高压加氢装置反应器封头密封结构性能探析

摘 要：根据高压加氢装置操作条件，从设备的运行工况、密封形式、结构特点及运行效果等方面对高压反应器常用的封头密封垫片进行认真的分析。

关键词：高压反应器 密封结构 分析

加氢的工业装置有多种类型，按反应器的作用又分为一段法和两段法。两段法包括两级反应器，第一级作为低压加氢反应阶段，第二级作为高压反应段。一段法的反应器只有一个或数个并联使用。针对高压加氢装置反应器长期处于高温、高压、易燃、易爆及强腐蚀环境，所以反应器封头的密封形式及密封效果就成了保证设备安全可靠运行的关键问题，现根据高压密封的特点及结构形式进行分析和讨论。封头密封垫形式主要有平垫密封、双锥密封、卡扎里密封、伍德密封和金属八角环垫密封等。

1.高压密封的分类

反应器封头高压密封垫分类高压密封按其工作原理分为强制密封和自紧密封两大类。强制密封是依靠联接件（螺栓）的预紧力保证容器的顶盖、密封元件和圆筒体端部之间具有一定的接触压力，以达到密封的目的。自紧密封是随容器内的操作压力增加，密封元件与顶盖，圆筒体端部之间的接触压力也随之增加，依此实现密封作用。这种密封的特点是压力愈高，密封元件在接触面间的压紧力就愈大，密封性能也就愈好。操作条件波动时，密封仍然可靠。但是结构比较复杂，制造较困难。自紧密封按密封元件变形方式还可分轴向自紧密封和径向自紧密封。

按密封材料性质高压密封又可分为塑性密封和弹性密封。塑性密封将使密封元件发生塑性变形，弹性密封使密封元件产生弹性变形。

2.高压密封的形式

压力容器常用的密封形式有如下几种：①强制密封有平垫密封，卡扎里密封和八角垫密封；②半自紧密封有双锥密封；③自紧密封有楔形密封，楔形垫组合密封（又称伍德密封），空心金属O形环密封，C形环密封，B形环密封，三角垫密封，八角垫密封和平垫自紧密封。

3.密封形式介绍

3.1.平垫密封

平垫密封的结构见图1，顶盖和筒体端部的密封面上均有三条三角环形沟槽。平垫密封结构简单，加工方便，使用成熟，在直径小，压力不太高的场合密封可靠，但当结构尺寸大压力高时，螺栓尺寸也大，结构笨重、装拆不便，每次检修都得更换垫片，一般适用于温度不高，压力及温度波动不大的中、小型高压设备上。

3.2.卡扎里密封

卡扎里密封是一种强制式密封，有外螺纹卡扎里密封、内螺纹卡扎里密封和改良卡扎里密封三种形式。其中外螺纹卡扎里密封用得最多，它的垫片是一个横断面呈三角形的软金属垫，由铜或铝制成。容器的筒体法兰与端盖用螺纹套筒连接，通过拧紧压紧螺栓加力于压紧环而压紧垫片来实现密封。这种结构的优点是省去了筒体端部与端盖的连接螺栓，拆卸方便，属于快拆结构；垫片的面积也可较小，因而所需压紧力及压紧螺栓的直径也较小；密封可靠，适宜于温度波动较大的容器。但结构复杂，密封零件多，且精度要求高，加工困难。这种密封结构常用于大直径、高压，需经常装拆和要求快开的压力容器。内螺纹卡扎里密封的作用原理与外螺纹的基本相同，只是将带螺纹的端盖直接旋入带有内螺纹的筒体端部内。密封垫片置于端盖与筒体端部连接交界处，其上有压紧环，通过压紧螺栓使密封垫片的内侧面和底面分别与端盖侧面和筒体端部面贴合实现密封。它比外螺纹卡扎里密封省略一个较难加工的螺纹套筒，结构简单了一些，但它的端盖需加厚，占据了较多的压力空间，螺纹易受介质腐蚀，装拆也不方便，工作条件差。一般只用于小直径的高压容器上。改良卡扎里密封结构不用螺纹套筒连接端盖与筒体，而改用螺栓连接，其他均与外螺纹卡扎里密封相同。无甚显著的优点，所以很少采用。

3.3.双锥密封。

双锥密封在端盖的突台上，在双锥面和端盖、筒体端部的密封面之间放置有软金属垫。为了改善密封性能，在双锥面上还加工了二、三道半圆形沟槽。此外，端盖突台的侧面（即与双锥面的套合面）铣有几条较宽的轴向槽，以便容器内介质的压力通过这些槽作用于双锥环的内侧表面。其密封的实现一是通过拧紧主螺栓产生的压紧力，压紧双锥面与筒体法兰和端盖的密封面；二是容器内介质的压力（自紧力）通过端盖突台侧面的轴向槽作用于双锥环的内侧，也使双锥面与筒体法兰和端盖的密封面压紧。所以也有人将这种密封形式称为半自紧密封。由于其结构简单、加工容易、密封性能良好及拆装较方便，在我国高压容器上获得了广泛的采用，是国内最为成熟的高压密封结构。缺点是端盖和连接螺栓尺寸较大。

3.4.伍德密封

伍德密封是一种自紧式密封的组合式密封，其结构是由浮动端盖、四合环压垫和筒体端部四大部分组成。密封时首先拧紧牵制螺栓，靠牵制环的支承使浮动端盖上移，同时调整拉紧螺栓将压垫预紧而形成预密封，随着容器内介质压力的上升，浮动端盖逐渐向上移动，端盖与压垫之间，以及压垫与筒体端部之间的压紧力也逐渐增加，从而达到密封目的。压垫的外侧开有1～2道环形沟槽，使压垫具有弹性，能随着浮动端盖的上下移动而伸缩，使密封更加可靠。为便于从筒体内取出，四合环是由四块元件组成的圆环，又称压紧环。这种密封结构的密封性能良好，不受温度与压力波动的影响，且具有装卸方便，适用于要求快开的压力容器；端盖与筒体端部不用螺栓连接，所以用料较少，重量较轻。但结构复杂，零件较多而加工精度及组装要求很高，浮动端盖占据高压空间太多等，以往多用于氮肥工业，因为存在上述不足，现已逐渐被其他密封所取代，但在一些直径不大，对密封有特殊要求（如压力、温度波动大）且要求快开的高压容器仍有采用。

4.结束语

通过对高压密封垫的分析梳理可见，高压密封的形式有很多种，在使用过程中要根据不同的场合选择合适的密封垫形式，这对以后的设备平稳运行有很大的帮助，综合考虑双锥面密封目前较为广泛使用，随着科学技术的发展，将会有新材料的和新技术不段的应用和推广，以更好地提高设备的密封效果。

参考文献：

[1]张红兵《化工厂机械手册》1998

[2]尹丹勤《石油化工设备技术》2004

作者简介：韩正管， 1985年5月生，江苏沛县，美克化工股份有限公司，助理工程师