CN106337982A

CN106337982A - 一种高压自紧式法兰

Info

Publication number: CN106337982A
Application number: CN201611044305.8A
Authority: CN
Inventors: 徐志
Original assignee: CHENGDU ZHIYUAN MECHANICAL SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU ZHIYUAN MECHANICAL SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2017-01-18

Abstract

本发明公开了一种高压自紧式法兰ZY‑LOC，涉及一种新型管道连接器，包括套节、卡套、密封环和球型螺栓，其特征在于密封环的筋部、唇部分工形成T型，两套节夹紧筋部，在卡套作用下，与管道形成强有力的整体；两套节的密封锥面与T型密封环的两唇部分别形成密封，其优点：1.卡套主要受力，代替了传统法兰的螺栓主要受力；2.在卡套、套节作用下的密封环360°方向均匀受力；3.T型密封环的唇部随压力波动而弹性波动，弹性变形，随压力增大而密封比压增大,传统法兰压力增大，密封比压降低，即自紧密封效果更好，具有抗疲劳、抗振动、抗温差的功能；4.拆装方便，密封环可以反复使用；5.连接点的强度比管道母材更高；6.球型螺栓轴线垂直于管道中心线设置。

Description

一种高压自紧式法兰

技术领域

本发明涉及一种全新的管道连接方式，特别是一种广泛用于石油、石化、化工、煤化工、船舶、冶金、航空、航天、军事、国防、合成材料等领域的管路连接。

背景技术

法兰在工业生产装置、输送工程、航空航天、国防、军事等设备和管道上，以及设备间的连接必不可少，同时也是需求量非常大的通用件。过去一般采用传统法兰和管道连接，靠密封垫的局部塑性挤压变形来实现密封，连接的可靠性差，连接处易跑、冒、滴、漏的问题，因此事故频发，需要大量的时间去维修和保养，中断生产流程给企业带来经济损失，同时还存在安全隐患。

针对现有普通法兰改进后的管道连接器，如有美国GRAYLOC、英国VECTOR、意大利G-LOK、中国成都植源机械科技有限公司ZY-LOC，四个国家产品机理一样，但结构都不一样，不可互换。

传统法兰一般由与管道同向的螺栓拉紧，其密封垫多为透镜，八角、椭圆垫，当扭紧螺帽时，法兰本身会承受较大的弯矩，带压运行时，管内介质内压将使密封面压强降低，即：沿轴向松弛，从而降低连接处密封性能。为此，将加大安装的螺栓预紧力，当管道压力增大时，法兰承受的弯矩等外力增大，强韧性降低，刚度下降，需要法兰结构尺寸加大，重量增加。但法兰在工作状态下的密封性能仍然较预紧状态下低。由于连接螺栓轴线平行于管道轴向设置，在运行状态下所产生的管道系统附加载荷将直接由连接螺栓承担，同样会影响密封性能。密封环一般比法兰硬度更低，靠挤压局部塑性变形形成密封，没有自紧、自增强的功能，外力影响密封很易失效。

目前，在舰船管路系统中，主要采用传统法兰及螺纹接头的连接形式，但是，高压的发射系统，高压的油循环润滑系统、过热蒸汽系统、柴油机系统的管路连接，因振动、温差应力、高压的强度不够，造成连接故障多，检修频繁，精准度下降，维护保养困难，检修时间长，安全隐患长期存在，安全事故时有发生，对人员和设备造成很大的危害。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于：提供一种全新的管道连接器--高压自紧式法兰ZY-LOC，以达到密封性能高，强韧性好，体积小，结构简单，拆装、维护方便的目的。

ZY-LOC与国外同类产品基理相同，但结构都不一样，其技术方案是这样实现的：一种高压自紧式法兰ZY-LOC，主要由套节、卡套、T型密封环和球型螺母、螺栓组成，其特征在于：T型密封环由筋部和唇部组成，套节为两个，两套节夹紧T型密封环的筋部，卡套为上下两个，两卡套夹紧套节；在卡套作用下，与管道形成强有力的整体；两套节的密封锥面与T型密封环的两唇部分别形成密封。

作为优选，T型密封环的唇部外斜面与套节过盈配合。

作为优选，T型密封环的唇部为斜面结构，斜面的倾斜角度为β，β≥5°。

作为优选，T型密封环套于套节中时，T型密封环的筋部与套节之间存在间隙h，h＞0。

作为优选，两卡套夹紧套节后，两卡套之间的间隙为δ，δ≥3mm。

作为优选，在卡套的夹环中部开有应力检测槽。

作为优选，球型螺栓的轴线垂直于套节的轴向。

本发明的有益效果：T型密封环两密封唇均设计为单斜面结构，加工方便，制造简单，由于设计有应力检测槽，可以很方便地通过检测槽测定初始预紧力，能够准确地根据需要设定所需预紧力，从而减小了密封环变形量，延长了使用寿命。且由于密封环与法兰端面通过锥面接触，形成一种几何弹性接触，只要弹性变量不超过屈服极限σs，无论内压P怎样波动，密封唇在套节、卡套的强有力作用下周向承受均匀压力，既能自紧密封，同时也起到了加固的作用，压力越高，自紧密封性能越好，极大地提高了法兰的抗拉、抗压、抗扭、抗弯曲、抗振动、抗疲劳、抗冲击性能，并具有结构简单，加工及维修方便的优点。由于本结构连接螺栓垂直于管道设置，只需初始预紧力即可拧紧，减小了法兰本身承受的弯矩。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例1的剖面结构示意图。

图3是本发明实施例1中的部分剖面结构示意图。

图4是本发明实施例1中套节的结构示意图。

图5是本发明实施例1中密封环的结构示意图。

图6是T型密封环T型臂屈服强度的示意图。

图7是T型密封环T型臂受力时产生如弹簧弹力的示意图。

图8是套节和密封环力学模型。

图9是卡套最大等效应力（Von Mises）分布云图。

图10 是卡套变形分布云图。

图11是卡套最大等效应力（Von Mises）分布云图。

图中标记：1.密封环；2.卡套；3.螺栓；4.套节；5.检测槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

传统管道连接通常采用法兰连接，法兰连接由于密封结构形式的要求，其结构尺寸往往较大，安装困难。本发明将双锥密封结构和卡箍紧固结构结合起来，利用本发明中的卡套在结构紧固方面的特点，以及双锥密封在轴向密封的特点，经过科学分析，并采用大型有限元分析软件，进行了力学计算工作，对本发明所述的高压自紧式法兰ZY-LOC进行强度分析与校验。本高压自紧式法兰应用环境：压力≤200MPa，温度：-196℃~1000℃。

另外，由于法兰应用前景非常广泛，因此根据管路实际技术要求，经科学计算后选用相应材质的金属材料定制而成。金属环是整个法兰的核心，合格的金属环应满足当管内压力越大时，金属环的密封效果越好，即是说压力越大，“自紧”效果更佳。

一、具体结构：

如图1、2、3、4、5所示，一种高压自紧式法兰，主要由套节4、卡套2、密封环1、球型螺栓3和检测槽5组成，密封环1由筋部和唇部组成，筋部和唇部分工形成T型的密封环，套节4为两个，两套节4夹紧T型密封环的筋部，卡套2为上下两个，两卡套2夹紧套节；在卡套2作用下，套节与管道形成强有力的整体；两套节4的密封锥面与T型密封环的两唇部分别形成密封。

T型密封环的唇部外斜面与套节过盈配合。套节4与T型密封环1的唇部外斜面接触处过盈配合而存在的过盈角度为α，5°≤α≤12°，在本实施例中α=8°。套节4与卡套2斜面配合，套节斜面的倾斜角度为θ，6°≤θ≤16°，在本实施例中θ=12°。

T型密封环的唇部为斜面结构，具体来说，T型密封环1唇部外斜面的内侧为直线段，外侧为斜面，斜面的倾斜角度为β，β≥5°，在本实施例中β=6°。

T型密封环套于套节中时，T型密封环的筋部与套节之间存在间隙h，h＞0，在本实施例中h=4mm。

卡套2为上下两个，卡套2的两端分别设置两个螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将上、下卡套2固定连接为一整体；球型螺栓3的轴线垂直于套节4的轴向。两卡套2夹紧套节4；两卡套2夹紧套节4后，两卡套之间的间隙为δ，δ≥3mm，在本实施例中δ=5mm。

在卡套的夹环中部开有应力检测槽。

二、将该高压自紧式法兰中的密封环置于两个套节之间，采用预紧螺栓拉紧上下两个卡套，将螺栓的预紧力转化为压紧密封环与套节的轴向力，使套节与密封环形成初接触，这一过程称作“就位”；继续加大螺栓预紧力，使套节与密封环产生适当线接触力，形成密封，这个过程称作“预紧”；当管道承压后，密封环出现自紧作用，形成有效的自紧密封。

三、具体应用实施例：

以DN100型为例说明：设计温度300℃，设计压力25MPa，密封环1采用耐高温高镍洛合金A638GR660制成，螺栓3及螺帽6采用35铬钼A制成，卡套2及套节4采用20锰制成，检测槽5宽度9mm，深度5mm。

安装时，先将套节4定位，使用无研磨作用的材料清除套节4密封面上的润滑油及密封环1表面，然后将密封环1装入套节4密封面，保持密封环1肩部与套节4端面有一定的间隙。用卡套2套住套节4，在卡套2与套节4的接触部分涂上润滑剂，以减少摩擦。在卡套2的螺孔中插入螺栓3，套上拧紧螺帽6，通过检测槽5确定初始预紧力，然后拧紧螺帽6，使螺栓3与卡套2的沟槽呈十字交叉，两头露出的螺栓部分大致相等，安装完成后两套节4的端面与密封环1的筋部应紧密接触。

四、对实施例1所述的高压自紧式法兰进行力学分析：

4.1分析依据

在高压工况工作下的密封结构在介质压力会发生变形，改变密封面的接触状况，严重时会破坏密封的性能，这种变形的计算是典型的状态非线性问题，采用通常的弹性力学数学分析方程，建立数学模型，由于零件的复杂性及装配件之间相互变形的影响，会使得这些计算模型的数学公式变得复杂，计算误差也就不可避免，随着计算机技术的发展，采用有限元的方法来计算密封环力变形、温度场、热变形等越来越多地被采用，其计算结果也更加可靠。

根据《压力容器安全监察规程》（简称“容规”）重点问题说明第1款的规定：“带压密封专用固定夹具，可以采用GB150《钢制压力容器》所规定的壁厚计算公式”。如公式（1）所示：

计算应力，如公式（2）所示：

上述两公式采用的是内压容器无力矩薄膜理论的分析方法，对于计算该高压自紧式法兰的套节是适用的，而对于该高压自紧式法兰的卡套则无法应用两式进行分析计算，因此需要借助其他分析手段进行分析计算。鉴于国内尚无此类产品的相关设计、制造和检验规范，建议该产品的设计，以有限元力分析作为其强度设计依据，按照GB150《钢制压力容器》和JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》的有关规定进行设计计算，本次分析中有关数据及分析依据也是GB150和JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》的有关规定进行分析计算的。

4.2 载荷分析

4.2.1，用户数据：

根据XX设计院所提供的设计图，计算基础数据如下：

工作压力	MPa
		设计压力	35MPa
工作温度	40~150℃
		设计温度	300℃
密封环材料	0C_r17N_i12M_o2
		套节材料	0C_r17N_i12M_o2
卡套材料	0C_r17N_i12M_o2
		螺栓材料	35 C_r M_oA
计算温度	300℃
		计算压力	35MPa

采用本发明实施例1中的高压自紧式法兰。

4.2.2 计算条件

（1）强度计算条件：

材料在计算温度下的常熟：

零件	许用应力（MPa）	切变弹性模量（MPa）	弹性模量（MPa）	泊松比
					密封环材料	[σ]^t=118MPa	E_t=1.82x10⁵MPa	G_t=6.92x10⁴MPa	0.3
套节材料	[σ]^t=118MPa	E_t=1.82x10⁵MPa	G_t=6.92x10⁴MPa	0.3
					卡套材料	[σ]^t=118MPa	E_t=1.82x10⁵MPa	G_t=6.92x10⁴MPa	0.3
螺栓材料	[σ]^t=118MPa	E_t=2.01x10⁵MPa	G_t=7.75x10⁴MPa	0.3

材料在常温（20℃）下的常数：

管接头本体	[σ]^t=137MPa	E_t=1.94x10⁵MPa
			螺栓材料	[σ]^t=210MPa	E_t=2.14x10⁵MPa

4.3 套节与密封环结构分析

4.3.1 力学模型

根据高压自紧式法兰ZY-LOC的结构特点及载荷情况，选取建立高压自紧式法兰ZY-LOC密封结构的三维有限元力分析模型，如图8所示。

4.3.2 边界条件

位移边界条件：

密封环X=0处：△X=0，约束其X向位移，而套节可以沿X向位移；

密封环、套节Z=0处，△Z=0，约束其Z向位移；

密封环、套节Y=0处，△Y=0，约束其剖面位移，而卡套可以沿Y向位移。（2）力边界条件：

套节和密封环内表面内压：P=35MPa；

对套节与卡套接触面处施加螺栓预紧力产生的均部压力： PF=40MPa；

4.3.3 单元选择

采用大型有限元力分析提供的8节点实体元（SOLID 45）进行网格划分。

4.3.4 分析结果

由图9所示的套节和密封环最大等效应力（Von Mises）分布云图可知：

管道最大等效应力为66.8MPa＜[σ]^t=118MPa,密封环最大等效应力为178MPa＞[σ]^t=118MPa，而小于密封环材料的强度极限，考虑到密封环所承受的应力主要为压应力，同时密封环正式依靠其本身部分材料的变形确保其密封性，因此密封环处的应力水平是合理的。

4.4 卡套结构分析

4.4.1 力学模型

根据管道卡套的结构特点及载荷情况，选取建立卡套结构的三维有限元力分析模型，如图9所示卡套最大等效应力（Von Mises）分布云图。此外在分析中，还根据初步分析结果，对原结构不合理之处进行改进。

4.4.2 边界条件

位移边界条件：

密封环、套节Z=0处，△Z=0，约束其Z向位移；

密封环、套节Y=0处，△Y=0，约束其剖面位移，而卡套可以沿Y向位移。边界条件：

紧固螺栓面施加均布压力：P=10MPa；

卡套与套节接触面处施加套节的反作用力：PF=40MPa；

4.4.3 单元选择

采用大型有限元力分析提供的8节点实体元（SOLID 45）进行网络划分，如图10所示的卡套变形分布云图。

4.4.5 分析结果

由卡套的变形图可以看出，卡套的整体变形均匀合理。

由图11所示的卡套的最大等效应力（Von Mises）分布云图可知卡套的应力分布较均匀,卡套最大等效应力为118MPa=[σ]^t=118MPa，由工程实践知只要材料的最大等效应力不大于材料的许用应力的5%就可以认为其是安全的。

由以上分析可知，卡套结构合理，可以满足功能要求。

4.5 螺栓强度校核

（1）螺栓接触面面积：A=πR²=615.75mm²

（2）螺栓的预紧力：F=P*A=6157.52KN

（3）螺栓截面面积：A1=πR²=113mm²

（4）螺栓应力：σ=F/A1=54MPa＜[σ]^t=174MPa。

由以上螺栓强度校核可知，改螺栓的实际应力小于螺栓材料的许用应力，该螺栓在其工况下安全可靠。

由上分析可得出该结构各零件可以满足强度要求。

与现有国外的法兰相比：

将本发明所述高压自紧式法兰ZY-LOC与美国GRAYLOC、英国VECTOR和意大利G-LOK相比，ZY-LOC、Grayloc、Vector、G-lok，不可以相互更换，各国的标准不一样，计算不一样；ZY-LOC具有如下特点：

1.T型密封环设计全弹性变形范围内，不允许塑性变形，而国外同类技术允许10%的塑性变形。

2.ZY-LOC的安全系数N=3=σ^b/ [σ]^b，而其他国家的N=2。

3.ZY-LOC的两卡套压紧套节后的间隙δ比国外同类更大，这样防止了高温状态下卡套相顶撞。

4.ZY-LOC防冲刷磨损保护套，一分为二，便于安装、拆卸。

5.ZY-LOC要求安装时套节要夹紧T型环筋，并过盈配合（国外同类技术要松连接），这样能形成初始密封，和管道连成刚性体，保证两套节间不形成棱角。

6.ZY-LOC的连接螺栓轴线垂直于管道轴向设置。

综上所述，本发明所述的高压自紧式法兰采用T型结构密封环后，其力学结构产生了根本变化，有三点划时代的意义：

一、是真正的无泄漏：随管道内压的增加，T型环的唇部与套节的密封锥面越贴越紧，即是说，密封面的密封比压增大，形成自紧而无泄漏。

二、连接强度高于管道母材，几乎是物理的方法代替了焊接：由于密封环的筋部一般直径方向都大于管道的壁厚，即径向强度高于管道强度，而被套节紧紧夹住，在卡套足够的刚度和强度的作用下（此时四套球型螺栓仅仅辅助受力）与管道形成强有力的整体。

三、使用寿命大大增长：由于T型密封环在套节和卡套的作用下，360°方向均匀受力，不受外力任何影响，而密封环的唇部受压力的波动而弹性变量，只要T型臂应力σ＜[σ]s，如图6和图7所示。密封环与套节锥形密封面便形成强有力的密封。

四、本发明具有抗疲劳、抗振动、抗温差变化的功能，如同一弹簧受F力作用而反复有效，因此寿命大于管道母材。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高压自紧式法兰，主要由套节、卡套、T型密封环和球型螺母、螺栓组成，其特征在于：T型密封环由筋部和唇部组成，套节为两个，两套节夹紧T型密封环的筋部，卡套为上下两个，两卡套夹紧套节，在卡套作用下，与管道形成整体；两套节的密封锥面与T型密封环的两唇部分别形成密封。

2.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰，其特征在于：T型密封环的唇部外斜面与套节过盈配合。

3.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰，其特征在于：T型密封环的唇部为斜面结构，斜面的倾斜角度为β，β≥5°。

4.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰，其特征在于：T型密封环套于套节中时，T型密封环的筋部与套节之间存在间隙h，h＞0。

5.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰，其特征在于：两卡套夹紧套节后，两卡套之间的间隙为δ，δ≥3mm。

6.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰，其特征在于：在卡套的夹环中部开有应力检测槽。

7.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰，其特征在于：球型螺栓的轴线垂直于套节的轴向。