基于O形圈密封结构的快开式高压容器的设计和研究

摘要

快开式高压容器作为一种间歇工作的高压容器，因工作需要频繁的对高压设备开启和关闭，故对容器的开关结构与密封性能提出了很高要求，但凡采用螺栓结构的快开容器不满足方便快捷这一要求，并且常用的高压密封结构通常又不能达到快速开关的效果。综观国内外研究的发展趋势，O形密封圈应用于快开式高压容器是一种趋势，充分利用了O形圈自紧的各种特点，突出优点为密封结构紧凑、拆装方便、不需要螺栓预紧力，同时配合卡箍式、剖分环式等快开结构，能够使快开式高压容器更加经济、可靠、实用。
　　本文以超临界二氧化碳萃取设备研发项目为契机，针对基于O形圈密封结构的快开式高压容器进行了设计和研究。
　　采用分析设计标准JB4732-95设计了高压容器筒体以及底部端盖的壁厚，通过Workbench软件对不同部位的危险截面进行了数值分析并校核了应力强度，保证了高压设备的可靠性。
　　参考GB150-2011设计了改进后的卡箍式O形密封高压密封结构，相比于传统的卡箍式有了更高的可靠性；并对卡箍式快开结构的平盖、卡箍与筒体端部危险截面的应力进行了校核，保证了结构的强度要求。
　　使用Workbench对O形圈预密封与高压密封过程进行了非线性仿真，研究了O形圈压缩率对密封性能的影响，得出不同压缩率下的O形橡胶圈预密封过程应变与等效应力分布情况，结论显示22％以上压缩率的O形圈在快速开关过程中容易发生剪切现象、12%压缩率的O形密封圈在高压密封状态中存在接触压力较小与接触长度不足。针对快开式高压密封结构的需要，使设备能够承受高压并且同时满足反复开启不损伤密封圈或者少量损失密封圈为原则，给出了O形圈压缩率更为严格的选取范围，15%~20%。
　　分析了采用弧形聚四氟乙烯单挡圈与双挡圈组合密封结构，得到了单挡圈可以有效防止挤出现象，在一定程度上抵抗了内部应力集中；双挡圈的“X”形应力分布所产生的接触压力优于“Y”形分布所产生的接触压力，这不仅保证了双向开关不发生剪切现象而且提供了更大的接触压力，证明了双挡圈结构更适合快开式高压容器密封。
　　通过上述研究，证明基于O形圈的快开式高压容器性能良好，满足设计要求并且具有良好的应用前景。

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