沟槽式钢桶封闭器法兰的密封最优化设计（2）

杨文亮

五、不同法兰采用不同密封垫圈的密封状态

由于法兰密封垫圈在垂直方向和水平方向受力状态不同。垂直方向受到的是来自以法兰轴心为中心的径向压力，也就是垂直方向的压力，其密封空间也是垂直的狭窄缝隙；而水平方向受到的是与法兰轴心垂直的纵向压力，也就是水平方向的压力，其密封空间则是水平的狭窄缝隙。所以，用单独的矩形密封圈要达到既兼顾水平受力又兼顾垂直受力，显然是不可能圆满的，对于特殊情况下采用弹性较小的垫圈时，问题则更为明显。

最佳的密封状态，应该是垂直方向的密封圈直径方向薄一些，轴向厚一些；而水平方向密封圈应该是直径方向厚一些，轴向薄一些，这样更能适应两种不同方向缝隙的要求。

鉴于垂直方向与水平方向的不同受力状态，以及对钢桶内容物相容等因素的考虑，水平方向和垂直方向密封垫圈采用不同材料制作较为科学。不同材料主要考虑两种不同受力状态对密封圈弹性的要求，以及水平密封圈与钢桶内容物相容性的要求。

图8为传统的法兰及桶口型式，采用不同材质的双密封圈锁合前后的结构和尺寸。图9为沟槽式（GRT）法兰及传统桶口型式，采用三元乙丙单密封垫圈锁合前后的结构和尺寸。

图8 传统法兰及桶口型式采用不同材质的双垫圈锁合

图9 沟槽式法兰及传统桶口型式采用三元乙丙单垫圈锁合

选用不同的法兰型式、不同的密封圈组合，以及不同的桶口冲孔翻边尺寸，其密封效果是各不相同的。表2为各种不同密封组合状态下的密封效果数据。

从表同可以看到，最佳的组合是：采用增加锥度的桶口冲孔翻边型式，沟槽式（GRT）法兰，并配合不同材质的双垫圈，因为这种组合在缝隙里密封圈的延伸范围最大，增加了密封表面积，因而密封效果最好。

表2 不同法兰与垫圈组合的密封效果
（单位：mm）

注：V——垂直方向延伸长度；H——水平方向延伸长度。

六、法兰密封垫圈的性能最优化

法兰的密封效果，与垫圈的质量关系很大。密封效果较好的垫圈，其物理性能和化学性能都要满足一定的要求。下面是国际上常用的主要密封垫圈性能指标（仅供参考）。

（一）白色三元乙丙垫圈

1、物理性能

（1）硬度：75～80（邵氏A硬度）；

（2）初始抗拉强度：1000（磅/英?2·分钟）；

（3）初始伸长率：300%；

（4）弹性：50～70%；

（5）压缩量：最大20%（在华氏250度下压缩3小时）。

2、化学性能

试验条件：在室温条件下，于下列溶液中浸泡7天，垫圈材料没有显示变质迹象为合格。

（1）苯乙酮；

（2）丙酮。

3、臭氧试验

把垫圈拉长25%，于华氏100度条件下，放置在每1亿份空气中包含150份臭氧的环境中，持续8小时。样品垫圈必须没有显示开裂的迹象。

4、耐热试验

垫圈材料必须能够承受400华氏度的高温15分钟，试验后样品没有明显的变质迹像。

5、耐磨性试验（耐久性试验）

密封垫圈必须能够经受钢桶的正常使用要求，即满足钢桶的使用环境和使用寿命要求。具体的使用要求根据用户的使用要求而定。

（二）黑色丁腈垫圈

1、物理性能：

（1）硬度：75～80（邵氏A硬度）；

（2）初始抗拉强度：1500（磅/英?2·分钟）；

（3）初始伸长率：225%；

（4）弹性：40～60%；

（5）压缩量：最大15%（在华氏250度下压缩3小时）。

2、化学性能

试验条件：在室温条件下，于下列溶液中浸泡7天，垫圈材料不显示变质迹象为合格。

（1）标准燃油C#；

（2）白矿油；

（3）ASTM（美国材料与试验协会）标准3号油；

（4）航空燃油（115辛烷值）。

3、在标准燃油C#中的浸泡试验

在标准燃油C#中，室温浸泡48小时后，垫圈材料的膨胀率不超过35%。

4、臭氧试验

把垫圈拉长25%，于华氏100度条件下，放置在每1亿份空气中包含150份臭氧的环境中，持续8小时。样品垫圈必须没有显示开裂的迹象。

4、耐热试验

垫圈材料必须能够承受450华氏度的高温15分钟，试验后样品没有明显的变质迹像。

七、法兰S形锁合结构

通过长期的实践证明，传统的钢桶封闭器法兰锁装结构有着致命的缺陷。如图2所示，当钢桶进行桶顶八点钟方向跌落试验时，法兰八方部位极容易与桶顶分离，从而造成密封性能的丧失，多数桶口泄漏的事故都是由此引起的。

为了解决这一问题，一种新型的“S”形封闭器锁合结构应运而生。这种结构看似比传统锁合结构复杂，但其实是采用特殊的锁合模具进行一次性锁合，与传统的锁合工序没什么区别，生产效率也是一样的，只是锁合模具的结构不同而已。

采用“S”形锁合结构生产的钢桶，在进行钢桶跌落试验时，将不会产生如图2所示的桶顶与法兰分离的情况，而且密封效果更好。

图10为传统法兰和沟槽式（GRT）法兰分别采用S形锁合模装配后的结构示意图。

图10 封闭器法兰和桶顶的S形锁合结构图

由于S形锁合结构的变化，传统的封闭器装配型式也要发生相应的改变，尤其是封盖的装配位置将会由原先的桶塞外沿，改变为S形凸缘。这样的装配结构变化，增加了封盖的安全性和防伪性能，它使封盖的防水性更优，安全性更好。

图11为S形锁合后的完整封闭器装配图。

图11 法兰S形锁合的完整封闭器装配图

八、结语

通常情况下，影响桶口密封性能的因素有很多，总结一下主要有以下7个问题：

1、法兰锁合时，法兰水平方向无遮挡，垫圈被挤出；

2、进行钢桶跌落试验时，桶顶与法兰分离，水平压力丧失；

3、法兰垫圈锁合后延伸空间小，没有充分填充缝隙；

4、法兰垫圈弹性小，不能在锁合压力作用下充满缝隙；

5、法兰垫圈不能与钢桶内容物相适应，受内容物腐蚀后密封丧失。

6、法兰垫圈形状分布不合理，不能有效地在缝隙中进行延伸。

7、钢桶进行跌落试验时，桶顶与法兰分离，水平压力丧失。

要同时解决以上7个问题，采取本文前面所有的优化项目，可以达到最佳的密封效果。主要措施是：

1、采用桶顶上桶口增加锥度的冲孔翻边结构和尺寸；

2、采用沟槽式（GRT）法兰结构；

3、采用不用材质的双密封垫圈配置；

4、垫圈尺寸设计应科学合理；

5、采用材料性能和质量较好的密封垫圈；

6、采用S形法兰锁合结构。

沟槽式钢桶封闭器法兰的密封最优化设计（1） 

沟槽式钢桶封闭器法兰的密封最优化设计（2）