双锥密封平盖上环形槽底部尺寸的正确设计

王海范，倪永良

（江苏省化工设备制造安装有限公司， 江苏 常州 213002）

[摘 要] 分析了双锥密封结构在预紧后，双锥环在平盖的环形槽内的受力变形情况，即双锥环在环形槽内既受到径向力作用产生径向压缩变形，又受到轴向力作用产生轴向楔进位移。指出平盖上环形槽的底部必须设计留有一定空间，使预紧后的双锥环在环形槽内的轴向楔进位移不受影响，即预紧后双锥环的上端面与平盖的环形槽底面不能接触顶到，并留有一定的安全间隙。提出设计平盖上环形槽底部空间的尺寸时，应以预紧后双锥环在环形槽内的最大楔进量为依据，并列出了双锥环最大楔进量的计算和确定方法。

[关键词] 双锥密封；平盖；环形槽；双锥环；设计

双锥密封结构具有优良的综合性能，是一种在高压容器中广泛使用的密封结构[1]。其适用的压力、温度及直径的范围都比较大，而且双锥密封属于半自紧密封，由于双锥环的径向自紧作用，所以在压力和温度波动不大的情况下，密封仍然良好[2]。

1 双锥密封结构的密封原理及预紧要求

双锥密封结构见图1。 平盖上有一圈环形槽，环形槽的外侧为锥形密封面，内侧为圆柱支承面，环形槽内侧的平盖平面高出环形槽外侧锥形密封面大端处的平面。在装配时，将衬有软金属垫的双锥环放置在平盖上的环形槽内，并用托环及螺钉将双锥环托住。双锥环的内圆柱面与平盖的圆柱支承面之间有间隙，GB 150.3-2011《压力容器 第3部分：设计》[3]附录C“密封结构”中C3.2.2条规定，双锥环的内圆柱面与平盖的圆柱支承面之间的单侧径向间隙g［g＝(D1－DT)／2］应控制在双锥环内圆柱面直径的0.075%～0.125%。

预紧时，螺栓力通过平盖与筒体端部的锥形密封面使双锥环受到径向压缩，在环内产生压应力，当双锥环的变形处于弹性状态时，环内的压应力使环产生抵抗变形的回弹力，使密封面产生自紧作用。平盖上的圆柱支承面对双锥环起支承作用，预紧时，双锥环被压缩贴向平盖，与圆柱支承面成为一体，以限制双锥环的变形[4]。双锥环预紧后，回弹力的大小是与环的半径压缩量成正比。当环的半径压缩量等于单侧径向间隙g时，环与平盖支承面贴合。若忽略贴合后的变形，则可以认为环的最大径向压缩量为g，此时，双锥环具有最大的回弹力。

因此，对于双锥密封结构，在预紧时，应使

作者简介：王海范（1965－），男，江苏常州人，本科学历，

图1 双锥密封结构示意图

双锥环外圆柱面的两端有上下两个锥形密封面，分别与平盖及筒体端部上的锥形密封面相配，密封面之间一般衬有软金属垫（如铝垫），现在也有用柔性石墨带敷设在密封面上代替软金属垫的做法，也可以获得很好的密封效果。

高级工程师。主要从事压力容器技术创新、设计审核、公司管理等工作。

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双锥环的半径压缩量达到单侧径向间隙g值，使双锥环内圆柱面与平盖的圆柱支承面贴合。这是双锥密封结构的预紧要求。

操作压力升起后，由于密封口的连接件和被连接件的变形，受压缩的双锥环将产生回弹，使自紧力降低。当双锥环的内侧受到介质压力作用后，产生的径向扩张量大于筒体端部锥形密封面的径向位移，此时即造成压力自紧。但是，要充分发挥压力自紧作用，双锥环在操作时必须与平盖的圆柱支承面分离。而过大的预紧力将使双锥环楔紧于平盖的环形槽内而失去自紧作用，故通常需要控制螺栓的预紧力。在满足初始密封的条件下，一般预紧力为螺栓总载荷的10%～20%[5]。具体预紧力的大小，要由计算确定，作为装配时的控制依据。

2 平盖上环形槽底部空间的尺寸设计2.1 平盖上环形槽底部空间的作用

平盖上环形槽的结构见图1所示。图1中的双锥环与平盖的相对位置为预紧前的初始装配状态位置。

当螺栓力将双锥密封结构预紧后，双锥环的内圆柱面与平盖的圆柱支承面贴合，双锥环在平盖的环形槽内的径向位置及轴向位置均发生改变。预紧后，双锥环截面在环形槽内的位置见图2。

图2 预紧后双锥环在环形槽内的位置

图2中虚线所示双锥环截面为预紧前的位置。从图2可以看到，预紧后，双锥环不但在径向被压缩，而且在轴向也在环形槽内产生了楔进位移，即双锥环在平盖的环形槽内楔进了尺寸a。如

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果不考虑预紧后双锥环截面的形状及尺寸的改变（实际上变化很小），根据双锥环密封面锥角α＝30°，由几何关系得，双锥环的楔进量a＝ g（其中g为单侧径向间隙）。

因为单侧径向间隙g为双锥环内圆柱面直径的0.075%～0.125%，所以，双锥环的直径越大（即容器的封口内径越大），单侧径向间隙就越大，预紧后双锥环在平盖的环形槽内楔进量a值就越大。

由此可知，平盖上环形槽的底部必须设计有一定的空间，使预紧后的双锥环在环形槽内楔进位移不受影响。

如果平盖上环形槽底部的空间（即轴向尺寸）不够，在预紧过程中，双锥环的内圆柱面还没有与平盖的圆柱支承面贴合，双锥环的上端面（采用软金属垫时，是指软金属垫的上表面）即已顶到环形槽的底面，此时继续施加螺栓载荷不能使双锥环产生进一步的径向压缩，即双锥环的内圆柱面无法与平盖的圆柱支承面贴合，则有可能密封面达不到要求的预紧状态，这将影响双锥密封结构的密封可靠性，甚至出现在密封面上不能建立起正常密封所需的比压，导致整个密封结构不能升压而失效。

所以，设计平盖上环形槽底部空间的尺寸时，应保证在预紧后，双锥环的内圆柱面与平盖的圆柱支承面贴合后，双锥环的上端面与环形槽底面之间不能接触顶到，并留有一定的安全间隙。

2.2 平盖上环形槽底部空间的尺寸设计

在确定平盖上环形槽底部空间的尺寸时，首先根据双锥环的内圆柱面直径D1（见GB 150.3-2011标准中表C.6中的参数），并按设计要求的单侧径向间隙（理论值）g0，计算预紧后双锥环在环形槽内产生的轴向楔进量a0，a0＝ g0。其次，根据单侧径向间隙（理论值）g0，确定平盖上圆柱支承面直径（理论值）DT，DT＝D1－2g0。但是，双锥环的内圆柱面及平盖上的圆柱支承面加工结束后的实际直径，将存在允许的偏差，如果直径D1与直径DT之间的最大直径偏差为（△D1），预紧后两圆柱面贴合时，由于存在直径偏差（△D1），双锥环也将因此产生一个轴向楔进量a1，a1＝ (△D1)／2。最大直径偏差（△D1）的值为：两零件的加工图上，直径D1的

第3期 王海范等 双锥密封平盖上环形槽底部尺寸的正确设计

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上偏差与直径DT的下偏差之和。

此外，还必须考虑双锥环的外圆柱面直径及平盖上锥形密封面大端直径的加工偏差。因为设计时，不考虑两者的直径偏差，认为在预紧前双锥环的锥形密封面大端与平盖上的锥形密封面大端是平齐的。但上述锥形密封面在加工结束后也存在允许的直径偏差，如果双锥环外圆柱面的实际直径（采用软金属垫时应加上2倍软金属垫的厚度）小于平盖上的锥形密封面大端的实际直径，则在初始装配阶段，双锥环的锥形密封面与平盖上的锥形密封面大端就不是平齐了，而是双锥环在平盖的环形槽内已经产生了一个初始楔进量a2。如果两锥形密封面大端的实际直径差为（△D2），则该初始楔进量a2＝ (△D2)／2。平盖上锥形密封面大端直径的加工偏差一般为正偏差，而双锥环的外圆柱面（即锥形密封面大端）直径，加工后的实际尺寸一般不会小于理论值（因为双锥环的直径是以内圆柱面直径为基准的），所以，两锥形密封面大端的实际直径差（△D2），小于双锥环内圆柱面与平盖的圆柱支承面的最大直径偏差（△D1），根据相关基准尺寸之间的关系，可取(△D2)＝(△D1)／2。

因此，预紧后双锥环在环形槽内的最大楔进量a为：a＝a0＋a1＋a2。平盖上环形槽底部空间的轴向尺寸b（见图1所示），必须大于双锥环的最大楔进量a，才能保证预紧后双锥环的上端面不会与平盖上的环形槽底面接触顶到。

当然，平盖上环形槽底部空间的轴向尺寸b不能直接取双锥环的最大楔进量a，还应根据封口内径大小，留有适当的安全间隙，该间隙可取3～6mm，封口内径小时取小值，封口内径大时取大值。

以封口内径为Di＝3000mm、设计压力为20MPa的双锥环为例，双锥环的内圆柱面直径D1＝2939mm，如果取单侧径向间隙（理论值）g0＝0.1%D1＝2.9mm，则预紧后双锥环的轴向楔进量为：a0＝ g0＝ ×2.9＝5.0mm，平盖的圆柱支承面直径（理论值）为：DT＝D1－2g0＝2939－2×2.9＝2933.2mm。对于直径在φ3000mm左右的圆柱面，采用常规的加工方法加工后，直径偏差约1.5mm（内圆柱面＋1.5mm，外圆柱面－1.5mm），两圆柱面的最大直径偏差为：(△D1)＝1.5＋1.5＝3.0mm，双锥环在预紧后因该直径偏差产生的轴向楔进量为：a1＝ (△D1)／2＝ ×3.0

／2＝2.6mm。双锥环外圆柱面直径与平盖的锥形密封面大端的直径差为：(△D2)＝(△D1)／2＝1.5mm，则该直径差产生的初始楔进量为：a2＝ (△D2)／2＝ ×1.5／2＝1.3mm。双锥环的最大楔进量为：a＝a0＋a1＋a2＝5.0＋2.6＋1.3＝8.9mm。还应考虑安全间隙，由于封口内径较大，安全间隙取6mm，所以，平盖上环形槽底部空间的轴向尺寸b需要15mm。

当设计采用软金属垫作为密封材料时，还应该考虑设备在以后的使用过程中，密封结构拆卸后重新装配的情况。因为软金属垫只能使用一次，拆卸后重新装配时必须更换软金属垫。如果是大直径的双锥密封，除非备有备品，否则大直径的软金属垫不易取得。而且现在用柔性石墨带代替软金属垫作为密封材料也可以获得很好的密封效果，所以在使用现场重新装配时，为了方便，往往不用软金属垫，而采用柔性石墨带作为密封材料。由于柔性石墨带的厚度很小，所以双锥环密封面上的软金属垫改为柔性石墨带后，装配时双锥环在平盖的环形槽内也会产生一个初始楔进量。如果软金属垫的厚度为1.5mm，则该初始楔进量～2mm。因此在设计平盖的环形槽底部空间的尺寸时，最好预先留出该楔进量所需的空间，以便在使用现场采用柔性石墨带代替软金属垫时，预紧后密封结构同样可以达到良好的密封效果，不会因为环形槽底部空间不够而受到影响。

但是，平盖上环形槽底部空间的轴向尺寸也不能太大，因为平盖上环形槽位置的环向截面是最薄弱的截面，该截面的应力水平控制了平盖的计算厚度。不适当地增加环形槽底部空间的轴向尺寸，就无形中增加了平盖的厚度，就要增加平盖材料的用量，造成材料浪费。3 结语

双锥密封结构预紧时，螺栓力通过平盖与筒体端部的锥形密封面使双锥环受到径向压缩，产生抵抗变形的回弹力，使密封面产生自紧作用。双锥环在平盖的环形槽内既受到径向力作用产生径向压缩变形，又受到轴向力作用产生轴向楔进位移。所以平盖上环形槽的底部必须设计有一定的空间，使预紧后的双锥环在环形槽内的轴向楔进位移不受影响，即预紧后双锥环的上端面与平盖的环形槽底面不能接触顶到，并留有一定的安全间隙。

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◆参考文献

[1] 寿比南，杨国义，徐锋. GB 150-2011《压力容器》标准释义[M].北京：新华出版社，2012，193.

[2] 丁伯民，黄正林等编. 化工设备设计全书—高压容器[M].北京：化学工业出版社，2003，111.

[3] GB 150.3-2011，压力容器 第3部分：设计[S].

[4] 余国琮主编. 化工容器及设备[M].天津：天津大学出版社，2003，219.

[5] 朱秋尔主编. 高压容器设计[M].上海：上海科学技术出版社，1986，174.

预紧后的双锥环在平盖环形槽内的轴向楔进量，不但与双锥环的内圆柱面和平盖的圆柱支承面之间的单侧径向间隙g（理论值）有关，还与上述两个圆柱面的直径加工偏差有关，因为两圆柱面的直径加工偏差直接反映在单侧径向间隙的实际值内。另外还要考虑双锥环外圆柱面的直径与平盖上锥形密封面大端直径加工后实际直径的差值，因为该直径差值的存在，将会在装配时，使双锥环在平盖的环形槽内产生初始楔进量，这同样影响到环形槽底部空间的轴向尺寸。

设计平盖上环形槽底部空间的尺寸时，应以预紧后双锥环在平盖的环形槽内的最大楔进量为依据，确保所设计的双锥密封结构密封可靠。

收稿日期：2018-01-06；修回日期：2018-01-18

《石油和化工设备》列入国家新闻出版广电总局

首批学术期刊认定名单

2015年10月20日，我刊收到国家新闻出版广电总局新出报刊[2015]625号文件，正式通知《石油和化工设备》为中国石油和化学工业联合会主管的首批学术期刊。

2014年12月9日，国家新闻出版广电总局在其官方网站上正式公布了首批学术期刊认定名单，其中《石油和化工设备》列1217#（排名不分先后）。

此前，为严格学术期刊出版资质，优化学术期刊出版环境，促进学术期刊健康发展，新闻出版广电总局于2014年4月先后发布《关于规范学术期刊出版秩序 促进学术期刊健康发展的通知》《关于开展学术期刊认定及清理工作的通知》，经各省、区、市新闻出版广电局、中央期刊主管单位初审上报，新闻出版广电总局组织有关专家严格审定，确定了首批学术期刊认定名单，2014年11月18日至24日在总局网站进行了公示（共5756种），2014年12月9日公布正式名单（共5737种）。

（本刊编辑部）