1、5 4一 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 6 1 1 7 3 1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：T H 1 3
2、6 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 1-9 0 0 6（2 0 2 2）0 4-0 0 5 4-0 4A C a l c u l a t i o n M e t h o d f o r S e a l i n g S t r e n g t h o f O-r i n gZ H A N G B o,Y A N H uan,J I M i ndong,P A N Shaoc he ng(D o n g f a n g B o i l e r G r o u p C o.,L t d.,6 1 1 7 3 1,C h e n g d u,C h i n a)A b s t r a c t:I
3、 n o r d e r t o a v o i d i n t e r n a l c o r r o s i o n,t a n k s s u c h a s b o i l e r a u x i l i a r i e s,c h e m i c a l v e s s e l s,g a s i f i e r s,s o l a r e n e r g y,h y d r o g e n e n e r g y,e t c.a r e r e q u i r e d t o b e p r o t e c t e d b y n i t r o g e n c h a r g i
4、 n g d u r i n g t r a n s p o r t a t i o n a n d s t o r a g e,a n d t h e p i p eo r i f i c e s w e l d e d o n s i t e n e e d t o b e s e a l e d.M e c h a n i c a l s e a l i s g e n e r a l l y r e q u i r e d f o r n u c l e a r p o w e r e q u i p m e n t.I n t h i sp a p e r,a t h e o r e
5、 t i c a l c a l c u l a t i o n a n d c h e c k m e t h o d o f m e c h a n i c a l s e a l s t r e n g t h o f O-r i n g u n d e r a x i a l c o m p r e s s i o nc o n d i t i o n i s i n t r o d u c e d b a s e d o n n i t r o g e n f i l l i n g p r o t e c t i o n d u r i n g t r a n s p o r t
6、a t i o n a n d s t o r a g e o f c o n t a i n e r e q u i p m e n t.K e y w o r d s:O-r i n g;N i t r o g e n f i l l i n g p r o t e c t i o n;t r a n s p o r t a t i o n a n d s t o r a g e;l o w p r e s s u r e a n d s t a t i c p r e s s u r e;c a l c u l a t i o n o fs e a l i n g s t r e n g
7、 t h1收 稿 日 期：2 0 2 2-0 7-2 1作 者 简 介：张 波（1 9 8 8），男，2 0 1 2 年 毕 业 于 武 汉 理 工 大 学 包 装 工 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
8、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 1.3 3 1 0-5P a 到 4 0 0 M P a，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.
9、1 M P a，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 P c。在 P c 作 用 下，沿 管 口 轴 向 会 产 生向 外 的 轴 力 F p（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
10、-9006.2022.04.0075 5O 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 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 F f。摩 擦力 通 过 计 算 最 大 接 触 压 力 和 接 触 面 积 获 得。当 摩 擦力 F
11、 f 满 足 下 式（1）时，密 封 结 构 可 靠。式 中，S 0 为 结 构 安 全 系 数；n 0 为 O 形 圈 数 量。螺 纹 预 紧 过 程 中 产 生 的 最 大 预 紧 力 F M 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
12、压 力 一 般 小 于 0.1M P a，而 密 封 用 橡 胶 O 形 圈 的 抗 拉 强 度 一 般 均 大 于等 于 5 M P a，材 料 抗 拉 强 度 值 远 大 于 设 计 要 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
13、 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，d 0 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 擦 力 的
14、 大 小。压 缩率 越 大，摩 擦 力 会 越 大。但 过 大 的 压 缩 率 易 造 成 材料 永 久 性 变 形，或 因 应 力 松 弛 而 失 效。对 静 压 密 封而 言，压 缩 率 一 般 取 1 5%2 5%为 宜。O 形 圈 材 料选 取 时，其 最 大 允 许 压 缩 值 应 大 于 设 计 压 缩 率。2.2 螺 杆 轴 径 D 1 的 选 取一 般 地，O 形 圈 在 套 入 螺 杆 以 后 应 有 一 定 的 拉伸 量。O 形 圈 拉 伸 量 可 用 下 式（4）表 示：式 中，D 0 为 O 形 圈 内 径，D 1 为 螺 杆 轴 径。同 压 缩 率 一 样，拉 伸 量
15、 的 大 小 对 O 形 圈 的 密封 性 能 和 使 用 寿 命 也 有 很 大 的 影 响。如 果 拉 伸 量 太小，装 配 时 会 容 易 脱 出，如 拉 伸 过 大，会 导 致 O 形圈 安 装 不 方 便，也 会 致 使 截 面 积 减 少 太 多 而 出 现 泄漏。对 静 压 密 封 而 言，拉 伸 量 一 般 取 1.0 3%1.0 4%为 宜（参 见 参 考 文 献 2）。且 螺 杆 D 1 轴 径 表 面 的 粗糙 度 不 低 于 R a 3.2。2.3 最 大 接 触 压 力 值 P m 计 算O 形 圈 挤 压 过 程 中 对 管 壁 会 产 生 压 应 力。按 文献 1
16、 的 应 力 分 析 结 果，O 形 圈 与 管 壁 的 最 大 接 触 压力 均 随 着 压 缩 率 的 增 大 而 线 性，区 别 为 不 同 硬 度 曲线 的 一 次 函 数 曲 线 斜 率 和 截 距 不 同,其 值 均 随 着 硬度 的 增 大 而 变 大。最 大 接 触 压 力 值 可 按 下 式（5）：式 中：为 硬 压 比 系 数，c 为 计 算 常 数。不 同 硬度 值 下 O 形 圈 硬 压 比 系 数 和 常 数 C 值 参 见 下 图 3（参 见 参 考 文 献 1）：图 3 O 形圈硬度和常数关系图5 62.4 接 触 面 积 A s 计 算按 设 计 压 缩 率，轴
17、 向 受 压 径 向 无 约 束 状 态 下 的O 形 圈 状 态 示 意 见 下 图 4。O 形 圈 截 面 按 椭 圆 进 行计 算，并 假 定 O 形 圈 沿 径 向 均 匀 拉 伸。压 缩 前 后 体积 相 等，计 算 可 得 压 缩 后 截 面 长 半 轴 a 和 短 半 轴 b的 值：图 4 O 形圈轴向受压径向无约束状态示意按 设 计 压 缩 率，轴 向 受 压 径 向 有 管 壁 状 态 下 的O 形 圈 状 态 示 意 见 下 图 5。假 定 忽 略 O 形 圈 受 挤 压时 的 溢 出，O 形 圈 受 挤 压 后 成 鼓 形，且 O 形 圈 与 管壁 和 螺 杆 槽 面 接
18、 触 的 压 力 相 等，则 可 计 算 获 得 O 形圈 与 管 接 口 内 壁 的 接 触 长 度 S b 如 见 下 式（6）：图 5 O 形圈轴向受压径向有约束状态示意As=Dc Sb（6）式 中，D c 为 管 接 口 内 径。2.5 最 大 静 摩 擦 力 F f 和 最 大 当 量 压 应 力 R 计 算按 上 述 涉 及 原 则 和 计 算 流 程，O 形 圈 与 管 壁 接触 产 生 的 最 大 静 摩 擦 力 F f 和 能 承 受 的 最 大 当 量 压力 R 可 按 下 式（7）和 式（8）计 算 获 得：F f=A s P m f 0.（7）式 中：A s 为 理 论
19、 接 触 面 积；f 0 为 O 形 圈 材 料 与管 子 材 料 间 的 静 摩 擦 系 数；F M 为 螺 纹 最 大 预 紧 力。3 工 程 验 证3.1 工 程 计 算以 某 核 电 废 液 收 集 处 理 项 目 设 备 为 例，设 备 设计 有 进 水 口、溢 流 口、排 空 口、呼 排 口、循 环 口、排 水 口 等 现 场 焊 接 接 口，接 口 管 径 涵 盖 D 1 4、D 2 1.3、D 3 3.4、D 6 0.3、D 7 3、D 8 9、D 1 1 4.3 等 多 种 规 格。接 管 材 料 为 0 2 2 C r 1 9 N i 1 0 不 锈 钢，O 形 橡 胶 圈
20、 材 料选 用 丁 腈 橡 胶，硬 度 H r 取 为 7 0（I R H B 硬 度），最大 抗 拉 强 度0取 为 1 0 M P a（按 机 械 设 计 手 册）；接管 材 料 与 橡 胶 材 料 按 干 摩 擦 系 数，取 f 0 为 0.6 5；安全 系 数 考 虑 实 际 工 况 下 螺 杆 及 固 定 件 自 重 及 管 口方 位 等 的 影 响，取 S 0 为 4；螺 杆 材 料 为 0 6 C r 1 9 N i 1 0，常 温 下 材 料 屈 服 极 限 R M 为 1 3 7 M P a；设 备 充 氮 设计 压 力 P c 取 为 0.1 M P a，以 工 艺 试 验
21、 选 定 的 D 1 4 2、D 8 9 3.0 5、D 1 1 4.3 6.0 2 三 种 接 管 规 格 为 代 表 的 计算 数 据 和 校 核 结 果 见 下 表 1:表 1 某核电项目 O 形圈密封强度工程计算数据数 据管 子 规 格螺 纹 规格D 1(m m)D 0 d 0（m m）n o 0（M P a）S 0D c(m m)f 0b a（m m）D 1 4 2 M 6 1 6.4 6.3 1.8 42 5%1 0 41 00.6 50.6 7 5 1.2D 8 9 3.0 5 M 2 0 2.5 6 4 6 2 1 0 1 8 2.9 3.7 5 6.6 6 7D 1 1 4.
22、3 6.0 2 M 2 4 3 8 4 8 2 1 0 1 1 0 2.2 6 3.7 5 6.6 6 7数 据管 子 规 格S a（m m）S b(m m)A s（m m2）P M(M P a)F p(N)F f（N）F M（N）R R 0 D 1 4 2 0.9 0.8 9 3 2 83.2 27.8 5 5 8.6 合 格 1 4 3 8 7.7 6 合 格D 8 9 3.0 5 4.7 2 5 4.6 9 4 1 2 2 2 5 4 0 2 8 8 2 合 格 1 8 2 1 2 8.3 6 合 格D 1 1 4.3 6.0 2 4.5 6 5 4.9 1 1 5 7 7 8 2 1
23、3 6 7 3 合 格 2 6 2 2 5 9.8 2 合 格5 73.2 试 验 验 证为 验 证 上 述 计 算 结 果，项 目 开 展 了 专 项 试 验 论证。根 据 项 目 结 构 特 点，选 取 三 种 规 格，分 别 对D 5 0 以 下、D 5 0 以 上 和 带 有 弯 头 的 管 接 头 的 密 封 强度 进 行 验 证。密 封 强 度 验 证 试 验 简 图 见 下 图 6：图 6 密封强度验证试验简图当 密 封 结 构 组 装 好 后，密 封 强 度 验 证 按 以 下 步骤 进 行：（1）进 行 短 期 验 证。排 完 内 部 空 气 后，向 工装 设 备 中 充 入
24、 氮 气 和 氦 气，进 行 氦 捡 漏，并 观 察 压力 表 情 况。如 果 未 出 现 异 常，则 进 行 长 期 验 证；（2）长 期 验 证 时 保 压 至 少 2 4 小 时，每 隔 2 小时 观 测 并 记 录 压 力 表 值 变 化 情 况；（3）数 据 异 常 时 立 即 分 别 对 各 管 口 进 行 氦 捡漏，寻 找 泄 漏 源，可 先 对 密 封 装 置 重 新 进 行 加 固，再 按 照 步 骤（1）和（2）重 复 进 行 验 证；（4）长 期 验 证 记 录 数 据 平 稳，无 大 幅 波 动，则 密 封 强 度 合 格；按 照 步 骤（3）反 复 5 次 以 上，仍
25、 发 生 泄 漏 时，则 密 封 强 度 不 合 格。按 项 目 要 求 保 压 值（0.0 2 0.0 5 M P a），试 验 压力 表 量 程 选 用 0.0 6 M P a，初 始 充 氮 压 力 值 约 为 0.0 5 4M P a。试 验 长 期 验 证 数 据 记 录 值 见 下 图 7 所 示。2 4小 时 内 氮 压 值 变 化 率 约 为 1%，综 合 温 差、气 候 对O 形 圈 性 能 的 影 响，可 论 证 密 封 强 度 计 算 结 果 可 靠。图 7 试验记录数据示意4 结 语作 为 工 程 中 常 用 的 气 体、液 体 机 械 密 封 材 料，O 形 橡 胶
26、圈 具 有 高 度 非 线 性 特 点。一 般 在 工 程 应 用时，均 根 据 工 程 经 验、试 验 或 应 力 分 析 进 行 强 度 验算。本 文 通 过 对 O 形 圈 在 设 备 充 氮 运 输 和 贮 存 工 况下，对 其 与 管 壁 接 触 的 最 大 静 摩 擦 力 和 轴 向 受 压 承受 的 当 量 压 应 力 的 受 力 理 论 分 析 和 计 算，介 绍 了 一种 对 O 形 圈 密 封 强 度 和 有 效 性 的 理 论 计 算 和 校 核方 法，对 同 类 型 低 压 和 静 压 密 封 工 况 下 的 O 形 圈 选型 和 设 计，具 有 一 定 的 指 导 意
27、 义。同 时，本 文 方 法仅 限 于 对 O 形 圈 本 身 的 密 封 性 能 和 有 效 性 而 言。在实 际 低 压 和 静 压 工 况，如 设 备 充 氮 运 输 和 贮 存 工 况下 的 密 封 整 体 结 构 设 计 时，还 应 考 虑 管 口 方 位、密封 结 构 自 重 及 运 输 外 力 等 的 影 响，本 文 所 涉 及 的 设计 原 理 也 可 对 相 应 结 构 的 设 计 提 供 一 定 计 算 的 依 据。参 考 文 献：1 刘 健,仇 性 启,薄 万 顺 等.橡 胶 O 形 密 封 圈 最 大 接 触 应 力 数 值分 析 J.润 滑 与 密 封,2 0 1 0
28、,3 5(1):4 1-4 4 2 刘 兴 玉,张 新 奇,余 巍 等.O 形 圈 密 封 设 计 J.液 压 气 动 与 密 封,2 0 1 3,3 3(6):7 3-7 5 3 邓 向 彬,黄 乐,向 宇 等.橡 胶 O 形 圈 最 大 接 触 压 力、I R H D 硬 度和 压 缩 率 之 间 的 函 数 关 系 研 究 J.橡 胶 科 技,2 0 1 9,1 7(3):1 3 2-1 3 5 4 魏 列 江,韩 小 霞,熊 庆 辉 等.O 形 圈 密 封 沟 槽 倒 角 半 径 对 密 封 性能 的 影 响 J.液 压 气 动 与 密 封,2 0 1 6,3 6(3):7 2-7 5
29、（上接第 4 3 页）装 在 列 车 上 进 行 试 运 行 考 核。该 产 品 的 成 功 研 制，为 公 司 同 类 型 永 磁 牵 引 电 机 设 计 提 供 了 宝 贵 经 验。参 考 文 献：1 沈 本 荫.牵 引 电 机 M.北 京：中 国 铁 道 出 版 社，2 0 1 0.8 2 陈 致 初,李 益 丰,符 敏 利.永 磁 同 步 牵 引 电 动 机 的 特 殊 性 J.大功 率 变 流 技 术,2 0 1 2(3):2 5-3 0 3 唐 任 远.现 代 永 磁 电 机 理 论 与 设 计 M.北 京:机 械 工 业 出 版 社,1 9 9 7 4 何 思 源.全 封 闭 永 磁 同 步 牵 引 电 动 机 冷 却 系 统 设 计 J.大 功 率变 流 技 术,2 0 1 2(3):4 8-5 3
