CN102979981A

CN102979981A - 一种陶瓷管件的高温密封器

Info

Publication number: CN102979981A
Application number: CN2012104805496A
Authority: CN
Inventors: 黄彦; 查钦来; 胡小娟
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-03-20

Abstract

一种陶瓷管件的高温密封器，其特征在于：所述密封器包括腔体、锁紧螺母和密封材料，在腔体两端面上设置与锁紧螺母相配合的螺孔或螺栓，锁紧螺母分别连接在腔体两端面上，腔体两端的锁紧螺母连接陶瓷管件，将陶瓷管件封装在腔体内，陶瓷管件位于锁紧螺母的轴线上；其中所述的锁紧螺母与腔体端面间形成密封腔，密封腔底部设有斜面，密封腔内填充密封材料；腔体材料为定膨胀合金。本发明的陶瓷管件的高温密封器，从根本上解决高温或频繁升降温环境中陶瓷与密封腔体之间产生的热膨胀应力问题，消除高温下热膨胀对陶瓷管件的破坏，保持稳定的密封效果的同时，结构简单，操作方便。

Description

一种陶瓷管件的高温密封器

技术领域

本发明涉及一种密封器，尤其涉及一种适用于陶瓷管件的高温密封器。

背景技术

多孔陶瓷以其优异的化学稳定性、热稳定性以及广泛的市场来源，在很多工业领域都有广泛的用途，如多孔陶瓷可作为过滤材料用于食品工业、材料制造业、能源产业等。近年来，由于多孔陶瓷具有优异的热稳定性，多孔陶瓷用作多功能复合材料的基体倍受研究者的青睐。比如，多孔陶瓷可用作金属钯复合膜、碳分子筛膜、透氧膜等膜材料的基体，用于气体分离领域。

陶瓷材料或陶瓷基复合材料在用于高温环境时，不可避免的会涉及陶瓷管件的高温密封问题。通常陶瓷管与金属管线的连接方法有三种：焊接、粘接和机械连接（顾玉熹等. 陶瓷与金属的连接. 化学工业出版社，2010），其中，机械连接法较为常用，它是通过接头、螺纹、法兰、卡套等来实现陶瓷管的密封以及与其它部件的连接，具有简单易行、成本低、拆卸方便的优点。然而，陶瓷材料的热膨胀系数低，在200–600℃时的热膨胀系数约为7~8×10^–6 K^–1；不锈钢的热膨胀系数约为19.1×10^–6 K^–1（WD.Chen, et al. Sep. Purif. Technol., 2010, 72: 92.），采用机械连接将陶瓷管与不锈钢密封时会产生热膨胀不匹配的问题。当密封的陶瓷管件较短时，这种热膨胀差异较小。然而在工业化应用过程，所用陶瓷管件均较长，热膨胀差异大。

为了减缓陶瓷管件与金属密封时造成的热膨胀差异，Itoh等（N. Itoh, et al., Catal. Today., 2005, 104: 231.）采用两端涂釉（一端涂釉并封堵）的陶瓷管作为钯膜的基体，在高温密封时，膜管一端可以自由伸缩，另一端釉面较长，从而在远离高温区用橡胶密封。这种密封方式可以消除热膨胀的差异，然而结构不够紧凑。Hu等（黄彦,胡小娟,陈卫东. 一种适用于高温条件的管接头卡套，中国专利CN101440901A，01.2006）采用卡套密封的方式，分别将陶瓷材料两端密封，之后将其中一端与密封器连接，另一端自由伸缩。这种方式牵扯三次密封连接，较为繁琐且增加了气体泄漏机会。王等（黄彦,王洪志,俞健,胡小娟. 中国专利CN102120150A，07.2011）采用金属波纹管等结构来缓冲产生的应力，但这种结构的密封器在强度上有一定的局限性，且这种特殊结构的密封器制作也较为繁琐。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的陶瓷管件高温密封器存在的缺陷，而提供一种新型陶瓷管件的高温密封器，采用定膨胀合金的密封器，结合卡套法对陶瓷管件进行有效的机械封接，在保证足够机械强度的同时，从根本上解决了高温或频繁升降温环境中陶瓷与密封腔体之间产生的热膨胀应力问题，保持稳定的密封效果。

实现本发明目的采用以下技术方案：一种适用于陶瓷管件的高温密封器，密封器包括腔体、锁紧螺母和密封材料，在腔体两端面上设置与锁紧螺母相配合的螺孔或螺栓，锁紧螺母分别连接在腔体两端面上，腔体两端的锁紧螺母连接陶瓷管件，将陶瓷管件封装在腔体内，陶瓷管件位于锁紧螺母的轴线上；其中所述的锁紧螺母与腔体端面间形成密封腔，优选在密封腔底部设有斜面，密封腔内填充密封材料。当旋紧锁紧螺母时，锁紧螺母对密封材料产生沿前进方向的径向推动力，被挤压的密封材料再通过腔体底面将径向推动力转化为垂直方向上对陶瓷管件的压力，将陶瓷管件密封在腔体内。腔体所用材料为定膨胀合金，其与陶瓷管件的热膨胀系数差在0~3×10^–6 K^–1（200–600 ℃）范围内。本发明将陶瓷管件封接在定膨胀合金的腔体内，并采用卡套法连接陶瓷管件，在高温下，腔体与陶瓷管件保持基本一致的热膨胀，从而使得陶瓷管件在高温高压、且温度频繁升降的操作环境下性能稳定。

在具体实施方式中公开了所述高温密封器的一个实施例，采用外螺纹的锁紧螺母，与锁紧螺母相配合的是腔体端面上的螺孔，锁紧螺母通过螺孔与腔体螺纹连接。另一实施例中，采用内螺纹的锁紧螺母，腔体端面上设置与锁紧螺母相配合的螺栓，锁紧螺母与螺栓螺纹连接。

所述高温密封器，腔体内可以封装单一的陶瓷管件，或者封装多个陶瓷管件。比如，本发明的实施例中公开的一种具体实现方式，是腔体两端面上分别设置一组7个内螺纹的螺孔，每个螺孔连接一个外螺纹的锁紧螺母，两端面上的一对锁紧螺母封装一陶瓷管件，组成一个7芯的密封器。另一个实施例中，同样是一个7芯的密封器，在腔体两端面上设置一组7个外螺纹的螺栓，每个螺栓连接一个内螺纹的锁紧螺母，两端面上的一对锁紧螺母封装一陶瓷管件。

密封器腔体的长度和内径可根据陶瓷管件的长度和密封面外径设定，密封器腔体适当的长度为100~2000mm，优选长度为100~1000 mm，单管密封器外径为10~50 mm。腔体材质优选4J42、4J36、4J44定膨胀合金。腔体壁厚为1~8 mm，由操作环境决定，一方面保证密封器足够的机械强度，另一方面尽量减薄腔体壁厚，以降低残余的微量张应力。

本发明对陶瓷管件采用卡套挤压式密封。设置在腔体两端的锁紧螺母与腔体端面之间组成卡套密封腔。腔体端面上的螺孔或螺栓采用与腔体同样的合金材质，密封腔内径略大于陶瓷管件外径，以提供足够大的密封腔，保证密封强度。优选在密封腔底部设有斜面，其倾斜角度为10~80°，倾斜角度优选为40~45°。当旋紧锁紧螺母时，锁紧螺母对密封材料产生沿前进方向的径向推动力，被挤压的密封材料再通过密封腔的斜面将径向推动力转化为垂直方向上对陶瓷管面的压力，从而实现对陶瓷管件的密封和连接。

所述的锁紧螺母为外接部件，与定膨胀合金材质的腔体以机械连接的方式组合并在腔体两端形成卡套。和对接腔体的材质不同，锁紧螺母的材质优选为渗碳处理后的定膨胀合金，相比未经渗碳处理的锁紧螺母，具有更高的机械强度，这使得密封器在高温环境下使用后，再经反复拆卸、组装，锁紧螺母和腔体上螺纹的丝口不会遭到损坏，即方便拆装又延长了密封器的使用寿命。

所述的密封腔操作温度为25~600℃，优选100~500℃，密封材料包括石墨、石棉、金属环、纤维，优选石墨。石墨可以用模具预先成型为垫圈，也可以将石墨（石墨粉、石墨纸、石墨丝、石墨碎块均可）直接放入密封腔，由锁紧螺母挤压而成。

本发明所述的陶瓷管件包括致密陶瓷、多孔材料及陶瓷基复合材料。例如，以多孔陶瓷为基体的钯及钯合金膜；以多孔陶瓷为基体的分子筛膜。

借由上述技术方案，本发明陶瓷管件的高温密封器至少具有下列优点：

本发明所开发的一种适用于陶瓷管件的高温密封器，从根本上解决高温或频繁升降温环境中陶瓷与密封腔体之间产生的热膨胀应力问题，消除高温下热膨胀对陶瓷管件的破坏，保持稳定的密封效果同时，结构简单，操作方便。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1、腔体两端为内螺纹形式的单管密封器结构示意图。

图2A、腔体两端为内螺纹形式的7-芯集成式陶瓷管件高温密封器结构示意图。

图2B、图2A所示7-芯集成式陶瓷管件高温密封器的俯视图。

图3、腔体两端为外螺纹形式的单管密封器结构示意图。

图4、腔体两端为外螺纹形式的7-芯集成式陶瓷管件高温密封器结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,对依据本发明提出的陶瓷管件的高温密封器其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1

陶瓷管件为刚玉陶瓷管6，刚玉陶瓷管6的外径13.5 mm、内径7.5 mm、长500 mm。选用图1所示密封器1对单件陶瓷管件密封，腔体2及设置在腔体2两端与锁紧螺母3相配合的带有内螺纹的螺孔4材质均为4J42型因瓦合金，其中腔体2壁厚2 mm，内径15 mm,长480 mm,卡套密封端的长度为40 mm，密封材料为已成型的石墨垫圈5。将待密封的刚玉陶瓷管6装入密封器1，用石墨垫圈5套住刚玉陶瓷管6的一端，旋紧锁紧螺母3，先将该端密封，同时也把刚玉陶瓷管6固定在密封器1内，同样，再在刚玉陶瓷管6的另一端装上石墨垫圈5，并旋紧封闭，此时刚玉陶瓷管6已完全被密封在密封器1内。

完成密封后，将密封器1的出气端口（腔体端口之一）封闭，进气端口（腔体另一端口）依次与压力表、质量流量计、微调阀、检测气钢瓶相连。向密封器1内通入氮气，压力加至1.5 MPa，关闭钢瓶阀门和微调阀，1 h内压力表数值不变，流量计读数稳定（仪表本身有1%的误差值），说明装置无泄漏，密封完好。将密封器加热至600°C，降至室温，如此持续升降温循环5次，发现压力表和流量计的读数仍未发生改变，说明升降温过程对密封器1的气密性未产生影响。

实施例2

同实施例1，但密封的陶瓷管件改为以多孔陶瓷为基体的钯复合膜，发现所述的高温密封器气密性良好。

实施例3～6

同实施例1，但密封器的腔体2材质分别改为4J32、4J36、4J44、4J46型因瓦合金，发现所述的高温密封器气密性良好。

实施例7

同实施例1，但密封器改为如图2A、2B所示的7-芯集成式密封器，将7根刚玉陶瓷管6同时密封，发现高温密封器气密性良好。

实施例8

同实施例1，但密封器选用图3所示的腔体两端为外螺纹形式的单管密封器对管件密封，锁紧螺母3为内螺纹，腔体2两端设置与锁紧螺母3相配合的带有外螺纹的螺栓7，其中密封器的腔体2壁厚2 mm，内径15 mm,长480 mm，卡套密封端的长度为40 mm。同实施例1进行气密性检测，发现高温密封器气密性良好。

实施例9

同实施例8，但密封器选用图4所示的腔体两端为外螺纹形式的7-芯集成式密封器，将7根刚玉管同时密封，发现高温密封器气密性良好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种陶瓷管件的高温密封器，其特征在于：所述密封器包括腔体、锁紧螺母和密封材料，锁紧螺母分别连接在腔体两端面上；陶瓷管件位于锁紧螺母的轴线上，腔体两端的锁紧螺母连接陶瓷管件并将其封装在腔体内；其中所述的锁紧螺母与腔体端面间形成密封腔，密封腔内填充密封材料；所述腔体的材料为定膨胀合金，200～600 ℃时和陶瓷管件的膨胀系数差为0~3×10^–6 K^–1。

2.根据权利要求1所述的高温密封器，其特征在于：所述腔体的两端面上设置与锁紧螺母相配合的螺孔或螺栓。

3.根据权利要求1或2所述的高温密封器，其特征在于：所述腔体材料为4J32、4J36、4J42、4J44或4J46型定膨胀合金。

4.根据权利要求1或2所述的高温密封器，其特征在于：所述的密封腔底部设有斜面。

5.根据权利要求4所述的高温密封器，其特征在于：所述密封腔底部的斜面倾斜角度为10~80°。

6.根据权利要求1或2所述的高温密封器，其特征在于：所述密封器工作温度为25~600℃。

7.根据权利要求1或2所述的高温密封器，其特征在于：所述的密封器腔体的长度为100~2000mm。

8.根据权利要求1或2所述的高温密封器，其特征在于：所述的密封器同时封装多个陶瓷管件。

9.根据权利要求1或2所述的高温密封器，其特征在于：所述的陶瓷管件为致密陶瓷、多孔陶瓷或陶瓷基复合材料管件。

10.根据权利要求1或2所述的高温密封器，其特征在于：所述密封材料为石墨、石棉、金属环或纤维。