一种O型圈的全自紧式密封结构设计探讨

郭 良 黄国昌 唐晓宁 王锦生 曹 蕾

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡，643001)

一种O型圈的全自紧式密封结构设计探讨

郭 良 黄国昌 唐晓宁 王锦生 曹 蕾

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡，643001)

通过对O型橡胶密封圈(后文简称：O型圈)的密封原理及失效机理的分析，新设计出一种O型圈的全自紧式密封结构，并在大型高压设备中应用。解决了O型圈密封在大型结构使用时O型圈不被挤食，而要求高精度加工及高难度的装配问题。

O型圈 全自紧式 密封结构

1 引言

高压自紧式密封元件有B形环、C形环、三角垫、O型环、空心金属O型环。这些密封元件不是结构复杂、构件体积庞大，就是密封件加工精度高、制作成本高。在150℃以下的动、静密封中常用O型圈密封，常用的沟槽为矩形沟槽。本文针对O型圈的密封机理和失效原理，探寻出一种结构简单，密封效果好的全自紧式O型圈密封结构，从而解决O型圈密封在大型结构使用时O型圈不被挤食失效，而要求高精度加工及高难度的装配问题。

2 O型圈密封及失效原因

O型圈是一种挤压型密封，其基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。这种靠介质本身压力来改变O型圈接触状态，使之实现密封的性质，称为自密封作用。

O型圈的失效主要原因有O型圈的压缩率和拉伸率设计不合理使O型圈永久变形、使用温度导致O型圈永久变形、工作介质引起O型圈永久变形、O型圈的硬度和密封间隙的不匹配等原因，使介质从密封通道泄漏。

3 全自紧式O型圈密封结构及其密封原理

本密封结构由密封托架、轴向O型圈、径向O型圈共同组成，统称全自紧式O型圈密封结构(后文简称“密封结构”)，见图1。密封托架上的密封沟槽选用矩形结构。安装密封结构后能够同时实现轴向通道和径向通道的密封，在径向通道上通过机加工装配公差实现O型圈的预紧压紧力和操作状态的压紧力。由O型圈的密封原理可知，轴向通道上无需施加过大的预紧力就能实现初始密封，操作状态的压紧力由设备内部压力将密封托架向上托举产生的力来实现密封。

图1 密封结构密封机理说明

设备腔内压力开始升高时，O型圈在满足初始密封的同时，密封托架在内压的作用下发生弹性变形，随着压力的升高，密封托架的弹性变形亦在不断的增大，当压力增大到某一临界值时，此临界值应小于设备设计压力，腔内介质的压力可使密封托架发生弹性变形，而消除密封托架与径向的间隙S1，使S1接近于零，从而实现高压工作状态的密封。可通过调整密封托架的结构型式及尺寸，使密封托架既要在弹性变形范围工作，又要使其在较低的压力下实现用弹性变形量来消除其本身与径向间隙S1。当腔内压力升高时，密封托架在内压的作用下将有向上的位移，从而消除密封托架与轴向零件的间隙S2。通过整个密封结构的共同作用从而实现全自紧密封。

设备内部压力升高时，作用在密封结构上的压力使密封结构发生弹性变形，消除密封结构与径向零件之间的间隙，防止O型圈在高压下被剂食失效，从而实现高压密封。密封结构发生弹性变形之前的压力必须小于O型圈被挤压失效的临界压力，应通过不断的改变密封结构的结构尺寸使密封结构发生变形量的压力越小越好，同时还应保证密封结构在加工时所需要的强度及刚度。

4 全自紧式O型圈密封结构应用

4.1 某工程高压容器设计参数

某工程的高压容器参数如下：设计压力(MPa)： 42；工作压力(MPa)：40；设计温度(℃)：45；工作温度(℃)：4～40；工作介质：淡水；设计使用年限(年)：20；内部有效空间(mm)：内径：Di=Φ2500；耐压试验压力(MPa)：52.5(立式)(介质：水)。

1.筒体 2.密封托架 3.筒体端部 4.剪切环 5.O型圈 6.O型圈图2 某高压设备结构简图

图2某高压设备结构简图为了使设备更具有密封的保险性，在采用全自紧式O型圈密封结构的基础上，顶盖圆柱面上设了三道O型圈密封环，作为密封备用方案。设备整体耐压试验时顶盖圆柱面只装二道密封圈。

4.2 密封托架结构

图3 密封托架结构及尺寸

4.3 结论

(2)O型圈发生挤食失效处的间隙处的密封沟槽过渡圆角半径对O型圈的密封效果起着重要的作用。上述分析可知，当密封槽顶过渡圆角半径由R2改为应为R0.8mm以下时，密封效果较好。

5 密封验证

应用全自紧式O型圈密封结构的容器，在设备耐压试验时要求装配完整密封元件进行整体强度验证，耐压试验是验证设备整体的密封性，在规定的耐压试验压力和耐压试验方法下没有出现泄漏，仅证明设备整体结构密封完好，还不能充分证明全“自紧式O型圈密封结构”是否实现完全密封。为了充分验证设备的各个密封单元的密封性，在设备整体耐压试验完成后，分别做了如下验证：

5.1 验证顶盖圆柱面上二道O型圈的密封性

将设备的顶盖取出，用专用工装取处“自紧式O型圈密封结构”的密封托架。在顶盖圆柱面装上二道O型圈。用专用工装将顶盖装入设备内部，并作在工作压力下的密封验证。逐步增加设备内部压力，压力升至20MPa，停止升压，检查顶盖泄漏通道无液体泄漏，保压20分钟压力表值无下降。

继续升高设备内部压力至42MPa后，停止加压，检查顶盖泄漏通道无液体泄漏，保压20分钟压力表值无下降。证明顶盖圆柱面上二道橡胶圈性能满足设备设计压力下的密封性。

5.2 验证“全自紧式O型圈密封结构”密封性

用专用工装将顶盖从筒体端部取出，并拆除顶盖圆柱面上二道O型圈；

将密封托架及O型圈即“全自紧式O型圈密封结构”安装至其正常工作位置，顶盖装入设备工作位置，逐步增加设备内部压力，压力升至20MPa，停止升压，检查顶盖泄漏通道无液体泄漏，保压20分钟压力表值无下降。

继续升高设备内部压力至42MPa后，停止加压，检查顶盖泄漏通道无液体泄漏，保压30分钟压力表值无下降。证明“全自紧式O型圈密封结构”实现了设备设计压力下的密封性。

6 综述

在O型圈密封原理及其挤食失效机理的基础上，新设计出了一种O型圈的全自紧式密封结构，并探索出分析计算方法。通过对新密封结构的应用和验证，证明了O型圈的全自紧式密封结构的分析计算方法是正确可行的。解决了高压、常温(低于150℃)下大尺寸开口件的密封难题。在高压大开口密封设计上，封盖圆柱面上虽然要设备用密封环，但封盖圆柱面与筒体(或端部内圆面)的间隙可不按O型圈不被挤食的间隙设计，这样可大大降低大工件的加工难度和装配难度。

本设计是基于橡胶圈作为密封元件进行的分析和计算，其局限性是可使用温度受密封材料的限制，一般在150℃以下。此分析计算方法是否可推广到别的可耐较高温度的密封材料上，有待进一步研究，以扩大本密封结构的应用范围。

[1] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会,李世玉,等.压力容器设计工程师培训教程[M].北京：新华出版社，2005.

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[4] 陈爱平,周忠亚.O形密封圈和密封圈槽的选配与应用[J].石油机械,2000,28(5):49-51.

The Design of a Fully Self Sealing Structure of O-ring

GuoLiang,HuangGuochang,TangXiaoning,WangJinsheng,CaoLei

(DongFangBoilerGroupCo.,Ltd.Zigong643001,Sichuan,China)

through the O type rubber sealing ring (hereinafter referred to as: O-ring) of the sealing principle and failure mechanism of analysis and design of new out a O-ring full self tightening type sealing structure, and applied in a large high-pressure equipment. We solved the problem that the O-ring is easy to be crowded in the use of large structure, and the requirements of high precision machining and high difficulty of the assembly.

O-ring; fully self tightening; sealing structure

四川省科技厅青年基金项目(No.2013JQ0047)