CN104358874B - 一种高压缩高回弹密封组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压缩高回弹密封组件，包括金属环，金属环的两轴向端面上均设有用于密封连接的密封结构，金属环的内侧周部和/或外侧周部上开设有具有开口的环形槽，环形槽具有开口端与封闭端，环形槽的开口端固定地设有弹性支撑件，弹性支撑件沿金属环的轴向方向可伸缩地支撑在开口端的上下两侧壁之间，开口端通过弹性支撑件与封闭端相液流连通设置，密封结构在金属环上位于开口端的轴向两侧。该密封组件具有大压缩量、大回弹量的特点，该密封组件在密封连接时，当其受到频繁的压缩回弹时能保持良好的刚性，提供密封结构处有效的密封载荷，保证密封连接位置始终处于有效的密封状态。

Description

一种高压缩高回弹密封组件

技术领域

本发明涉及一种高压缩高回弹密封组件。

背景技术

在核电、火电、化工、能源等工业部门中的密封系统中，往往存在高温、高压且伴有热冲击（热循环）、介质压力波动等形成的交变载荷等苛刻的工况条件，如换热器、热交换器、反应容器、管道密封中。在这类高温、高压以及化学反应的工况条件下，由于设备各组成元件存在热膨胀差，造成各元件变形不一致。这种情况下对密封的影响非常大，在高温时密封件因元件膨胀被过压压溃而使密封失效，而在温度下降时，因元件收缩而又会使密封件失压，以致密封压力缺失，造成密封泄漏。只有当密封件具有大压缩量、大回弹量，才能够使得密封件在上述工况环境下承受压缩量的大幅变化，从而保证密封的可靠，本申请的目的则旨在提供具有上述性能的密封件。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压缩高回弹密封组件，以满足高温、高压等苛刻工况条件下的密封要求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高压缩高回弹密封组件，所述密封组件包括金属环，所述金属环的两轴向端面上均设有用于密封连接的密封结构，所述金属环的内侧周部和/或外侧周部上开设有具有开口的环形槽，所述环形槽具有靠近所述开口的开口端与靠近所述环形槽槽底的封闭端，所述环形槽的所述开口端固定地设有弹性支撑件，所述弹性支撑件沿所述金属环的轴向方向可伸缩地支撑在所述开口端的上下两侧壁之间，所述开口端、所述弹性支撑件及所述封闭端之间相液流连通设置，所述密封结构在所述金属环上位于所述开口端的轴向两侧。

优选地，所述弹性支撑件为弹性环，所述金属环上位于所述开口端内还固定地设有用于将所述弹性环限制在所述环形槽中的挡环。

进一步地，所述挡环的一侧轴向端面与所述环形槽的槽壁相固定连接，所述挡环的另一侧轴向端面与所述环形槽的槽壁具有间隙。

进一步地，所述环形槽中，所述开口端的轴向槽宽大于所述封闭端的轴向槽宽，所述开口端与所述封闭端之间形成用于阻挡所述弹性环沿径向移动的阻挡部。

进一步地，所述弹性环为O型环、C型环或螺旋弹簧；当所述弹性环为O型环或C型环时，所述弹性环上开设有多个沿径向相连通的液流孔。

优选地，所述弹性支撑件为多个碟形簧片组件，每个所述碟形簧片组件包括沿厚度方向依次排布的多个碟形簧片，所有所述碟形簧片组件沿所述环形槽的圆周方向间隔分布。

进一步地，所述碟形簧片组件还包括用于提供所述碟形簧片组件沿伸缩方向导向的导向销，多个所述碟形簧片套设在所述导向销上。

进一步地，所述碟形簧片组件替换为螺旋弹簧。

进一步地，所述金属环的两轴向端面上，所述密封结构为呈锯齿状的齿形密封面或者呈外凸弧形状的金属密封面；

或者所述密封结构为齿形覆柔性材料密封面；

或者所述密封结构包括开设于所述金属环两轴向端部上的环形凹槽、设于所述环形凹槽中的环形密封圈。

更进一步地，所述金属环上，所述密封结构所在的面沿轴向高出所述金属环的轴向端面。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的密封组件，其具有大压缩量、大回弹量的特点，该密封组件在密封连接时，密封结构处受到来源于金属环自身的刚性、弹性支撑件的弹性支撑、工作介质的自紧等作用，当密封组件受到频繁的压缩回弹时，其能够保持良好的刚性，提供密封结构处有效的密封载荷，保证密封连接位置始终处于有效的密封状态。

该密封组件适用于需具备高压缩量、高回弹量的工况条件，适用于高温、高压且伴有热冲击（热循环）、介质压力波动等形成的交变载荷等苛刻工况条件下的密封，如换热器、热交换器、反应容器、管道密封等压力系统的密封中，解决目前存在的多种泄漏问题，保障安全生产，还可用于密封要求较高的重要场合实现有效的密封，从而保证设备装置的安全运行。

附图说明

附图1为实施例1中金属环的结构示意图；

附图2为实施例1中金属环上密封结构I处的结构形式示意图；

附图3为实施例1的密封组件的结构示意图（省略密封结构）；

附图4为实施例1 的密封组件的可替换结构的示意图（省略密封结构）；

附图5为实施例1的密封组件的整体示意图；

附图6为实施例1的密封组件用于密封连接的安装示意图一；

附图7为实施例1的密封组件用于密封连接的安装示意图二；

附图8为实施例1的密封组件的可替换结构形式的示意图；

附图9为实施例2中金属环的结构示意图；

附图10为实施例2的密封组件的结构示意图（省略密封结构）；

附图11为实施例2 的密封组件的可替换结构的示意图（省略密封结构）；

附图12为实施例2的密封组件用于密封连接的安装示意图；

附图13为实施例3中金属环的结构示意图；

附图14为实施例3中金属环的可替换结构形式；

附图15为实施例3的密封组件用于密封连接的安装示意图；

附图16为实施例1与实施例2的密封组件相结合使用用于密封连接的安装示意图；

其中：

100、密封组件；1、金属环；

11、密封结构；11a、环形凹槽；11b、环形密封圈；11c、齿形覆柔性材料密封面；11d、石墨密封层；11e、金属密封面；

12、环形槽（开口朝向内侧）；13、阻挡部；14、导向孔；15、堆焊密封部；

16、环形槽（开口朝向外侧）；17、密封结构；18、导向孔；19、堆焊密封部；

2、弹性环；21、液流孔；3、挡环；4、碟形簧片组件；5、导向销；

6、弹性环；7、挡环；8、碟形簧片组件；

200、300、400、500、600、待密封连接的部件。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

实施例1

参见图1至5所示的一种高压缩高回弹密封组件100，该密封组件100包括金属环1，该金属环1的两轴向端面上均设有用于密封连接的密封结构11，该密封结构11设于金属环1径向上用于承受密封应力或者密封应力较大的一侧，此处设于金属环1的内侧，即该密封结构11设于金属环1径向内侧的两轴向端面上。

密封结构11可以是如图2a的结构形式，即在金属环1的轴向端面上开设环形凹槽11a，再在该环形凹槽11a中设置环形密封圈11b，该环形密封圈11b能够起到金属线密封作用；也可以是如图2b的结构形式，将金属环1的轴向端面设置呈锯齿状的齿形密封面11c的结构形式，即在金属环1的轴向端面上加工特殊设计的同心波齿槽，其金属齿峰起到多道金属线密封作用；也可以是如图2c的结构形式，其为齿形覆柔性材料密封面，即在金属环1的轴向端面上设置呈锯齿状的齿形密封面11c后，再在该齿形密封面11c上覆盖一层柔性材料密封层11d，该柔性材料密封层11d可采用石墨或聚四氟乙烯等柔性材料，此处齿形密封面11c为加工在金属环1轴向端面上的同心波齿槽，柔性材料密封层11d为柔性石墨，覆盖的柔性石墨不仅具有很好的密封贴合性，而且能够很好地补偿待密封部件的密封面上的微观缺陷，因此具有很好的密封作用，即使在较低的密封应力下也能达到极高的密封性；还可以是如图2d的结构形式，将金属环1的轴向端面设置为呈外凸户型状的金属密封面11e。这样，在该密封结构11与待密封的部件相接触时，两者之间的密封应力均能使得两者之间形成密封连接。

在金属环1上，密封结构11所在的面沿轴向高出金属环1的轴向端面，即此处金属环1内侧端部的轴向厚度略大于金属环1外侧端部的轴向厚度。这样，当密封结构11处过压变形量较大时，压力会压至金属环1的轴向端面上，使得金属环1的轴向端面承受部分的密封压力，这避免了密封结构11被压溃，保证了密封的可靠性。

参见图1、图3至图5所示，金属环1的内侧周部上开设有具有开口的环形槽12，该环形槽12的开口朝向金属环1的径向内侧，该环形槽12沿金属环1轴向方向的截面呈U字型。

该环形槽12具有位于内侧靠近开口的开口端、靠近槽底的封闭端，其中，开口端固定地设置有弹性支撑件，该弹性支撑件沿金属环1的轴向方向可伸缩地支撑在开口端的上下两侧壁之间，开口端、弹性支撑件及封闭端之间相液流连通地设置。

弹性支撑件可以为如图3、图5所示的弹性环2结构。该弹性环2通过挡环3固定地设于环形槽12的开口端中，挡环3为一金属圆环，其底端可通过焊接的方式与环形槽12的底部槽壁相固定连接，其顶端应与环形槽12的顶部槽壁之间形成一定的间隙。该弹性环2为O型环或C型环，也可以是具有类似功能的弹性环件，如螺旋弹簧。当弹性环2选用O型环或C型环时，弹性环2上开设有多个沿其自身径向相连通的液流孔21，从而使得环形槽12的开口端与封闭端通过该液流孔21相连通，使得金属环1内腔中的液体能够与进入环形槽12或从环形槽12中流出。若选用螺旋弹簧，螺旋弹簧自身的结构可使得U型槽的封闭端与开口端相液流连通。

在上述结构中，为便于弹性环2的安装定位，环形槽12的开口端的轴向槽宽大于其封闭端的轴向槽宽，使得开口端与封闭端之间形成用于阻挡弹性环2在环形槽12中沿径向移动的阻挡部13，这样在安装时，用户只需将弹性环2置入该环形槽12中，弹性环2的外侧周部由阻挡部13抵挡限位，再通过设置挡环3即可将弹性环2限制在环形槽12中，安装定位十分方便。同时，上述设置对弹性环2在环形槽12中的压缩量得到限位，从而避免因压力过大而出现压溃的现象。

弹性支撑件也可以为图4所示的多个碟形簧片组件4的结构。每个碟形簧片组件4均包括沿厚度方向依次排布的多组碟形簧片，该碟形簧片组件4的个数为2组以上，其具体个数需根据金属环的直径大小来确定。所有的碟形簧片组件4沿环形槽12的圆周方向间隔分布，此处设置为均匀间隔分布。金属环1上还设有用于提供其沿伸缩方向导向的导向销5。在环形槽12的开口端上，开设有导向孔14，该导向孔14由金属环1的一侧轴向端部相贯通，待置入碟形簧片组件4后，将导向销5插入该导向孔14中，再通过堆焊的方式在导向孔14的开口端形成堆焊密封部15，使得金属环1的两轴端均为密封设置。

图4的结构中，碟形簧片组件4也可以用螺旋弹簧来代替，螺旋弹簧沿轴向固定地支撑设置在环形槽12的开口端上下两侧壁之间，其也能起到相同的作用效果。

采用碟形簧片组件4或螺旋弹簧或是弹性环2，以及密封结构11的结构形式，均需要根据密封组件100轴向两侧所受到的压力差值来进行选择。

以下，本实施例中以图5所示的采用弹性环2、采用图2a中密封结构11的密封组件100为例，来说明该密封组件100的工作原理。

如图6所示，当该密封组件100用于待密封连接的部件200与部件300之间的密封连接时，其中部件200为端盖法兰、部件300为具有设备腔的设备法兰，密封组件100设于两者之间而受到单向介质的作用。当部件300的设备腔中工作介质处于常温常压状态时，在金属环1及弹性支撑件（即弹性环2）的作用下，工作介质作用于环形槽12的槽壁，同时弹性支撑件抵触在环形槽12开口端的上下侧壁上，这使得金属环1的两轴向端部上密封结构11分别与部件200、部件300之间具有足够的密封应力，这样可有效地提高密封结构11的密封效果；当部件300的设备腔中工作介质处于高压或高温高压状态时，用于连接部件200与部件300的螺栓等部件会因热涨作用而变形，部件200与部件300之间有相对分离的趋势，此时，在弹性支撑件（弹性环2）的作用及工作介质的作用力下，金属环1上位于环形槽开口端的两侧分别有相互远离的趋势，使得金属环1两轴端的密封结构11处因介质压力的增大实现自紧，从而使得密封结构11保持与部件200、部件300之间的密封，避免密封的失效。而当工作介质回复至常温常压状态时，由于冷缩作用，部件200与部件300之间有相对靠拢的趋势，此时，介质压力减小且弹性支撑件被压缩回复，使得密封结构11处的密封压力回复至于适宜的状态。

上述过程中，密封结构11处受到的密封应力主要来源于金属环1自身的弹性、弹性支撑件的弹性支撑，以及工作介质的自紧力。通过上述三个方面的作用力，使得密封结构11处始终处于稳定有效的密封状态下，保证了密封的可靠性。

如图7所示，密封组件100用于部件500与部件400之间的密封连接，该密封组件100在该密封连接装置中其内侧与外侧均受到介质压力，此处外侧的介质压力P1小于内侧的介质压力P2，密封组件100两侧形成压力差，采用本实施例的密封组件100。内侧的介质压力P2作用于环形槽12的槽壁，使得金属环1上环形槽12的两侧受到介质压力，从而使得密封结构11处的密封应力Fj增加，这形成对金属环1两侧的密封结构11处的自紧，使得密封结构11处于有效的状态；而当工作介质温度及压力增加时，在弹性支撑件（弹性环2）的作用下亦可使得密封结构11处始终处于密封有效的状态；当工作介质温度及压力减小时，工作介质施加于金属环1的介质压力减小，弹性支撑件（弹性环2）被压缩回复，密封结构11处的密封压力回复至适宜的水平。以上过程中，均保证了密封结构11处的密封始终处于有效的状态下。

此外，在图1至图9的密封结构中，金属环1均呈圆柱型。在实际设置时，金属环1也可设置为如图8所示的圆环型。

实施例2

如图9至11所示，该实施例中的密封组件100，其结构与实施例1相比，区别仅在于环形槽的设置方式及密封结构的设置位置。在本实施例中，金属环1的外侧周部开设有环形槽16，该环形槽16的开口朝向外侧，密封结构17设于金属环1的径向外端的两轴向端部上。环形槽16的外侧具有开口端，其槽底位置处为封闭端。环形槽16中开口端处设有弹性支撑件。

该弹性支撑件可为弹性环6，如图10所示，其通过挡圈7固定在环形槽16中，该弹性环6及挡圈7的设置方式与实施例1中弹性环2及挡圈3的设置方式相类似，此处不再赘述。

该弹性支撑件也可为多个碟形簧片组件8，如图11所示，每个碟形簧片组件8通过导向销9导向和固定于环形槽16中，金属环1上设置导向孔18用于设置导向销9，并通过堆焊的方式形成堆焊密封不19对导向孔18的孔口进行密封。其具体设置形式与实施例1中碟形簧片组件4的设置形式相类似，此处不再赘述。

参见图12所示，密封组件100用于部件500与部件400之间的密封连接，该密封组件100在该密封连接装置中其内侧与外侧均受到介质压力，此处外侧的介质压力P1大于内侧的介质压力P2，即采用本实施例的密封组件100。

这样，在外侧介质压力P1的作用下，外侧的介质压力P1作用于环形槽16的槽壁，密封组件100两侧形成压力差，该压力差作用于金属环1的环形槽16形成对两侧密封结构17的自紧，环形槽16两侧受到自紧压力，从而使得密封结构17处的密封应力Fj足够提供密封应力，使得密封结构17处于有效的密封状态；而当工作介质温度及压力发生变化时，两侧的压力差始终存在，使得金属环1两侧的密封结构17始终处于自紧的状态，从而使得密封结构17处保持在有效的密封状态下。

实施例3

参见图13所示，该密封组件100是实施例1与实施例2中密封组件的集合，其中金属环1的内侧周部开设有开口朝内的环形槽12，其外侧周部开设有开口朝外的环形槽16；金属环1的两侧轴端上，其靠近径向内侧位置处与靠近径向外侧的位置处分别设置有密封结构；环形槽12与环形槽16中分别设置弹性支撑件。这样可以起到内外侧双重密封的效果。

上述密封组件100也可以设置如图14所示的结构形式，内侧端部与外侧端部的密封处均具有良好的弹性。

如图15所示，该密封组件100用于部件500与部件400之间的密封连接，该密封组件100在该密封连接装置中其内侧与外侧均受到介质压力，此处无论外侧的介质压力P1与内侧的介质压力P2的大小关系如何，都可以起到双重密封的效果，密封连接更可靠。

在图15所示的密封结构中，也可以将实施例1与实施例2的密封组件100组合起来，即将两者背靠背地设置，如图16所示，这样也可以起到双重密封的效果。

上述密封组件100中，密封架构11、17可以是多种组合形式，需根据具体条件合理选用；在选择密封结构11、17的结构形式、弹性支撑件的结构形式时，均需要根据密封组件100轴向两侧所受到的压力差值来进行选择。

金属环1上环形槽的设置位置及开口方向需要根据密封组件100轴向两侧所受到的压力差值进行选择，当仅存在内侧介质压力或内侧介质压力大于外侧介质压力时，则选用如实施例1中所示的密封组件100的结构形式，即将环形槽12设于金属环1的径向内侧位置处，且开口朝内设置；当仅存在内侧介质压力或内侧介质压力小于外侧介质压力时，则选用如实施例2中所示的密封组件100的结构形式，即将环形槽16设于金属环1的径向外侧位置处，且开口朝外设置。当然也可以采用实施例3的双重密封形式的密封组件100。

综上，本发明的密封组件100，其具有大压缩量、大回弹量的特点，当密封组件100受到频繁的压缩回弹时，其能够保持良好的刚性，提供密封结构11(或17)处有效的密封载荷，保证密封连接位置始终处于有效的密封状态。该密封组件100适用于需具备高压缩量、高回弹量的工况条件，适用于高温、高压且伴有热冲击（热循环）、介质压力波动等形成的交变载荷等苛刻工况条件下的密封，如换热器、热交换器、反应容器、管道密封等压力系统的密封中，解决目前存在的多种泄漏问题，保障安全生产，还可用于密封要求较高的重要场合实现有效的密封，从而保证设备装置的安全运行。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压缩高回弹密封组件，所述密封组件包括金属环，所述金属环的两轴向端面上均设有用于密封连接的密封结构，其特征在于：所述金属环的内侧周部和/或外侧周部上开设有具有开口的环形槽，所述环形槽具有靠近所述开口的开口端与靠近所述环形槽槽底的封闭端，所述环形槽的所述开口端固定地设有弹性支撑件，所述弹性支撑件沿所述金属环的轴向方向可伸缩地支撑在所述开口端的上下两侧壁之间，所述开口端、所述弹性支撑件及所述封闭端之间相液流连通设置，所述密封结构在所述金属环上位于所述开口端的轴向两侧。

2.根据权利要求1所述的高压缩高回弹密封组件，其特征在于：所述弹性支撑件为弹性环，所述金属环上位于所述开口端内还固定地设有用于将所述弹性环限制在所述环形槽中的挡环。

3.根据权利要求2所述的高压缩高回弹密封组件，其特征在于：所述挡环的一侧轴向端面与所述环形槽的槽壁相固定连接，所述挡环的另一侧轴向端面与所述环形槽的槽壁具有间隙。

4.根据权利要求2所述的高压缩高回弹密封组件，其特征在于：所述环形槽中，所述开口端的轴向槽宽大于所述封闭端的轴向槽宽，所述开口端与所述封闭端之间形成用于阻挡所述弹性环沿径向移动的阻挡部。

5.根据权利要求2所述的高压缩高回弹密封组件，其特征在于：所述弹性环为O型环、C型环或螺旋弹簧；当所述弹性环为O型环或C型环时，所述弹性环上开设有多个沿径向相连通的液流孔。

6.根据权利要求1所述的高压缩高回弹密封组件，其特征在于：所述弹性支撑件为多个碟形簧片组件，每个所述碟形簧片组件包括沿厚度方向依次排布的多个碟形簧片，所有所述碟形簧片组件沿所述环形槽的圆周方向间隔分布。

7.根据权利要求6所述的高压缩高回弹密封组件，其特征在于：所述碟形簧片组件还包括用于提供所述碟形簧片组件沿伸缩方向导向的导向销，多个所述碟形簧片套设在所述导向销上。

8.根据权利要求6所述的高压缩高回弹密封组件，其特征在于：所述碟形簧片组件替换为螺旋弹簧。

9.根据权利要求1至8任一所述的高压缩高回弹密封组件，其特征在于：所述金属环的两轴向端面上，所述密封结构为呈锯齿状的齿形密封面或者呈外凸弧形状的金属密封面；

或者所述密封结构为齿形覆柔性材料密封面；

或者所述密封结构包括开设于所述金属环两轴向端部上的环形凹槽、设于所述环形凹槽中的环形密封圈。

10.根据权利要求9所述的高压缩高回弹密封组件，其特征在于：所述金属环上，所述密封结构所在的面沿轴向高出所述金属环的轴向端面。