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双锥密封是一种有径向自紧作用的半自紧式密封结构，常用于压力与温度存在波动的场合，是过程工业设备、压力容器最常用的高压密封结构。与自紧式密封相比，半自紧式密封在操作压力较低时或者在开停车过程中，可能会因为自紧作用不够明显，密封比压较低引起密封结构泄漏，进而导致设备或机组被迫停机，这种情况的发生不仅会带来经济损失，甚至可能造成事故。 基于上述情况，本文作者在传统双锥密封结构的基础上提出了一种新型的半自紧式金属垫片密封连接结构。在本文中，作者通过研究改良双锥密封结构的密封机理及密封性能，并提出了相应的设计方法，对这种新型结构进行研究不仅能提高密封的可靠性，而且对于其在未来的工程应用中也具有重要的意义。 本文研究的主要内容和结论如下: (1)根据现有的密封理论，对金属垫片密封机理并着重对双锥密封机理进行了探讨，总结了其优缺点，在此基础上对双锥密封结构进行了改进，即在双锥环的内侧开一半圆型槽。在操作工况下，半圆型槽内的压力作用会使密封面上的接触应力增大，从而改善结构的自紧作用。 (2)利用ABAQUS的接触分析功能，对改良双锥密封模型进行了数值分析，将分析结果与传统双锥密封的结果进行了对比。通过采用有限元进行数值模拟分析，得到了改良双锥环的Mises等效应力在预紧工况下的分布以及垫片应力、改良双锥环应变随预紧载荷和操作压力的变化规律，与传统的双锥密封结构相比，改良后的双锥密封结构的螺栓预紧力较小;在操作工况下，其自紧作用较好。 (3)建立了改良双锥环密封的结构设计方法。可按照GB150.1～150.4-2011《压力容器》中规定的方法对双锥环的基本尺寸进行确定;通过对改良双锥结构的密封影响因素分析，确定了影响密封的主要结构参数，并通过正交试验设计及数值模拟对改良双锥环密封的主要结构参数进行了分析设计，确定了相应的结构尺寸。同时也对改良双锥环工况下的螺栓载荷进行了分析，将模拟得到的螺栓载荷与通过传统理论公式计算出的结果进行了对比，结果表明传统双锥环密封的螺栓载荷计算公式同样适用于改良双锥环密封。 (4)依据金属垫片泄漏模型，分析了接触应力和垫片密封宽度对垫片密封性能的影响。研究了改良双锥环上下锥面的真实接触应力分布，发现改良双锥环上下锥面的接触应力沿径向分布是不均匀的，且上锥面接触应力大于下锥面接触应力;平均接触应力和最大接触应力随螺栓载荷和介质压力的增加而增大。得到了改良双锥环有效接触宽度随介质压力的变化规律。