高压大型天然气快开盲板用C形橡胶圈密封性能分析.pdf

2 0 1 5年 5月 第 4 0卷 第 5 期 润滑 与密封 L UBRI CAT1 0N ENGI NEERI NG Ma v 2 01 5 Vo 1 ． 4 0 No ． 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 1 8 高压大型 天然气快 开盲板用 C形橡胶 圈密封性能分析 石莹陈平周淑敏 北京化工大学机 电工程学 院北 京 1 0 0 0 2 9 摘要针对国内高压大型天然气过滤器快开盲板用 c形橡胶密封圈，利用 A B A Q U S 建立其有限元模型，分析密封 槽宽度 、内压 、初始密封 间隙 、材料硬度 、槽 口倒角半径 、钢圈直径对其性能 的影响 ，得到这些参数 的合理取值范 围。 结果表明 材料硬度对密封圈密封性能的影 响较小 ，密封槽宽度对密封可靠度有一定影响 ，随密封槽宽度增加 ，最大接 触压力呈下降趋势 ，密封可靠度有所降低 ；随着 内压 的增加 ，最大接触压力 与内压的差值 呈增大趋势 ，密封 可靠性增 加随初始密封间隙增加 ，应力增加 ，密封可靠度有所 降低 ；密封槽 口倒角半径对密封圈剪切破坏的影响较大 ，倒角半 径增大密封圈发生局部剪切破坏的可能性增大；钢 圈直径对 c形橡胶圈应力应变影响较大 ，钢 圈直径增大 ，剪切应力 呈减小趋势。 关键词 c形橡胶圈；接触压力 ；密封性能 ；快开盲板 中图分类号T H 3 1 1 ；T H1 3 6 文献标志码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 5 5 - 0 8 9 - 5 S e a l i n g Pe r f o r ma n c e An a l y s i s o f Rub b e r C- r i ng f o r Hi g h-- p r e s s ur e Na t u r a l Ga s Qu i c k - o p e n i n g Cl o s u r e Sh i Yi n g Ch e n Pi n g Zh ou Sh u mi n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e mi c a l T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e fin i t e e l e me n t mo d e l o f r u b b e r C- rin g u s e d i n t h e q u i c k o p e n i n g b l i nd p l a t e o f d o me s t i c h i g h p r e s s u r e n a t u r a l g a s fi l t e r wa s e s t a b l i s h e d ． T h e i n f l u e n c e s o f t h e s e a l g r o o v e wi d t h， i n t e r n a l p r e s s u r e， i n i t i a l s e a l c l e a r a n c e， h a r d n e s s o f ma t e r i a l s， n o t c h r a d i u s ， rim d i a me t e r o f s t e e l rin g o n t h e s e a l i n g p e r f o r ma n c e o f rub b e r C- rin g we r e a n a l y z e d b y u s i n g AB A QU S s o f t w a r e ， a n d t h e r e a s o n a b l e r a n g e o f t h e s e p a r a me t e r s w e r e s u g g e s t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h a r d n e s s o f ma t e rials h a s l i t t l e e f f e c t o n s e a l p e r f o r ma n c e， wh i l e t h e s e al g r o o v e wi d t h h a s a c e r t a i n i mp a c t o n t h e s e a l i n g r e l i a b i l i t y， wi t h t h e s e ali n g g r o o v e wi d t h i n c r e a s i n g， t h e ma x i mu m c o n t a c t p r e s s u r e i s d e c r e a s e d a n d t h e s e a l i n g r e l i a b i l i t y i s a l s o d e c r e a s e d ． W i t h t h e i n c r e a s e o f i n t e r n al p r e s s u r e， t h e d i f f e r e n c e b e t we e n t h e ma x i mu m c o n t a c t p r e s s u r e a n d i n t e r n a l p r e s s u r e i s i n - c r e a s e d， t h e s e a l i n g r e l i a b i l i t y i s i n c r e a s e d ． W i t h t h e i n c r e a s e o f i n i t i a l g a p s e a l ， t h e s t r e s s i s i n c r e a s e d a n d t h e s e a l i n g r e l i a b i l i t y i s d e c r e a s e d． Th e s e a l i n g n o t c h c h a mf e r r a d i us h a s l a r g e i n flu e nc e o n t h e s h e a r f a i l u r e o f s e a l i n g r i n g， t h e i n c r e a s i n g o f c h a mf e r r a d i u s wi l l r e s u l t i n l a r g e p o s s i b i l i t y o f s h e a r f a i l u r e ． S t e e l rin g d i a me t e r h a s l a r g e e f f e c t o n t h e s t r a i n a n d s t r e s s o f C s h a p e d r u b b e r rin g， a n d h e i n c r e a s i n g o f s t e e l rin g d i a me t e r wi l l r e s u h i n t h e d e c r e a s e o f s h e a r s t r e s s ． Ke y wo r d s rub b e r C rin g； c o n t a c t p r e s s u r e； s e a l i n g p e r f o r ma n c e； q u i c k o p e n i n g b l i nd p l a t e 由于 c形 橡胶 密封 圈 可利 用较 小 的初 始压 缩 实 现初始密封 ，依靠工作压力 实现 自紧密封 ，因而在 国 内外天然气过滤器快 开盲板 上得到大量应用 _ l J 。 目前 国内天然气输送管线设计最大直径将达 1 5 5 0 m m． 工作压力 达 1 2 ． 6 MP a ，为此 ，国 内厂家也 正 加 紧研 制高压大直径快 开盲 板 ，其橡 胶密封圈密封性能如何 对天然气过滤器安全 工作有 着重要影响 。目前查 阅到 的已有分析 和研究 C形密封 圈的文献 较少 ] ，显然 收稿 日期2 0 1 4 0 7 2 4 作者简介石莹 1 9 9 2 一 ，男 ，硕士研究生，研究方向为压力 容器技术． E m a i l b u c t s h i y i n g 1 6 3 ． c o m ． 现有分析研究工作也未达到上述使用工况．为此本文 作者借 助 A B A Q U S有 限元软 件 。针 对 大直径 高 压 工 况下 的 C形密 封 圈 的密 封性 能 进行 了模 拟 分析 ，得 出了不同参数下密封圈关键密封面上的接触压力以及 包含钢骨架的密封圈整体应力应变分布状态 。并 对主 要影 响密封性 能参量进行 了具体分析 ，对其合理结构 设计及 参数选择具有重要参考意义。 1 有限元建模 大直径高压 快 开盲 板用 C形橡 胶 密封 圈 ，其 截 面形状及主要参数说明如 图 1 所示。橡胶 材质选 择低 温乳液聚合法生产 的耐油气性较好 、耐磨性较高的低 温丁腈橡 胶 丙 烯 腈 丁 二 烯 橡 胶 。外 径 为 1 6 1 0 润滑与密封 第 4 0卷 ● 图 8 钢圈应力分布 F i g 8 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f s t e e l r i n g 内压为 1 2 ． 6 M P a ，初始密封 间隙由 0 ． 2 m m增加 到 2 ． 0 n 3 1 n时，密封圈 A 、B密封面上的最大接触压力 、 密封圈内最大应力 、最大挤出量的变化如图 9 所示 。 日 窆 摇 鲻 d 馏 0 ． 0 0 ． 4 0 ． 8 1 ． 2 1 ． 6 2 ． 0 初始密封间隙 ， mm a 目 蛊 嘲 丑 捺 初 始 密封 间 隙 S ／ ram b 图 9 初始密封间隙对密封性能的影响 F i g 9 Th e i n fl u e n c e o f i n i t i a l s e a l c l e a r a n c e o n s e a l i n g p r o p e r t i e s 可以看出 ，随着初 始密 封间 隙 的增 大 ， A、B面 上的最大接触压力呈下降趋势。间隙大于 1 n i l3 后其 变化趋于平缓 但仍大于内压，可满足密封最低要 求 密封 圈最大 挤 出量 和最 大 V o n M i s e s 应力 随间 隙增大而明显增 大。综合考虑 。合理初始密封间隙应 小于 1 m m，但 间隙也不 可过小 ，因为盲板 法兰后 续 焊接变形会 改变该 间隙 ，应 留出适 当的间隙余量 ，否 则可能导致门盖开启阻力增加 ，启闭发生困难。所以 该 间隙可选 0 ． 5 ～1 m m 2 ． 4 橡胶材料硬度 的影响 橡胶密封圈的不同硬度对计算应力应变结果有一 定影响，根据拟合公式可以得到不同硬度橡胶所对应 的 Mo o n e y ． R i v l i n模 型 参数 C 和 c ， ，其值 如 表 1所 列 表 1 不同硬度值下的橡胶材料参数 T a b l e 1 Ma t e r i a l p a r a me t e r s o f r u b b e r u n d e r d i f f e r e n t h a r d n e s s v a l u e s 将相关参数代人有 限元程序 ．可以得 到在内压为 1 2 ． 6 M P a ，密封槽宽度为 1 6 m m，槽 口倒角半径为 1 m m，钢 圈直径为 3 m m，不 同硬度条件 下 的有 限元 分 析结果如表 2所示。 表 2 不 同硬度值 下有 限元 结果 T a b l e 2 T h e a n a l y s i s r e s u l t s u n d e r d i f f e r e n t h a r d n e s s v a l u e s 邵氏 A A面处最大接B面处最大接最大 M i s e s 最大挤出 硬度触压力 MP a 触压力 p ／ M P a应力 ／ M P a量 X ／ m m 从表 1 、2数 据可 以看 出，随着 硬 度值 的增 加 ， 关键密封面 A上 的最 大接触压力呈下 降趋势 ．B上最 大接触压力呈上升趋势 二者均大于内压，满足密 封要求 ，最 大 V o n M i s e s 应 力 呈上 升趋 势 ，最 大挤 出量呈下降趋势。但上述总体数值变化 幅度都不大， 综合分析邵 氏 A硬度选 7 5 ～ 8 5即可。 2 ． 5 槽 口倒 角的影响 c形密封圈在安装时为了防止损伤，在密封沟槽 进 口处设计倒 角 。槽 口倒 角 对密 封 性能 的影 响 主 要表现在局部剪切应力 的变化上 ．在不同的压缩量和 不 同内压 的情况下 ．如果 不合 理地设 计槽 口的倒 角 ， 密封结构 中易 引起密 封圈 局部剪 切 破坏 但不 一定 会造成密封失效 。在其他参数恒定的情况下，分析 槽 口倒角 尺在 0 ． 6 ～ 2 m m范围内变化 时 ，C形橡胶 圈 靠 近槽 口倒角位置 的剪切力变化 ，如 图 1 0 所示 图 l 0显示随着槽 口倒 角 JR变 大 ，密封 圈靠 近槽 口倒角 附近最大剪切应 力也增 大 ．在 大于 1 ． 2 m m 后最大剪切 应力 增大更 加 明显 。因此槽 口倒 角 R小 于 1 ． 2 m m较合适 。 6 65 5 44 3 32 2l l 0 0 2 0 1 5年第 5期 石莹等高压大型天然气快开盲板用 C形橡胶圈密封性能分析 9 3 o ． 4 o ． 6 o ． 8 1 ． o 1 ． 2 1 ． 4 1 ． 6 1 ． 8 2 ． o 2 ． 2 槽 口倒 角 半径 R l mm 图 1 0 槽 口倒角半径对密封性能的影响 Fi g 1 0 Th e i n flu e n c e o f c h a mf e r r a d i u s o n s e a l i n g p r o pe r t i e s 2 ． 6钢 圈直 径 的 影 响 C形橡胶 圈中加入钢圈骨架 的 目的是 为 了增加其 局部刚度 ．以防止 C形 橡胶 材料 过 多地 挤 入 密封 间 隙 中。为此分析 了不 同钢 圈直 径 D对 C形橡 胶 圈挤 入量以及应力 的影响。在 内压为 1 2 ． 6 MP a ，密封槽 宽度为 1 6 m n l ，初始密封间隙为 1 m lT I ，硬度值为 8 0 ， 槽 口倒角半径 为 1 m l n条 件下 ，选 取钢 圈直 径 D变化 范围为 1 ～ 6 I B m时，C形橡胶圈内的最大剪切应力 、最 大挤 出量和钢圈内 V o n M i s e s 应力的变化如图 1 1 所示 。 1． 鞋 3 } l 6 0 [ 1 4 0 芝 } l 2 0 I , o o 趟 8 薹 钢 圈直 径 Dl mm 图 l 1 钢圈直 径对 密封 性 能的影 响 F i g 1 1 T h e i n flu e n c e o f s t e e l rin g d i a me t e r o n s e a l i ng p r o p e rti e s 可以看 出，随着 钢 圈直径 D 的增 加 ．密 封 圈 的 最大挤出变形呈类抛物线趋势变化 ， 最大剪 切应力呈 减小 趋势 钢圈 直径 为 1 m i l l 时 V o n M i s e s 应力 为最 大，其值达 1 6 1 ． 6 M P a 钢圈材料的屈服强度是 2 0 5 M P a ，且呈减小趋势。综合考虑，钢圈直径 D的合 理取值范围为 2 4 m m 3结论 1 高压大直径 天然 气过 滤 器快 开盲 板用 c形 橡胶 密封圈的密封槽 宽度对 密封 可靠度 有一定 影 响 。 其值可取 1 6 ～1 6 ． 5 m m较合适。 2 随着 内压的增加 ，c形橡胶密封圈关键密 封面上最大接触压力与内压的差值呈增大趋势，密封 可靠性增加 同时 C形橡 胶圈 内的 V o n Mi s e s 应力 也 随之增 大。 3 c形橡胶 圈初 始 密封 间 隙影 响密封 性 能 和 门盖启闭难度 ，间隙增加 ，门盖启 闭相对容易 ，不易 卡死 ，但密封 可靠 度 有 所 降低 ，应 力增 加 。综合 考 虑 ，选择的合适初始密封 间隙为 0 ． 5 ～1 m m。 4 C形 橡胶 圈材 料 的硬 度 对密 封 圈密 封 性 能 的影响较小 ，硬度值可取邵 尔 A 7 5 ～ 8 5 。 5 c形 橡胶 圈密 封槽 口倒 角半 径 对密 封 圈剪 切破坏 的影 响较大 。倒 角半径 小于 1 ． 2 m m时 。密封 圈发生局部剪切破坏 的可能性较小 。 6 钢圈直径对 c形橡胶 圈应力应 变影响较 大 ， 取值 2 ～ 4 m m较合适 。 参考文献 【 1 】周天旭， 陈平， 陈水莲， 等． 基于 A n s y s Wo r k b e n c h的快开盲 板锁环分析及优化[ J ] ． 化工机械， 2 0 1 3 ， 4 0 4 4 8 4 4 8 6 ． Zh o u Ti a n x u， Ch e n Pi n g， Ch e n Sh u i l i a n， e t a 1 ． An a l y s i s a n d o p t i mi z a t i o n o f t h e l o c k rin g q ui c k o p e n i ng b l i n d p l a t e b a s e d o n A n s y s w o r k b e n c h [ J ] ． C h e m i c a l Ma c h i n e r y ， 2 0 1 3 ， 4 0 4 4 8 4 - 4 8 6． 【 2 】于振波， 蔡永梅， 唐晓初． C形密封圈结构的有限元分析[ J ] ． 石油化工设备 。 2 0 0 8 ， 3 7 2 2 5 2 8 ． Yu Z he n b o， Ca i Yo n g me i ， Ta n g Xi a o c h u． F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f C r i n g s e a l s t r u c t u r 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