CN104089119A - 一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件 - Google Patents

Abstract

一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，包括具有第一密封面的第一法兰，及具有第二密封面的第二法兰，第一、第二密封面之间设置有密封垫片，第一法兰、密封垫片和第二法兰在紧固件的作用下紧密贴合，本申请的法兰组件中的第一法兰、第二法兰及设置于法兰组件内侧的密封垫片的独特结构，使得密封垫片的密封面被压紧后能反作用施加给法兰密封面一种贴紧力，在力学行为上表现为回弹性能的提高，从而取得优良的密封性能，密封系统松弛后，密封垫片有足够的回弹继续保持与法兰密封面的紧密贴合，除此之外，本申请的法兰组件比其他结构更适用于大型结构在高温高压及其波动工况下的动态密封，同时能够作为产品整体销售，便于市场上大面积的推广。

Description

一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件

技术领域

本申请涉及用于石油炼制与化工、煤化工、化肥工业、及其它各种化工、空调、空冷、电力设施的承压设备(例如：锅炉、压力容器、换热器、压力管道、储气瓶等)开口连接的密封技术，特别涉及一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件。

背景技术

现有的承压设备开口连接的密封垫片中，环形平垫是应用最为广泛的一种，其结构种类也很多，包括有橡胶垫、石棉垫、金属平垫、铁包垫、缠绕垫、波齿石墨复合垫等结构。

现有配对法兰环形平垫密封副技术中典型的结构如图1所示，每个法兰一般是由法兰盘11、安装螺栓螺母紧固件的螺栓孔12、颈部13、与承压壳体对接的端部坡口14、环形平垫15和圆环形平面的密封面16组成，环形平垫15上开设有螺栓穿过的螺栓穿过孔。螺栓穿过上下两个法兰的螺栓孔12，螺栓端部上紧螺母，使两个法兰的密封面16相互靠近，压紧环形垫片15，使法兰内部压力p的介质无法从虚线箭头方向通过环形垫片及其与法兰之间的密封面流窜到法兰外部。

该类传统结构普遍存在的实际问题是，当使配对法兰内部介质的压力p、温度T升高或波动时，较高的压力在法兰的两端产生实线箭头所示的拉力F，较高的温度使螺栓受热膨胀伸长，密封系统松弛，环形垫片15没有足够的回弹继续保持与法兰密封面16的紧密贴合，高温高压介质通过密封面流窜到法兰外部，引发爆炸燃烧事故。由此可见，承压设备开口连接的密封技术成为整台设备的关键。

从技术层面分析，配对法兰内部介质泄漏的根本原因是：在密封系统松弛后，环形垫片15没有足够的回弹继续保持与法兰密封面的紧密贴合，同时配对法兰的密封面从法兰中心孔位置一直延伸至法兰的外端缘，其中需要跨过螺栓，该密封面从内到外贯穿不便于法兰内部的自紧密封。

特别是大型装置大修期间，结构简单、零件少的法兰组件能缩短一天检修时间都能产生显著的经济效益。随着装置的大型化、环境保护意识的增强，油品质量的提升需要采取更高温高压下的工艺，装置中起缓冲和储备作用的压力容器减少，反应器和换热器等核心设备的操作难度增大，经常直接受到流体介质压力和温度的波动冲击，原有的设备开口密封结构难以适应新形势的工艺和管理要求，因此，研发一种能够应用于高温高压及其波动工况的，且密封可靠性好、结构简单，适合市场整体推广销售的法兰组件，在工程技术领域具有极为深远和重大的意义。

发明内容

本申请的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种结构简单、密封可靠性好，且能够成为产品整体出售并具有通用性的能够应用于高温高压及其波动工况的法兰组件。

本申请的目的通过以下技术方案实现：

提供了一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，包括具有第一密封面的第一法兰，以及具有第二密封面的第二法兰，所述第一密封面和所述第二密封面之间设置有密封垫片，所述第一法兰、所述密封垫片和所述第二法兰在紧固件的作用下紧密贴合，其中：所述第一法兰包括自所述第一法兰的法兰盘的内表面向外凸出的外凸台阶，所述外凸台阶由依次相接的第一外凸环面、第一环形平面以及第二外凸环面组成，所述第一外凸环面和所述第二外凸环面平行设置、且所述第一外凸环面和所述第二外凸环面均与所述第一环形平面垂直设置；所述第二法兰包括自所述第二法兰的法兰盘的内表面向内凹进的内凹台阶，所述内凹台阶包括由依次相接的第一内凹环面和第二环形平面组成，所述第一内凹环面和所述第二环形平面垂直设置；所述外凸台阶的台阶面的宽度小于所述内凹台阶的台阶面的宽度，所述外凸台阶和所述内凹台阶之间留有间隙；所述第一环形平面为所述第一法兰的第一密封面，所述第二环形平面为所述第二法兰的第二密封面；所述密封垫片包括垫片本体，所述垫片本体为由环形基体和设置于所述环形基体的外表面的凹槽的填料层组成的呈碟形斜面密封面的垫片本体，所述环形基体的中心孔的截面形状为等腰梯形，所述密封垫片邻近所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第一环形平面的内缘部，所述密封垫片远离所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第二环形平面的外缘部。

其中：所述碟形斜面密封面的形状包括圆锥形斜面、凸弧形斜面和凹弧形斜面。

其中：所述环形基体为由基体单元沿周向旋转形成的封闭结构，所述基体单元的形状为梯形、矩形和三角形中的任一种。 

其中：所述环形基体为由单层金属体组成或者为由两层以上金属体密封连接组成，所述两层以上金属体间相邻的两层金属体在其一端沿通过焊接密封连接，其另一端沿呈开口结构。

其中：所述环形基体的凹槽为齿条形凹槽、弧线形凹槽、矩形凹槽和波纹线形凹槽中的任一种凹槽或者任几种凹槽的组合。

其中：所述环形基体的上端沿和下端沿均倒圆角设置。

其中：所述填料层为石墨层、橡胶层、塑料层和粘胶层中的任一种填料层或者任几种填料层的组合。

其中：所述第一内凹环面的高度大于所述第一外凸环面的高度。

本申请的有益效果：本申请的法兰组件中的第一法兰、第二法兰及设置于法兰组件内侧的密封垫片的独特结构，使得密封垫片的密封面被压紧后能反作用施加给法兰密封面一种贴紧力，在力学行为上表现为回弹性能的提高，从而取得优良的密封性能，密封系统松弛后，密封垫片有足够的回弹继续保持与法兰密封面的紧密贴合，密封可靠性好，除此之外，本申请的法兰组件还具有结构简单、装卸简便、有利于密封，比其他结构更适用于大型结构在高温高压及其波动工况下的动态密封，同时能够作为产品整体销售，便于市场上大面积的推广。

附图说明

利用附图对本申请作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本申请的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是现有传统技术中的配对法兰的结构示意图。

图2是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件的整体对称剖面结构示意图。

图3是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫片的整体对称剖面结构示意图。

图4是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫片开始被法兰密封面压紧的局部结构示意图。

图5是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫片被法兰密封面压平后的局部结构示意图。

图6是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫片的其一局部结构示意图。

图7是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫片的其一局部结构示意图。

图8是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫片的其一局部结构示意图。

图9是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫片的其一局部结构示意图。

在图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9中包括有：

11——法兰盘、12——螺栓孔、13——颈部、14——端部坡口、15——环形平垫、16——圆环形平面的密封面；

110——第一法兰、111——第一外凸环面、112——第一环形平面、113——第二外凸环面、

120——第二法兰、121——第一内凹环面、122——第二环形平面、

200——密封垫片、2——垫片本体、21——环形基体、211——金属体、22——凹槽、3——填料层、4——密封焊缝、5——碟形斜面密封面、

P——承压设备内介质的压力，F——压力介质作用在法兰端部的力，Q——法兰密封面施加给密封垫片的力，M——密封垫片恢复原形的弹性扭矩，r——圆滑过渡的转角半径。

具体实施方式

结合以下实施例对本申请作进一步详细描述。需要说明的是图4、图5、图6、图7、图8和图9中的双点划线代表法兰密封面。所述第一密封面和所述第二密封面中密封面是指与密封垫片200接触的面，本申请是对于法兰密封面以及设置于法兰内侧的密封垫片200的改进。

本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件的具体实施方式，参见图2和图3所示，包括具有第一密封面的第一法兰110，以及具有第二密封面的第二法兰120，所述第一密封面和所述第二密封面之间设置有密封垫片200，所述第一法兰110、所述密封垫片200和所述第二法兰120在紧固件的作用下紧密贴合，本申请的改进之处在于：所述第一法兰110包括自所述第一法兰110的法兰盘的内表面向外凸出的外凸台阶，所述外凸台阶由依次相接的第一外凸环面111、第一环形平面112以及第二外凸环面113组成，所述第一外凸环面111和所述第二外凸环面113平行设置、且所述第一外凸环面111和所述第二外凸环面113均与所述第一环形平面112垂直设置；所述第二法兰120包括自所述第二法兰120的法兰盘的内表面向内凹进的内凹台阶，所述内凹台阶包括由依次相接的第一内凹环面121和第二环形平面122组成，所述第一内凹环面121和所述第二环形平面122垂直设置；所述外凸台阶的台阶面的宽度小于所述内凹台阶的台阶面的宽度，所述外凸台阶和所述内凹台阶之间留有间隙；所述第一环形平面112为所述第一法兰110的第一密封面，所述第二环形平面122为所述第二法兰120的第二密封面；其中：所述第一内凹环面121的高度大于所述第一外凸环面111的高度。

所述密封垫片200包括垫片本体，所述垫片本体为由环形基体和设置于所述环形基体的外表面的凹槽的填料层组成的呈碟形斜面密封面的垫片本体，所述环形基体的中心孔的截面形状为等腰梯形，所述密封垫片200邻近所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第一环形平面112的内缘部，所述密封垫片200远离所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第二环形平面122的外缘部。

图3中心线的左侧是法兰密封面刚接触密封垫片200时的示意图，其局部结构参考图4，图3中心线的右侧是法兰密封面压紧密封垫片200成为平垫后的示意图，其局部结构参考图5。如图4和图5所示，当法兰密封面与密封垫片200接触后，进一步的配合将施加给密封垫片200一个力对Q，这两个压力方向相反且不同轴线，在垫片内转为扭转力，使密封垫片200产生扭转变形，形成扭矩作用M，直到密封垫片200与法兰密封面紧密贴合。当密封系统松弛后，密封垫片200具有的反扭变形、恢复原形的趋势，要恢复原来的呈碟形斜面的结构，从而表现出更高的回弹性，继续保持与法兰密封面的紧密贴合，始终形成有效的密封。图1所示现有传统技术中的对焊法兰密封副中的环形垫片15是呈平面的密封面。这种传统的平面密封垫在密封系统松弛后，只有垫片材料本身的回弹性能，弹性有限，而本申请的呈碟形斜面密封面5的结构除了具有垫片材料本身的回弹性能外，还具有被扭转成平垫的结构要恢复原形的结构回弹性能，且结构回弹性要大于材料回弹性，从而取得更加优良的密封性能。该密封垫片200具有结构简单、装卸简便，比其他结构更适用于大型结构在高温高压及其波动工况下的动态密封。

本申请的法兰组件中的第一法兰110、第二法兰120及设置于法兰组件内侧的密封垫片200的独特结构，使得在第一法兰110的第一密封面和第二法兰120的第二密封面的作用下，密封垫片200的密封面被压紧后能反作用施加给法兰密封面一种贴紧力，在力学行为上表现为回弹性能的提高，从而取得优良的密封性能，密封系统松弛后，密封垫片有足够的回弹继续保持与法兰密封面的紧密贴合，密封可靠性好，除此之外，本申请的法兰组件还具有结构简单、装卸简便、有利于密封，比其他结构更适用于大型结构在高温高压及其波动工况下的动态密封，同时能够作为产品整体销售，便于市场上大面积的推广。

具体的：所述碟形斜面密封面的形状包括圆锥形斜面、凸弧形斜面和凹弧形斜面。只要密封垫片200的密封面是碟形斜面的，而其本体结构形状则是多种多样的，关键是这些密封面能受压扭转变形。在同一碟形斜面的倾角下，密封垫片200越高，其被压平后的扭转变形就越大，进而反作用于法兰密封面的贴紧力也越大，但是也有限度，密封垫片200受扭产生的应力不能超出垫片材料的许可应力，以免密封屈服后产生塑性变形，无法回弹。

具体的：所述环形基体为由基体单元沿周向旋转形成的封闭结构，所述基体单元的形状为梯形、矩形和三角形中的任一种。优选，梯形中的直角梯形、矩形中的正方形以及三角形中的直角三角形，其结构更有利于密封垫片200的回弹，通过结构的回弹性要大于材料本身的回弹性。

具体的：所述环形基体为由单层金属体组成或者为由两层以上金属体密封连接组成，所述两层以上金属体间相邻的两层金属体在其一端沿通过焊接密封连接，其另一端沿呈开口结构。参见图6所述的环形基体21，其由两层金属体211组成，两层金属体211之间通过外缘的密封焊缝4相连，两层金属体211之间的内缘没有密封焊缝4，而是开口的结构，密封焊缝4应焊透，经过渗透检测合格，没有气孔和裂纹等影响密封性的缺陷；或者，如果两层金属体211之间通过内缘的密封焊缝4相连，则两层金属体211之间的外缘就无需再密封焊缝4，而应该是开口的结构。参见图7所述的环形基体21，其由三层金属体211组成，第一层和第二层之间通过外缘的密封焊缝4相连，而第一层和第二层之间的内缘没有密封焊缝4，而是开口的结构，第二层和第三层之间则通过内缘的密封焊缝相连，而第二层和第三层之间的外缘没有密封焊缝，而是开口的结构。上述两层以上金属体211间各层金属体211的厚度相同设置或者不相同设置。

具体的：所述环形基体的凹槽为齿条形凹槽、弧线形凹槽、矩形凹槽和波纹线形凹槽中的任一种凹槽或者任几种凹槽的组合。参考图8所示，环形基体21的外表面设置有矩形凹槽22，在环形基体21的内外斜面上涂抹上一层填料，视填料的具体成分，还需压紧填料，使其完全填满环形基体21表面的凹槽22内，并尽量消除里面的空隙。参考图9所示，环形基体21的外表面设置有环形弧线凹槽22，环形弧线凹槽22内填充填料层3，密封面上分布有一圈圈的纹路线，机加工密封面中通俗称为水线，在这些纹路上涂抹填料，可增大两者的贴合面，提高贴紧度。

具体的：参考图3所示的圆角半径r,在所述环形基体的上端沿和下端沿均倒圆角设置。倒圆角的结构使本密封垫片200在被法兰密封面压紧的过程中容易滑动，有利于变形和回弹，进一步提升其结构本身的回弹性。

本申请的密封垫片200应用于法兰里边，其中一侧将要与介质接触，解决的是大型结构在高温高压及其波动工况下的动态密封问题，不同于现有技术中只用在法兰外表面的法兰盘上、与大气接触，需要穿进螺栓中、由螺母把它压紧到法兰盘上，去解决螺栓伸长后的密封松弛问题。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，包括具有第一密封面的第一法兰，以及具有第二密封面的第二法兰，所述第一密封面和所述第二密封面之间设置有密封垫片，所述第一法兰、所述密封垫片和所述第二法兰在紧固件的作用下紧密贴合，其特征在于：所述第一法兰包括自所述第一法兰的法兰盘的内表面向外凸出的外凸台阶，所述外凸台阶由依次相接的第一外凸环面、第一环形平面以及第二外凸环面组成，所述第一外凸环面和所述第二外凸环面平行设置、且所述第一外凸环面和所述第二外凸环面均与所述第一环形平面垂直设置；所述第二法兰包括自所述第二法兰的法兰盘的内表面向内凹进的内凹台阶，所述内凹台阶包括由依次相接的第一内凹环面和第二环形平面组成，所述第一内凹环面和所述第二环形平面垂直设置；所述外凸台阶的台阶面的宽度小于所述内凹台阶的台阶面的宽度，所述外凸台阶和所述内凹台阶之间留有间隙；所述第一环形平面为所述第一法兰的第一密封面，所述第二环形平面为所述第二法兰的第二密封面；所述密封垫片包括垫片本体，所述垫片本体为由环形基体和设置于所述环形基体的外表面的凹槽的填料层组成的呈碟形斜面密封面的垫片本体，所述环形基体的中心孔的截面形状为等腰梯形，所述密封垫片邻近所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第一环形平面的内缘部，所述密封垫片远离所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第二环形平面的外缘部。

2.根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在于：所述碟形斜面密封面的形状包括圆锥形斜面、凸弧形斜面和凹弧形斜面。

3.根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在于：所述环形基体为由基体单元沿周向旋转形成的封闭结构，所述基体单元的形状为梯形、矩形和三角形中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在于：所述环形基体为由单层金属体组成或者为由两层以上金属体密封连接组成，所述两层以上金属体间相邻的两层金属体在其一端沿通过焊接密封连接，其另一端沿呈开口结构。

5.根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在于：所述环形基体的凹槽为齿条形凹槽、弧线形凹槽、矩形凹槽和波纹线形凹槽中的任一种凹槽或者任几种凹槽的组合。

6.根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在于：所述环形基体的上端沿和下端沿均倒圆角设置。

7.根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在于：所述填料层为石墨层、橡胶层、塑料层和粘胶层中的任一种填料层或者任几种填料层的组合。

8.根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在于：所述第一内凹环面的高度大于所述第一外凸环面的高度。