S型曲面密封橡胶垫圈结构设计

　　做设备密封结构设计快十二年，经手的异型密封件没有一百也有八十，这次的S型曲面垫圈，是去年给化工流体输送管线做配套密封时出的结构，当时现场反馈常规圆形平垫在变径弯折的管线接口处，总有三五个点位压合不实，运行半个月就出现介质微渗，拆检时发现垫圈在接口的曲面转角位置出现了局部压缩量不足的问题，平垫的平直截面没法完全贴合接口的S型密封面，转角处的密封比压达不到设计要求的1.2MPa，介质顺着配合面的微观缝隙慢慢渗出来，不仅浪费输送的化工介质，还存在一定的安全隐患。

　　一开始想过用O型圈做替代，但O型圈的安装槽需要在法兰面上加工环形凹槽，现场的法兰是已经焊接完成的定型部件，没有预留O型圈的安装槽位，重新加工槽位不仅要停机停产，现场动火作业还需要办理多级审批，工期和成本都不允许。后来才敲定做这种随密封面走势的一体化S型曲面垫圈，整个垫圈的截面是等厚度的矩形结构，厚度选的是3mm，这个厚度是经过反复测算的，既保证安装时能有足够的压缩变形量填补密封面的微观不平度，又不会因为厚度过大导致压合时出现垫圈挤出现象。

　　设计的时候首先要匹配的就是接口密封面的轮廓走势，整个垫圈的中心线完全贴合法兰密封面的S型路径，转弯处的曲率半径和法兰面的转角完全一致，不存在局部悬空或者过盈顶触的问题。垫圈的宽度统一做的8mm，这个宽度是根据法兰的密封面宽度定的，安装时垫圈的内外边缘和法兰密封面的内外边缘各留1mm的余量，避免安装对位偏差导致垫圈边缘超出法兰面，影响压合效果。材质选的是丁腈橡胶，邵氏硬度控制在65±5度，这个硬度的橡胶既有足够的弹性填补密封面的微观凹凸，又不会因为过软导致长期受压后出现永久变形，压缩永久变形率控制在15%以内，能满足长期静密封的使用需求。

　　实际安装的时候不需要额外加工密封槽，直接把垫圈对齐放在两个法兰的密封面之间，按照对角线顺序分次拧紧法兰螺栓，最终螺栓扭矩控制在25N·m，就能保证整个垫圈的各个位置压缩量均匀维持在20%-25%之间，不管是直线段还是S型的转弯段，密封比压都能稳定在1.5MPa左右，完全覆盖设计要求的密封压力值。当时现场安装完之后做了1.5倍工作压力的保压测试，保压24小时没有出现任何渗漏点，后续跟踪了六个月的运行情况，也没有再出现之前的微渗问题。

　　建模的时候要特别注意转弯处的曲面过渡，不能出现曲率突变的位置，不然垫圈压制生产的时候会在曲率突变处出现应力集中，长期受压容易出现开裂。整个模型的扫掠路径要完全和法兰密封面的轮廓重合，截面沿路径扫掠的时候要保证截面始终垂直于路径切线方向，不然做出来的垫圈会出现局部厚度不均的问题，安装后薄的位置压缩量不够，厚的位置压合过度，都会影响密封效果。另外还要考虑橡胶的成型收缩率，建模的时候要根据丁腈橡胶的收缩特性预留1.5%的收缩余量，保证生产出来的成品尺寸和设计尺寸偏差控制在±0.2mm以内，不需要二次修边就能直接安装使用。

　　这种异型曲面垫圈不光能用在化工管线的变径接口上，在一些有异型密封面的设备舱门、非标流体设备的腔体结合面也能适用，只要密封面的轮廓是连续的平滑曲面，都可以用这种随形设计的垫圈来做密封，相比拼接式的密封件，一体化的随形垫圈没有拼接接缝，不会在接缝位置出现渗漏隐患，密封可靠性要高很多。做这类密封件建模的时候，最容易踩的坑就是扫掠路径的曲率处理，很多新手建模的时候直接用直线加圆弧拼接路径，导致路径上出现G0连续的硬拐点，做出来的垫圈在拐点位置会有折痕，安装后折痕处就是密封的薄弱点，很容易出现渗漏，所以建模的时候一定要保证路径是G2连续的平滑曲面，转弯处做自然的曲率过渡，不要出现生硬的转角。另外安装边界也要考虑清楚，垫圈的所有位置都不能超出法兰的密封面范围，不然螺栓拧紧的时候，超出的部分会被挤压变形，甚至挤到法兰的连接缝隙里，反而会导致密封面压合不实。