CN101960197B - 法兰密封环的方法和系统 - Google Patents

Abstract

法兰密封环的方法和系统。至少一些示意性实施例是包括金属环和多个齿的系统。金属环包括限定内径的中央孔、限定第一平面的第一密封面、限定第二平面的第二密封面、处于第一密封面中的第一凹槽和处于第二密封面中的第二凹槽。多个齿联接到金属环，每个齿延伸通过第一平面，且多个齿各自定位于围绕金属环的多个径向位置中的每个位置处。多个齿中的至少一个具有相对于中央孔可调节的位置，并且齿将中央孔与法兰的相应的孔对齐。

Description

法兰密封环的方法和系统

背景技术

在管道需要以半永久方式连接到一起的情况下，每个管道端部都安装有法兰，且法兰螺栓联接的方式联接在一起。存在部分地由设置在每个法兰面上的密封表面的类型限定的几种类型法兰。例如，凸面法兰具有相对螺栓延伸通过的法兰的部分被升高的密封表面，且凸面或者是光滑的或者具有浅圆形槽。当配合凸面法兰时，垫圈材料被定位在凸面之间，且通过由螺栓提供的压缩力被保持在合适位置。环形接头法兰(RTJ)是法兰类型的又一例子。RTJ法兰在法兰面上具有圆形环形凹槽。金属环或环形垫圈放置在两个RTJ法兰之间并在环形凹槽中，且环形垫圈在法兰之间被变形或压印，以提供密封。使环变形的压缩力由螺栓提供。

对于法兰来说，除了法兰的不同类型之外，即便是同一类型的，还有不同的等级。例如，用于30英寸管的凸面法兰可能呈现与管道中预期的内压相关的多种ANSI等级。尽管每个法兰具有相同内径的中央通道，但是用于凸面法兰的密封表面的尺寸可能稍微不同于用于给定法兰尺寸的法兰-法兰连接。同样地，尽管每个法兰具有相同内径的中央通道，但是用于RTJ法兰的环形凹槽的深度、宽度和/或位置可能由于不同的压力等级变化或者可能稍微不同于法兰-法兰连接。

超声波流量计用于测量管道中的流体(例如天然气、油、水)的流量。在一些情况下，出于交易目的，超声波仪表用于测量流体流量，且因此需要特别的精确性。为了检验超声波仪表的精确性，新的仪表(和可能重组装的仪表)要求在测试实验室中进行流量校准。然而，对用于仪表的法兰类型和压力等级的选择由客户决定。因此出现了如由测试标准所要求的那样的、测试实验室具有一组管道系统的情形，所述一组管道系统具有配合超声波仪表的内径(例如30英寸)，但是测试实验室可能具有拥有不同密封类型和/或不同压力等级的法兰。例如，除了RTJ法兰，测试实验室可能使用具有不同压力等级的凸面法兰。测试实验室在过去通过具有多个管道阀已经对该问题进行了研究，其中每个阀在仪表端部具有不同法兰类型。然而，这些阀的建造和储存是昂贵的，在一些情况下花费比待测试的仪表还多。

附图说明

为了详细描述示例性实施例，现在将对附图进行参考，其中：

图1示出了凸面法兰；

图2示出了环形接头法兰；

图3示出了根据至少一些实施例的法兰密封环；

图4示出了根据至少一些实施例的块组件的透视图；

图5示出了沿图4的线5-5的图5的块组件的横截面正视图；

图6示出了与凸面法兰相互作用的块组件的横截面正视图；

图7示出了与具有比图6所示的凸面偏移量较小的凸面的凸面法兰相互作用的块组件的横截面正视图；并且

图8示出了根据至少一些实施例的方法。

符号和术语

在整个下面的具体实施方式和权利要求中使用特定的术语来谈及具体的系统部件。如本领域技术人员理解的那样，流量计设计者和生产者可能通过不同名字谈及部件。本文不打算在名字而非功能不同的部件之间区分。

在下面的具体实施方式中和在权利要求中，以开放形式使用术语“包括”和“包含”，且因此应当解释为意味着“包括，但不限于...”。同样，术语“联接”或“连接”想要意味着间接或直接的连接。因此，如果第一装置联接到第二装置，那么连接可能是通过直接的连接，或者通过经由其他装置和连接的间接连接。

具体实施方式

下面的论述指向本发明的多种实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可能是优选的，但是公开的实施例不应当解释为或另外用作限制本发明的范围。此外，本领域技术人员将理解下面的具体实施方式具有广泛的应用，且任何实施例的论述不意味着仅是那个实施例的示例，且不是要表示该公开的范围局限于那个实施例。

多个实施例指向能够使变化类型的(例如凸面式、环形接头式(RTJ))和在一些情况下变化压力等级的法兰联接，而不需要适配器或阀。例如，不同实施例的法兰密封环能够使具有150ANSI的凸面法兰的仪表联接到具有900ANSI的RTJ法兰的测试实验室的管道系统上。在转向法兰密封环的示例性物理实施例之前，说明书离开正题简要地对两种具体类型的法兰讨论。

图1示出了能与多种实施例的法兰密封环(图2中未示出)一起使用的凸面法兰10。具体地，图1示出了凸面法兰10的横截面视图12和正视图14。凸面16由中央孔或中央通道20的内径18和凸面16的外径22限定。如名字所暗示的，凸面从螺栓面24偏移距离“D”，所述距离根据法兰的压力等级变化。例如，在一些压力等级中，偏移量D是0.06英寸(1.524毫米(mm))，而对于其他的、更高的压力等级来说，偏移量D是0.25英寸(6.35mm)。当联接两个凸面法兰时，垫圈材料占据了两个密封表面之间的空间，且通过由螺栓孔26中的螺栓提供的压缩力实现密封。

图2示出了RTJ法兰30，所述RTJ法兰30能与不同实施例中的法兰密封环(图2中未示出)一起使用。具体地，图2示出了RTJ法兰30的横截面视图32和正视图34。RTJ法兰的密封特征部是环形凹槽36。环形凹槽36位于中央通道38和螺栓孔40之间。在一些RTJ法兰上，其内切割有环形凹槽36的表面42也从螺栓面44偏移距离D，但是这样的偏移不是必要地存在的。环形凹槽36的宽度、深度和/或直径可能由于不同的压力等级不同，其中较大的环形凹槽36(和相当地较大的金属环垫圈)用于较高的压力等级。当联接两个RTJ法兰时，金属环垫圈放置在两个法兰之间，且金属环垫圈至少部分地存在于每个法兰的环形凹槽36内。通过使金属环垫圈经由螺栓孔40中的螺栓提供的压缩力变形实现密封。说明书现在转向法兰密封环的示意性实施例。

图3示出了根据至少一些实施例的法兰密封环50的正视图。特别地，图3示出了包括金属环52和多个块组件54的法兰密封环50。在一些实施例中，金属环52由碳钢制成。在其他实施例中，例如低压应用，其他金属可以等效地使用(例如铝)。金属环52限定具有内径58的中央孔。法兰金属环50还包括限定一个平面的密封面60(在图3的情况下，所说平面平行于页面)。中央孔56基本上垂直于由密封面60限定的平面(即在制造公差内的垂直)。尽管在图3中不可见，但是金属环52还包括在金属环52的相对侧上的第二密封面，所述第二密封面同样地限定一个平面。在一些实施例中，由第一密封面60限定的平面和第二密封面基本上是平坦的(即在制造误差内的平坦)且基本上平行的(即在制造公差内的垂直)。

金属环52还包括环绕中央孔56和密封面60的交叉部的O型环形凹槽62。而且，尽管在图3中不可见，在相对侧上的第二密封面同样地具有O型环形凹槽。在构造成与0.50英寸(12.7mm)直径的弹性体的O型环一起使用的实施例中，每个O型环形凹槽62的深度是0.375英寸(9.525mm)，在密封面60处的宽度是0.560英寸(14.224mm)，且具有5度角(凹槽随着键入到金属环52中的深度变得更窄)。不同直径的O型环可以被等效地使用，且O型环形凹槽的宽度、深度和/或角度可以相应改变。

法兰密封环50还包括多个块组件54。在图3的示意性情况中，于在金属环52的外径上平均间隔的径向位置处存在3个这种块组件54。尽管示出了3个这种块组件54，但是可以等效地使用更多或更少的块组件54。每个块组件包括齿部64。尽管齿部64与金属环52的关系在下面讨论更多，但是齿部中的每个都延伸通过由密封面60限定的平面(例如在页面外)。根据一些实施例，块组件54的齿部64由碳钢制成，但是在其他实施例(例如较小直径的金属环)中，齿部64可能由其他材料(例如铝、塑料)制成。

图4示出了根据至少一些实施例的块组件54的透视图。特别地，图示出了根据至少一些实施例的、包括由上壳体72和下壳体74组成的壳体70的块组件。壳体限定出存在有导向螺杆78的内部空间76。导向螺杆78包括具有外螺纹的轴，且齿80包括具有内螺纹的孔眼。如图4所示，齿80经由孔眼以螺纹联接的方式联接到导向螺杆78上。通过导向螺杆78的如通过箭头82所示的旋转，齿80的位置可以如通过箭头84所示调节。齿80包括多个齿部，但是在图4的透视图中仅齿部64是可见的。

图5是基本上沿图4的线5-5的块组件54的横截面正视图。此外，图5示出了在与块组件54和金属环52的操作关系中具有不同密封特征部的两个法兰的部分。特别地，图5示出了具有凸面92形式的密封特征部的凸面法兰90的部分，和具有环形凹槽96形式的密封特征部的RTJ法兰94的部分。金属环52的中央孔的内径98与凸面法兰和RTJ法兰90和94的内径100和102分别对齐。两个O型环104和106在O型环形凹槽108和110的每个内分别存在一个。由于由穿过法兰的螺栓提供的压缩力，O型环104和106在法兰及其各O型环形凹槽之间压缩，形成密封。

仍参考图5，块组件54壳体70包括上壳体72和下壳体74。具有组合式外壳能够在装配期间使导向螺杆78和齿80插入到内部空间内。在插入各种内部件之后，下壳体72被联接到上壳体72上，例如紧固件(例如螺栓)、焊接件或环氧树脂。具有在其基部附近能够分离的壳体70只是示例性的。壳体70可以是等效地能够在便于导向螺杆78和齿80的插入的任何位置处分离。齿80包括大齿部112，小齿部114和内螺纹孔眼116。在图5的示意性实施例中，大齿部112构造成延伸穿过由密封面60A限定的平面，且大齿部112与RTJ法兰94的密封特征部的部分相互作用或配合。特别地，大齿部112的斜接部118与环形凹槽96接触和/或联接。随着在RTJ法兰之间具有不同的压力等级，环形凹槽96的尺寸可以改变(如通过虚线所示的那样)。在法兰密封环50与具有大的环形凹槽96、但是相同的中央通道内径的RTJ法兰一起使用的情况下，齿80的位置可以通过导向螺杆78相应改变，以确保使大齿部113与环形凹槽96壁接触。在图5的构造中，小齿部114相对齿部112延伸，且存在于由密封表面60A和60B限定的平面之间。

图6是类似于图5的块组件54的横截面正视图。此外，图6示出了凸面法兰120的、在与大齿部112的操作关系中的部分。具体地，除了斜接部118之外，大齿部112限定有凹口122。凹口122构造成与凸面法兰120的凸面124的外径联接和/或配合。因此，示例性的大齿部112可以用到与RTJ法兰的环形凹槽或凸面法兰的凸面的操作关系中。在图6的示意性的情况下，偏移量126可以是0.25英寸(6.35mm)，因此大齿部112足够长以与RTJ法兰的环形凹槽相互作用(图5)和限定出凹口122，且足够短以与图示的凸面法兰一起使用。然而，凸面相对于螺栓面24的偏移量126根据法兰的压力等级变化。对于低压力等级而言，偏移量126可以显著地小于0.25英寸(6.35mm)，且在这种情况下，大齿部112(如果使用的话)可以保持金属环52和/或O型环106远离法兰的密封特征部。

在大齿部112太长的情况下，齿80的延伸穿过密封面60A的平面的部分可以通过块组件54的重新定位改变。暂时回到图4，块组件54经由多个螺栓86保持在抵靠金属环52的适当位置处。当法兰密封环与大齿部112太长的法兰一起使用时，块组件54可以被移走(通过螺栓86的移除)，转向180度，且然后重新附接到金属环52上。图7示出了在金属环52中旋转的块组件54的横截面正视图。具体地，块组件54的旋转导致小齿部114延伸穿过由密封面60A限定的平面，且大齿部112在由密封面60A限定的平面和由密封面60B限定的平面(通过虚线130示出的平面)之间。小齿部114限定凹口132。小齿部114的凹口132的深度比大齿部112的凹口122小。凹口132构造成与凸面136的外径134联接和/或配合。图7的凸面136的偏移量显著地比图6的偏移量小(例如，偏移量可以是0.06英寸(1.524mm))，因此不恰当地使用了大齿部112。

同时参考图6和7。在图6和7中，示出了仅一个法兰，所述法兰与延伸穿过由密封面60A限定的平面的齿部相互作用。尽管第二法兰没有在图6或图7中示出，要注意到，任一类型的法兰都可以处于与密封面60B的操作关系中。

图8示出了根据至少一些实施例的方法。特别地，方法开始(框图800)并进入将法兰密封环抵靠第一法兰的密封面(框图804)放置。例如，法兰密封环可以抵靠凸面法兰的凸面或者抵靠RTJ法兰的环形凹槽放置。接着，通过调节一个或多个联接到密封环上的齿的位置，使密封环相对于穿过第一法兰的中央通道居中(框图808)。在一些实施例中，居中包括调节联接到每个齿上的导向螺杆。最后，第二法兰被联接到第一法兰上(框图812)，其中密封环在法兰之间，此后方法结束(框图816)。根据该方法连接的法兰的类型可以具有基本相同直径的中央孔，但是还可以具有不同压力等级和/或不同密封表面类型。

可以取消或者至少减少使用不同实施例的法兰密封环，测试实验室可能需要在手边具有的适配器或阀的数量。此外，即使如待测试仪表和测试实验室之间的那样，在法兰和压力等级相同的情况下，垫圈密封或金属环密封的费用(例如对于大直径垫圈或大直径的金属环密封来说是$1000)可能被不同实施例的法兰密封环能重复利用特性排除。

上面的论述意味着是对本发明的原理和不同实施例的例证。一旦上述公开被完全地理解，对于本领域技术人员来说，许多变化和修改将变得显而易见。例如，在一些实施例中，金属环的密封面通过位于平面中的整个密封面限定它们的各平面，且其他形式可以被等效地使用(例如凸部(向外地膨胀)或凹面)。接着是，由密封面限定的平面可以是基于密封面的任何类似特征(例如突起密封面的突出部或凹入密封面的凹处)。想要的是，所附权利要求被解释为包括所有这些变化和修改。

Claims (16)

1.一种密封环，包括：

金属环，所述金属环包括：

中央孔，所述中央孔限定内径；

第一密封面，所述第一密封面限定第一平面，所述中央孔基本上垂直于所述第一平面；

第二密封面，所述第二密封面限定第二平面，所述中央孔基本上垂直于所述第二平面，且所述第一平面和所述第二平面平行；

处于所述第一密封面中的第一凹槽，所述第一凹槽环绕所述中央孔和所述第一密封面的交叉部，以及

处于所述第二密封面中的第二凹槽，所述第二凹槽环绕所述中央孔和所述第二密封面的交叉部；

联接到所述金属环的多个齿，每个齿延伸穿过所述第一平面，并且所述齿各自定位于围绕所述金属环的多个径向位置之一中；

所述多个齿中的至少两个齿被构造成具有相对于所述中央孔可调节的位置，并且所述齿被构造用于使所述中央孔与法兰的相应的孔对准。

2.根据权利要求1所述的密封环，其中所述第一密封面基本上是平坦的且基本上平行于所述第二密封面。

3.根据权利要求1所述的密封环，其中所述多个齿中的每个齿到所述中央孔的距离是可调节的。

4.根据权利要求1所述的密封环，所述密封环还包括：

所述多个齿中的每个齿包括具有内螺纹的孔眼；

多个块组件，每个所述块组件联接到所述多个齿中的一个齿上，每个块组件包括：

联接到所述金属环上的壳体，所述壳体限定内部空间；和

在所述内部空间内的导向螺杆，所述导向螺杆以螺纹联接的方式联接到相关齿的孔眼；

所述多个齿中的每个齿到所述中央孔的距离能够通过调节每个块组件中的导向螺杆而得到选择。

5.根据权利要求1所述的密封环，所述密封环还包括：

所述多个齿中的每个齿还包括：

第一齿部，所述第一齿部限定具有第一深度的凹口；和

联接到所述第一齿部的第二齿部，所述第二齿部限定具有第二深度的凹口，所述第二深度不同于所述第一深度；

多个块组件，每个块组件联接到所述多个齿中的一个齿上；

所述多个块组件中的至少一个块组件在所述第一齿部延伸穿过所述第一平面处的第一定向上联接到所述金属环，且所述第二齿部处于所述第一平面与所述第二平面之间。

6.根据权利要求5所述的密封环，其中所述块组件被构造成能够在所述第二齿部延伸穿过所述第一平面处的第二定向上联接到所述金属环，且所述第一齿部处于所述第一平面与所述第二平面之间。

7.根据权利要求1所述的密封环，还包括：

所述多个齿中的每个齿还包括：

具有内螺纹的孔眼；

第一齿部，所述第一齿部限定具有第一深度的凹口；

联接到所述第一齿部的第二齿部，所述第二齿部限定具有第二深度的凹口，所述第二深度不同于所述第一深度；

多个块组件，每个块组件联接到所述多个齿中的一个齿，每个块组件包括：

联接到所述金属环的壳体，所述壳体限定内部空间；和

在所述内部空间内的导向螺杆，所述导向螺杆以螺纹联接的方式联接到相关齿的孔眼；

所述多个块组件中的至少一个块组件在所述第一齿部延伸穿过所述第一平面处的第一定向上联接到所述金属环，且所述第二齿部处于所述第一平面与所述第二平面之间，

所述多个齿中的每个齿到所述中央孔的距离能够通过调节每个块组件中的导向螺杆而得到选择。

8.根据权利要求7所述的密封环，其中所述多个块组件中的至少一个块组件被构造成能够在所述第二齿部延伸超过所述第一平面处的第二定向上联接到所述金属环，且所述第一齿部位于所述第一平面与所述第二平面之间。

9.根据权利要求1所述的密封环，其中所述多个齿中的每个齿还包括：

限定凹口的第一齿部，所述凹口被构造用于与凸面法兰的凸面的外径相配合；和

联接到所述第一齿部且与所述第一齿部相反延伸的第二齿部，所述第二齿部被构造用于与环形接头法兰的凹槽相配合。

10.根据权利要求9所述的密封环，其中所述第二齿部限定被构造用于与凸面法兰的外径相配合的凹口。

11.根据权利要求1所述的密封环，其中所述多个齿中的每个齿以垂直于所述第一平面的方式延伸穿过所述第一平面。

12.一种利用法兰密封环联接法兰的方法，包括：

将密封环抵靠第一法兰的密封特征部放置；

通过调节与所述密封环集成的一个或多个齿的位置，使所述密封环相对于穿过所述第一法兰的中央通道居中；并且

将第二法兰联接到所述第一法兰，其中所述密封环处于所述法兰之间，所述第一法兰和第二法兰具有直径基本相同的内孔并且具有不同压力等级和/或不同密封特征部类型。

13.根据权利要求12所述的方法，其中居中的步骤进一步包括调节与齿联接的导向螺杆。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：在放置的步骤之前，将齿相对于所述密封环定向。

15.根据权利要求14所述的方法，其中定向的步骤还包括将齿相对所述密封环定向，所述齿被构造成与凸面法兰的凸面的外径相配合。

16.根据权利要求14所述的方法，其中定向的步骤还包括将齿相对所述密封环定向，所述齿被构造成与环形接头法兰的环形凹槽配合。

Images