CN105650370B - 一种管件密封套及管状气体分离材料的密封方法 - Google Patents

Abstract

一种管件密封套及管状气体分离材料的密封方法，该密封套由锥形密封件、加压环、密封垫圈和锁紧螺母组成，锥形密封件为中空结构，其内侧设置密封腔和渐扩管式气体缓冲腔，在密封腔的底部设置斜面，被密封管件的一端插入密封腔底部，在密封腔底部斜面与管件间限定的环形间隙内填充密封垫圈，密封垫圈与加压环连接，通过旋紧锥形密封件和锁紧螺母上的螺纹即可实现密封套与管件的密封连接；为保证密封套在高温或升降温过程中保持良好的密封性，在锁紧螺母和加压环之间增设金属弹片。本发明采用渐扩管式气体缓冲腔，避免了流体流动过程中因突然扩张的管道所导致的局部能量损失和流体速度消耗的影响，使得管件分离膜面得到充分利用。

Description

一种管件密封套及管状气体分离材料的密封方法

技术领域：

本发明涉及一种管件密封套及管状气体分离材料的密封方法，具体地，是管状气体分离材料的端部依次通过锁紧螺母、金属弹片、压紧环、石墨垫圈和锥形密封件进行连接并密封，该密封套尤其适用于陶瓷管件与金属管线之间的密封连接。

背景技术：

近年来，多孔陶瓷因具有优异的化学、机械和热稳定性，以及广泛的市场来源，而在气体分离、制药、食品加工、材料制造等领域广泛应用。在气体分离领域，以多孔陶瓷为基体的多功能复合材料的研究备受关注，比如以多孔陶瓷为基体的金属钯复合膜、碳分子筛膜、透氧膜等膜材料都是近年来研究的热点。随着电子信息、半导体和LED制造等产业的迅速发展，促进了对超纯氢气(纯度>99.9999％)的需求量日益增加(陈自力等，多晶硅生产中氢气的来源与净化,低温与特气,30(2012)21-23)，同时对氢气分离与纯化技术提出了更高要求。金属钯及其合金膜由于具有透氢性好、选择性高和耐高温的特性，在氢气分离与纯化应用中备受青睐。

对于纯钯/陶瓷复合膜，在低于300℃时与H₂接触会发生氢脆现象，破坏钯膜，因此采用钯膜进行氢气分离时，其工作温度一般要求高于300℃，这必然会涉及到钯/陶瓷复合膜的高温密封问题。通常陶瓷管件与金属管线之间较为常用的连接方式是机械连接(顾玉熹等，陶瓷与金属的连接，化学工业出版社，2010),即通过接头、螺纹、法兰、卡套等来实现陶瓷管件的密封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。

现有文献及专利报道中涉及的钯陶瓷复合膜几乎都是单通道型的，钯膜形成于陶瓷载体外侧或内侧。由于每根单通道钯复合膜的膜面积有限，在实际应用中，若要实现一定的分离规模，虽然可以简单通过增加膜管的数量来增大分离膜面积，但这将使得分离器结构异常复杂，增大了分离器体积，提高了设备投资并增加了安装和监测的困难。为了获得较大的分离面积/体积比，人们在多孔陶瓷基体结构的优化方面进行了大量的工作。于2008年，有文献报道了一种高效的氢气分离膜[Hu Xiaojuan,Huang Yan,Shu Shili,FanYiqun,Xu Nanping，Journal of Power Sources，181(2008)135-139]，通过采用多通道结构的多孔陶瓷为基体制备的钯复合膜，可以获得较高的分离面积/体积比。该钯陶瓷复合膜，以化学镀在各通道的内表面形成钯膜，而横截面通过釉子进行致密封孔。再以石墨密封垫通过致密后的横截面将钯复合膜与金属壳体进行连接。然而，由于多通道钯复合膜与金属壳体完全固定在一起，又由于多通道钯复合膜与金属壳体的热膨胀系数不同，所以在加热和冷却过程中，必然导致石墨密封垫处有一定程度的泄露。最近，黄等(黄彦，查钦来，胡小娟.一种陶瓷管件的高温密封器，中国发明专利，CN102979981A,03.2013)采用热膨胀系数与陶瓷材料相接近的定膨胀合金材料制造密封器腔体，结合卡套法对陶瓷管件进行密封连接，有效地解决了高温或频繁升降温环境中陶瓷余密封腔体之间产生的热膨胀应力问题。

然而，以上文献或专利中提供的多通道陶瓷管件的密封接头的结构都是突然扩张式结构，见图1所示，当管道中流体流量增大时，在密封接头的入口处必然会发生突然扩张的管道所导致的局部能量损失和流体速度消耗的影响，从而使得分离膜面得不到充分利用。在工程中，一般采用截面积逐渐扩大的管道来减小局部能量损失。当流体流过逐渐扩张的管道时，由于管道截面积的逐渐扩大，使得流速沿流向减小，压强增高，且由于粘性的影响，在靠近壁面处，由于流速小，以至于动量不足以克服逆压的倒推作用，因而在靠近壁面处出现倒流现象从而引起旋涡，产生能量损失。如图2所示，渐扩管的扩散角θ越大，旋涡产生的能量损失也越大，θ越小，要达到一定的面积比所需要的管道也越长，因而产生的摩擦损失也越大。所以存在着一个最佳的扩散角θ。在工程中，一般取θ＝6°～15°，其能量损失最小。

因此本发明设计了一种渐扩管式结构的密封套，很好地避免了流体流动过程中因突然扩张的管道所导致的局部能量损失和流体速度消耗的影响，使得陶瓷复合膜分离膜面得到充分利用。

发明内容

本发明的目的是，针对现有密封套结构存在流体流动过程中因突然扩张的管道会导致局部能量损失和流体速度消耗的问题，使得分离膜面得不到充分利用，而提出了一种渐扩管式气体缓冲腔结构的密封套。

本发明的技术方案为：

一种管件密封套，包括锥形密封件、密封垫圈、加压环、圆环形金属弹片和锁紧螺母，锁紧螺母为二端开口的圆筒状结构，圆筒的一开口端的内壁面沿径向向外扩张，形成一段带内螺纹的圆环形接口，圆环形接口的径向截面面积大于圆筒的径向截面面积，沿径向方向上于圆环形接口与圆筒交接处形成一环形平面；锥形密封件一端为二端开口的、中空的圆锥台形渐扩管，锥形密封件另一端为二端开口的、带外螺纹的圆筒状密封腔，密封腔的径向截面面积大于渐扩管的下底面面积，渐扩管的下底面与密封腔一开口端通过一圆锥台形密封腔固接，密封腔固接的上底面与渐扩管的下底面面积相等，密封腔固接的下底面与密封腔的径向截面面积相等；

于管状气体分离材料一端依次穿套锁紧螺母、1片或2片以上的圆环形金属弹片、压紧环、圆环形密封垫圈；锁紧螺母通过螺纹螺合连接在锥形密封件上；圆环形金属弹片与环形平面接触，圆环形密封垫圈与圆锥台形密封腔接触。

圆锥台形密封腔的梯形轴向截面的下底角角度为10°～80°，即斜面倾斜角度为10°～80°。

圆锥台形密封腔上底面的直径大于管状气体分离材料的外径；所述圆锥台形密封腔的内表面是光滑表面，或者是于圆锥台形密封腔的内表面上沿径向开设有一个或二个以上的环形凹槽，圆锥台形密封腔上底面到下底面的距离为10～50mm。

针对现有密封套结构存在流体通过管道进入管件密封件时，因突然扩张的密封件结构会导致局部能量损失和流体速度消耗，使得管件的分离膜面得不到充分利用的问题，本发明提出在锥形密封件上增设渐扩管式气体缓冲腔，为圆锥台形渐扩管，即采用截面积逐渐扩大的管道来减小局部能量损失。因为渐扩管扩散角的取值范围与流体流动过程中与管壁的摩擦损失和管道扩张所导致的流体在靠近壁面处出现的涡旋损失的权衡有关，渐扩管的扩散角越大，旋涡产生的能量损失也越大，扩散角越小，要达到一定的面积比所需要的管道也越长，因而产生的摩擦损失也越大。所以存在着一个最佳的扩散角，一般取θ＝6°～15°，其能量损失最小。所以锥形密封头内渐扩管式气体缓冲腔的渐扩角优选为6°～15°。

锥形密封件的圆环形接口的轴向长度为12～40mm，螺纹的轴向长度为8～40mm；锁紧螺母除圆环形接口之外的圆筒的轴向长度为5～25mm；所述锁紧螺母内设有环形平面，环形平面的内径大于管状气体分离材料的外径。

密封垫圈为预先成型的柔性石墨垫圈，一端外侧设有环形斜面，环形斜面倾斜角度为10°～80°，另一端为平面，石墨垫圈内径大于管状气体分离材料的外径，石墨垫圈外径小于圆锥台形密封腔下底面内径，石墨垫圈的轴向长度为2～30mm，环形斜面与圆锥台形密封腔内表面相匹配。

金属弹片为金属弹簧垫片，厚度为2～15mm，其为带有一个缺口的圆环形金属弹片，缺口将圆环形金属弹片的侧壁沿轴向断开一条缝隙。

以外表面和截面均涂有一层陶瓷釉的陶瓷管为例，其与密封套相配合的密封方法如图5所示。将陶瓷管的一端插入锥形密封件的密封腔，在密封腔底部斜面与陶瓷管之间限定的环形间隙内填加石墨垫圈，在石墨垫圈的上平面依次连接加压环、金属弹片和锁紧螺母，通过旋紧锁紧螺母，在锥形密封件和锁紧螺母之间产生挤压力，该挤压力通过锁紧螺母内环形平面依次施加到金属弹片、加压环和石墨垫圈上，同时石墨垫圈也受到锥形密封件内密封腔底部斜面的反作用力，使其发生形变产生对陶瓷管的垂直压力，从而实现密封套与陶瓷管之间的密封连接。

管状气体分离材料为陶瓷管件，包括多孔陶瓷或陶瓷基复合膜，管状气体分离材料的外径为5～50mm，所述的锁紧螺母和密封头的外径为10～80mm；所述的石墨垫圈与被密封管状气体分离材料的轴向接触长度为5～30mm。

附图说明：

图1、突扩管流体形态示意图。

图2、渐扩管的扩散角示意图。

图3、多通道Al₂O₃陶瓷管截面示意图。

图4、密封套结构示意图(无金属弹片)。

图5密封套结构示意图(含金属弹片)。

图6、密封套结构示意图(密封腔斜面设凹槽)。

具体实施方案：

实施例1(无弹片)

所使用的管件为外径30mm、长度为300mm，由19个孔道组成的多通道Al₂O₃陶瓷管，孔道直径为4mm，陶瓷管的外表面和截面均覆盖有一层陶瓷釉，其横截面示意图见图3。密封套设计如图4所示，其中锥形密封件1内密封腔底部的斜面与陶瓷管之间夹角为30°，渐扩管式气体缓冲腔的渐扩角为10°，密封垫圈2预先成型，其长度为20mm，倾斜角度为25°。在陶瓷管的一端依次套入锁紧螺母5、加压环3和密封垫圈2，然后将锥形密封件与锁紧螺母配合锁紧，即可实现陶瓷管该端的密封连接。完成陶瓷管两端的密封连接后，将其中一端封闭，另一端通过金属管线依次与压力表、质量流量计、截止阀、减压阀和氮气钢瓶相连。陶瓷管内加压到1.0MPa，关闭截止阀，发现10分钟内陶瓷管内压力保持不变。然后将该状态下的陶瓷管采用电加热套从室温加热到450℃，并恒温5小时，发现压力没有变化。将密封的陶瓷管在室温和450℃之间反复升降温处理5次，压力仍保持不变，说明密封套的密封性能良好。

实施例2(有弹片)

同实施例1，但在锁紧螺母和加压环之间增加2片厚度为5mm的金属弹片，见图5，发现密封性能良好。

实施例3(密封腔斜面增设凹槽)

同实施例2，但在锥形密封件密封腔的底部斜面上增设2圈凹槽7，见图6，发现密封性能良好。

实施例4(密封腔斜面增设凹槽)

同实施例3，但锥形密封件内密封腔底部的斜面与陶瓷管之间夹角为45°，渐扩管式气体缓冲腔的渐扩角为15°，石墨垫圈预先成型，其长度为20mm，倾斜角度为40°，金属弹片的厚度为4mm，数量为2片，发现密封性能良好。

以上实施例仅用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下所做的任何等效的变化，都属于本发明权利要求的范围。

本发明提供的密封套具有结构简单，操作方便等优点，特别适用于多通道型陶瓷管件的高温密封连接。

Claims (8)

1.一种管件密封套，其特征在于：由锥形密封件(1)、密封垫圈(2)、加压环(3)、圆环形金属弹片(4)和锁紧螺母(5)组成，锁紧螺母(5)为二端开口的圆筒状结构，圆筒的一开口端的内壁面沿径向向外扩张，形成一段带内螺纹的圆环形接口，圆环形接口的径向截面面积大于圆筒的径向截面面积，沿径向方向上于圆环形接口与圆筒交接处形成一环形平面；锥形密封件(1)一端为二端开口的、中空的圆锥台形渐扩管，锥形密封件另一端为二端开口的、带外螺纹的圆筒状密封腔，圆筒状密封腔的径向截面面积大于渐扩管的下底面面积，渐扩管的下底面与圆筒状密封腔一开口端通过一圆锥台形密封腔固接，圆筒状密封腔固接的上底面与渐扩管的下底面面积相等，圆筒状密封腔固接的下底面与圆筒状密封腔的径向截面面积相等；

于管状气体分离材料(6)一端依次穿套锁紧螺母(5)、1片或2片以上的圆环形金属弹片(4)、加压环(3)、圆环形密封垫圈(2)；锁紧螺母(5)通过螺纹螺合连接在锥形密封件(1)上；圆环形金属弹片与环形平面接触，圆环形密封垫圈与圆锥台形密封腔接触；所述圆锥台形密封腔的梯形轴向截面的下底角角度为10°～80°，即斜面倾斜角度为10°～80°。

2.根据权利要求1所述的密封套，其特征在于：所述圆锥台形密封腔上底面的直径大于管状气体分离材料的外径；所述圆锥台形密封腔的内表面是光滑表面，或者是于圆锥台形密封腔的内表面上沿径向开设有一个或二个以上的环形凹槽，圆锥台形密封腔上底面到下底面的距离为10～50mm。

3.根据权利要求1所述的密封套，其特征在于：所述渐扩管为作为气体缓冲腔的渐扩管，为圆锥台形渐扩管，其渐扩角即为圆锥台锥角为5°～80°。

4.根据权利要求1所述的密封套，其特征在于：锥形密封件圆环形接口的轴向长度为12～40mm，螺纹的轴向长度为8～40mm；锁紧螺母(5)除圆环形接口之外的圆筒的轴向长度为5～25mm；所述锁紧螺母内设有环形平面，环形平面的内径大于管状气体分离材料的外径。

5.根据权利要求1所述的密封套，其特征在于：所述密封垫圈为预先成型的柔性石墨垫圈，一端外侧设有环形斜面，环形斜面倾斜角度为10°～80°，另一端为平面，石墨垫圈内径大于管状气体分离材料的外径，石墨垫圈外径小于圆锥台形密封腔下底面内径，石墨垫圈的轴向长度为2～30mm，环形斜面与圆锥台形密封腔内表面相匹配。

6.根据权利要求1所述的密封套，其特征在于：所述金属弹片为金属弹簧垫片，厚度为2～15mm，其为带有一个缺口的圆环形金属弹片，缺口将圆环形金属弹片的侧壁沿轴向断开一条缝隙。

7.根据权利要求1所述的密封套，其特征在于：所述加压环于靠近其一开口端的侧壁面上沿径向向外延伸有一环形的挡环，挡环的外径小于锁紧螺母的圆环形接口内径；

锥形密封的头部、加压环、金属弹片和锁紧螺母为不锈钢材料或者特殊合金钢材料。

8.一种管状气体分离材料的密封方法，其特征在于：将管状气体分离材料的一端插入锥形密封件的密封腔，在密封腔底部斜面与被密封管件之间限定的环形间隙内引入石墨垫圈，将石墨垫圈的上面依次与加压环、金属弹片和锁紧螺母连接，通过旋紧锁紧螺母，在锥形密封件和锁紧螺母之间产生挤压力，该挤压力通过锁紧螺母内环形平面依次施加到金属弹片、加压环和石墨垫圈上，同时石墨垫圈也受到锥形密封件内密封腔底部斜面的反作用力，使其发生形变产生对管件的垂直压力，从而实现密封套与管件之间的密封连接；

所述的管状气体分离材料为陶瓷管件，包括多孔陶瓷或陶瓷基复合膜，管状气体分离材料的外径为5～50mm，所述的锁紧螺母和密封的头部的外径为10～80mm；所述的石墨垫圈与被密封管状气体分离材料的轴向接触长度为5～30mm。