轴向预紧力约束，密封圈被压紧而发生弹性变形，通过变形产生的回弹力在两接触面之间产生接触压力，从而形成密封。密封性能取决于接触压力的大小，与预紧力、材料性能、密封面粗糙度等因素均有关。
规范DIN2696中给出了透镜垫尺寸的设计方法，根据d2、d5、x三个初始参数确定透镜垫以及相配合法兰的剖面尺寸［2］ 。规范中列出了6时以下各规格透镜垫的具体参数，但对于其中的设计方法并未限制适用的尺寸范围。结合18时法兰内径di (已知）确定出透镜垫设计所需要的三个初始参数，再按照规范中的设计方法计算得到其他尺寸。随后，将通过有限元分析对这种大尺寸透镜垫的设计效果进行验证。
18时法兰的内径di定为387mm, 然后按比例放大确定d2、d5、x三个参数的值，设计模型如图1所示，计算过程和结果，如表1所示。各参数含义，如表2所示。
3.透镜垫密封圈有限元分析
通过有限元方法对18时透镜垫密封圈和相配合法兰的工作状态进行模拟，分析二者的应力分布情况。由于法兰－密封圈系统是严格的轴对称结构，同时又关于密封圈中面呈镜像对称，因此可以只针对1/2径向剖面进行有限元分析，如图2所示。在提高建模效率的同时也大大节约了机时。模型中规定网格尺寸采用映射分网方法，接触面附近进行网格加密。
金属密封的工作原理决定了密封圈的硬度应略低于法兰，因此透镜垫和法兰材质分别选用316不锈钢和12Cr2Mo1/4-5] 。316不锈钢的弹性模量为（2. 0x105) MPa; 12Cr2Mo1属于低合金热强钢，弹性模量取（2. 06x105) MPa; 二者的屈服强度均为310MPa。创建密封面接触对时，透镜垫上的接触面选用CONTA172单元，法兰上的目标面选用
TARGE169单元。
模型内压为34. 5MP, 这一压力作用于密封圈、法兰内表面以及二者接触点的内侧。在法兰斜肩上施加6210kN轴向集中载荷，这一工作预紧力是根据ASME相关规定计算得到的［6] 。鉴于模型的镜像对称性，限制密封圈中线竖直方向的位移。模型加载和边界条件情况，如图3所示。
18时透镜垫的应力分布情况，如图4所示。最大等效应力值是241. 5MP, 现在接触点附近。接触压力的大小决定了最终的密封效果，理论上当接触压力大于需要密封的压力时，就可以形成安全的密封。法兰和密封圈之间的接触压力是383. 0MP, 如图5所示。
4.透镜垫密封圈的扩展应用
水下密封在考虑内压的同时还需考虑随水深加剧的外压，复合式透镜垫密封圈应运而生，其在主体部分的标准透镜垫上增加了用于抵抗外压的非金属密封圈，具体结构有如种形式。轴向复合密封圈，如图6所示。轴向是指引入O型圈轴向密封。
对于如图6所示的轴向复合密封圈，其外伸凸沿的上下端面加工有环形凹槽，内置O型非金属垫圈，在外侧的轴向上形成次要密封。这种复合密封圈对于密封预紧力的要求非常严格，因为密封性能主要由初始的预压缩量决定，而预压缩量又取决于轴向密封预紧力的大小。工作过程中要求金属透镜垫与非金属O型圈的压缩量同时达到密封要求，不能产生将O型圈压缩破坏的情形。
径向复合密封圈是指O型圈与配合端面之间形成次要的非金属径向密封，如图7所示。该密封圈将标准透镜垫的外径加大而不改变内径和球面尺寸。此种结构对于密封圈的装配要求甚为严格，因为装配完成后0型圈的压缩量便无法改变，从而密封能力也随之确定。
这两种复合密封圈的典型应用，如图8、图9所示。
5结论
针对深水管道高温高压的工作特点，设计了18时金属透镜式密封圈的参数尺寸，并对其进行有限元分析探究工作应力的分布规律，结果验证了结构设计的正确性。
通过将密封圈扩展应用得到复合式透镜密封圈，在具备同等条件下标准金属透镜垫密封能力的同时兼
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