CN107810353A - 具有抵抗压力变化的互锁内直径密封元件的密封系统 - Google Patents
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Abstract
用于高压应用的垫片密封件包括具有内直径密封元件的保持元件，该内直径密封元件与保持元件互锁以在保持元件和密封元件之间提供对沿轴向和径向两个方向的运动的抵抗。可以使用金属芯保持元件来实现高压密封，电绝缘材料被粘合至金属芯保持元件的任一侧或两侧上。通过内直径介电密封元件，例如聚四氟乙烯(PTFE)内直径密封环来实现密封。流体流线中的接头的法兰可以通过使用螺栓连接在一起，在它们之间插入有垫片密封件。在压力变化的情况下，通过将密封件固定至保持元件的双重锁定构件，内直径密封件产生抵抗以免被拉入流线中并且抵抗相对于保持元件的轴向运动。
Description
技术领域
本公开一般涉及隔离垫片，其适用于被插入并压缩在流线中的接合管件之间，其可操作用于流体流过其中而不泄漏。本公开的密封装置特别适用于通过与保持元件互锁的内直径密封元件抵抗流线中的压力变化。
背景技术
使用垫片装置的密封系统是公知的，并且已经被用于各种应用中以防止流体在接合件之间泄漏。例如，密封装置被插入并压缩在流线的法兰式端部连接之间。在一些情况下，在线过程控制设备将被安装在流线的各个点处，并且可以与流线的法兰式端部连接相关联。在线过程控制设备可以包括诸如阀、泵、流量计、温度控制器、压力控制器等的装置。此外，管段的端部设置有法兰，使得这些管段可以被端对端地连接以形成流线。已知的是，在接合段的接合面处提供垫片装置来防止接头处的流体泄漏。
无论接头的性质如何，也就是说，无论其是在管道的接合段之间或为了某种其他目的(例如用于连接在线过程控制设备的接头)，都需要基于与具体接头和通过接头传送的具体介质相关联的各种因素来选择垫片装置和密封系统。这些因素包括流经管线的介质的腐蚀性以及该流动介质的物理特性。这样的物理特性包括介质的压力、温度和速度，以及介质的压力(包括由于破裂导致的剧烈压力变化)、温度、速度的预期的变化。此外，在许多情况下，还需要不仅为接头提供可靠的密封，而且还需要将接头的一侧与另一侧电隔离。
发明内容
本申请的技术认识到，可以容纳高压并提供可承受显著压力变化的内直径密封元件的密封系统将是高效流线密封领域的显著改进。本文公开的实施例提供了用于高压应用的密封系统。该密封系统包括具有内直径的带有一个或多个内直径密封元件的一个或多个保持元件。内直径密封元件与保持元件的内直径部分互锁，以提供对保持元件和密封元件之间的轴向和径向两个方向上的运动的抵抗。保持元件抵抗外径向方向和内径向方向两个方向上的运动。在该技术的一个方面，通过使用金属芯保持元件来实现高压密封，电隔离材料可以被粘合至该金属芯保持元件的任一侧或两侧上。通过内直径介电密封元件(例如聚四氟乙烯(PTFE)内直径密封环)来实现密封。内直径密封环可以是平坦的或有轮廓的表面，例如凸轮轮廓(kammprofile)。接头的法兰可以用螺栓连接在一起，在它们之前插入有密封件。在压力变化的情况下，通过将内直径密封元件固定至保持元件的锁定构件，内直径密封件产生抵抗，以免被拉入流线中，并且抵抗相对于保持元件的轴向运动。在另外的方面，该技术可以具有其他构造，包括保持元件中的一个或多个备用密封件、内直径密封件中的一个或多个备用密封件、以及内直径密封件或保持元件内的一个或多个压缩限制器。
在一个方面，本申请的技术提供了一种用于流线中的接合件之间的垫片密封装置，其可操作地用于流体通过其中。该垫片密封件包括：(A)保持环，其具有相对侧表面和形成在其中的内直径开口，该保持环包括：(i)在内直径开口上形成周向凹槽的轴向锁定特征，和(ii)形成围绕内直径开口的周向边缘的径向锁定特征；和(B)具有内密封表面、外密封表面和锁定部的内直径密封元件，该锁定部包括：(i)与轴向锁定特征配合地啮合的轴向锁定突起，和(ii)与径向锁定特征配合地啮合的钩，其中轴向锁定突起与轴向锁定特征以及钩与径向锁定特征的配合地啮合基本上防止了保持环和内直径密封元件之间的相对轴向和径向运动。轴向和径向锁定特征和构件互锁，以基本上防止保持环和内直径密封元件之间的轴向和径向运动。保持环可以具有金属芯和设置在相对侧表面中的至少一个上的介电材料层，或者可以由聚酰亚胺材料(仅提供两个示例)形成。保持环还可以包括形成在每个相对侧表面上的凹槽和设置在每个凹槽中的二次密封元件。
在一个实施例中，径向锁定特征包括径向延伸的法兰表面和在保持环中形成凹部的突起，并且在内直径密封元件上的径向锁定构件包括互补的法兰表面和形成凹部的突起，以允许保持环和锁定构件互锁。在一个实施例中，轴向锁定特征包括形成在保持环中的凹部，并且轴向锁定构件包括延伸到凹部中的互补的楔形或锥形突起。例如，内密封表面可以具有V形的压力激活表面。
在另一方面中，本公开提供了一种用于流线中的接合件之间的垫片密封装置，该流线可操作地用于流体通过其中。该垫片密封件包括：(A)保持环，其包括具有芯内表面、第一侧表面、和与第一侧表面相对的第二侧表面的芯材料、涂覆第一侧表面的第一表面材料层和涂覆第二侧表面的第二表面材料层，其中：(i)芯材料包括在第一侧表面中的凹部，其中该凹部形成内直径周向边缘，(ii)第一表面材料层包括在第一材料内表面中的周向凹槽，其中第一材料内表面位于芯内表面的径向外侧，以及(iii)第二表面材料层包括与芯内表面基本上对准的第二材料内表面；和(B)密封元件，其具有内密封表面、外密封表面、钩、和轴向锁定突起，其中：(i)钩包括腿部和唇部，该腿部和唇部形成具有外密封表面的凹部，使得凹部配合地啮合该边缘，以防止保持环和密封元件之间的相对径向运动；以及(ii)轴向锁定突起从钩的腿部延伸并且配合地啮合周向凹槽，以防止保持环和密封元件之间的相对轴向运动。
在又一方面中，本公开提供了一种隔离系统，该隔离系统在可操作用于流体通过其中的流线中提供了接合法兰件之间的接合面，每个接合法兰件具有内表面和外表面，包括：垫片密封件，其包括：(A)保持环，其具有相对侧表面和形成在其中的内直径开口，该保持环具有：(i)包括具有在内直径开口上形成的矩形凹槽的轴向锁定特征，和(ii)包括在内直径开口上形成的矩形凹部和边缘的径向锁定特征；和(B)具有内密封表面和外密封表面的密封元件，该外密封表面包括：(i)与矩形凹槽啮合的轴向锁定突起，和(ii)与矩形凹部和边缘啮合的径向锁定构件，其中轴向锁定特征和径向锁定特征和构件配合地啮合以基本上防止保持环和密封元件之间的相对轴向和径向运动；容纳在形成于每个接合法兰件中的对准孔中的至少一个绝缘套管，该套管的长度基本上等于其间插入垫片密封件的接合法兰件的外表面之间的距离；具有相对端部的至少一个细长金属紧固件，该紧固件容纳在绝缘套管中，用于将接合法兰件彼此连接，该垫片密封件被插入接合法兰件之间；和至少一个绝缘垫圈，其容纳在至少一个细长金属紧固件上，邻接法兰件外表面中的至少一个的。该金属紧固件还可以包括配有螺纹以将螺母接纳在所述相对端部中的至少一个上的金属轴。该保持环还可以包括形成在每个相对侧表面上的凹槽和设置在每个凹槽中的二次密封元件。在一个实施例中，径向锁定特征包括形成在保持环中的楔形凹部，并且径向锁定构件包括延伸到楔形凹部中的互补的楔形突起。在一个实施例中，轴向锁定特征包括形成在保持环中的半圆形凹部，并且轴向锁定构件包括延伸到该半圆形凹部中的互补的半圆形突起。
本公开的这些和其他优点和新颖特征将部分地在以下描述中阐述，以下描述公开了包括当前优选的实施例在内的各种实施例。
附图说明
图1是部分剖视的侧视图，其示出了根据本公开的第一示例性实施例的隔离垫片和密封系统；
图2是部分剖视的放大侧视图，其示出了用于各种示例性实施例的代表性螺母和螺栓组，其与各种绝缘部件一起被使用以用于电隔离法兰接头；
图3是一半法兰接头的侧视截面图，其示出了根据示例性实施例的垫片；
图4是用于示例性实施例的垫片的内直径密封构件的横截面视图；
图5是示例性实施例的保持构件的横截面视图；
图6是另一示例性实施例的保持构件的横截面视图；
图7A-7C是根据几个示例性实施例的压力激活密封构件的横截面视图；
图8A-8D是根据几个示例性实施例的具有不同垂直锁定元件的密封构件的横截面视图；
图9A-9C是根据几个示例性实施例的具有不同径向锁定元件的密封构件的横截面视图；
图10是示例性实施例的保持构件的横截面视图；和
图11是用于示例性实施例的垫片的密封构件的横截面视图。
具体实施方式
为了更全面地理解本申请的技术，现在参考如附图所示的几个示例性实施例的以下详细描述，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件。本文描述了各种实施例，其中在多个实例中提供了具体示例以用于说明和讨论本公开中包括的各种概念。所提供的具体实施例和示例不必被解释为比其它实施例和/或示例优选或有利。此外，本文所述的概念可以与密封垫片和密封系统的许多不同变化方案一起使用。例如，内直径密封件可以与保持构件和二次密封元件和/或压缩限制器一起使用，例如在2011年7月12日授予的、发明名称为“ISOLATION GASKET,SYSTEM,AND METHOD OF MANUFACTURE”(隔离垫片，系统和制造方法)的美国专利第7,976,074号中所描述的；该专利的全部公开内容通过引用并入本文，如同全部列出一样。
如上所述，本申请的技术尤其提供了一种解决当前已知的内直径密封件可能存在的问题的解决方案，该问题在于，当真空被拉入管道系统中时和/或由介质流过密封件导致抽吸时，密封件可能会在管道压力变化(包括管道压力的快速减压)期间塌缩到管道系统的孔中。密封件塌缩到孔中可能引起严重的问题，因为在某些情况下，当系统被再加压时，介质将通过塌缩的密封件逸出、与保持器接触并且可能逃逸到环境或管道系统外部。此外，塌缩的密封件可能被沿着管道系统向下输送，在该处其可能导致其它问题，举几个例子，例如阻碍其他管道部件、对移动部件(例如泵等)造成损坏等、污染处理系统、和/或干扰清管作业。
本申请的技术通常涉及适于在接头中使用的隔离垫片，该隔离垫片抑制、防止或基本上降低密封件塌缩到通常位于管道系统中的接头的孔中的可能性。这样的接头可以是以端对端关系连接的两段管道之间的法兰连接。在其他方面，接头可以是用于将监测设备连接至流线的连接，其可以是法兰式连接或其他类型的连接。其他接头可以不包括如上述常规接头的法兰表面。相应地，通过参照常规的法兰式连接，例如与一对管道段的端对端连接一起使用的法兰式连接，来描述本申请中公开的技术，但是应当清楚理解的是，本发明不限于这种法兰式连接。
现在参考图1，密封垫片10位于流线应用中两个管段14之间的法兰连接12中。每个管段14包括法兰16，其可以以相对关系放置，垫片10位于法兰16之间。法兰16设置有孔20，孔20彼此对准，使得法兰16可以通过螺母32和螺栓18组连接，如本领域已知的。
继续参考图1，并且参考图2，一些实施例提供了法兰16之间的电隔离，其可以由与每对对准的孔20相关联的多个不同部件来实现。在该实施例中，一对对准的孔20设置有非导电套管22，该非导电套管22例如由玻璃增强的聚合物构成，但是可以合适地采用其他材料，例如环氧树脂、酚醛树脂和Nomex材料。套管22的尺寸设计成具有与法兰16的外表面24和插入其间的垫片10的厚度之间的距离大致相同的长度。一旦将套管22插入一对对准的孔20中，绝缘垫圈26被放置在法兰16的外表面24上的孔20的任一侧上。在该实施例中，然后使可选的金属垫圈28定位成抵靠垫圈26，并且将螺栓30穿过垫圈和套管22，之后通过螺母32固定。在一些情况下，绝缘垫圈26可以具有用于强度等设计的金属芯，使得不需要可选的金属垫圈28。该装配可以针对每个对准的孔20来进行，之后可以拧紧螺母32以在期望的压力下压缩垫片10。作为替代在螺母32和螺栓18组的相反侧上的螺母32，螺栓18可以被设置有头部，以代替螺母32中的一个。
为了促进管段14之间的电隔离，垫片10可以包括介电材料外层。因此，本文所描述的各种实施例考虑在一侧或两侧上具有介电涂层的垫片10、绝缘垫圈26、和非导电套管22，以为单独的管段14提供电隔离。介电涂层仅需要位于垫片10的导电部分上。如图1和2所示，绝缘垫圈26定位成抵靠法兰16的外表面24，并且与套管22相组合在螺母32和螺栓18组和法兰16之间提供电隔离。绝缘垫圈26可以是涂覆有介电材料的金属芯垫圈。类似地，垫片10上的介电外层在法兰16的相对的法兰表面之间提供电隔离。
图3示出了与本申请技术一致的具有垫片50法兰连接的一部分的横截面。在该示例中，垫片50包括保持环54和内直径密封元件58。内直径密封元件58的尺寸被设计成在保持环54的内直径内适用。在该实施例中，保持环54具有金属芯62和在金属芯62的每一侧上的材料涂层66。在其它实施例中，垫片50可以具有用于强度设计的非金属芯。当垫片50具有非金属芯时，可以不需要材料涂层66来进行电隔离。在一个示例性实施例中，材料涂层66是介电材料。材料涂层66可以包括密封材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)或其它含氟聚合物，以在密封元件58失效的情况下允许涂层材料用作二次密封。在另一方面，涂层材料66可以是共聚物PTFE，例如PFTE和聚氟乙烯(PFE)的复合材料。当材料涂层66是介电材料时，保持环54在法兰70之间提供电隔离。法兰70连接管段74，并且包括可以容纳螺栓和螺母装配(例如上述螺栓18和螺母32)或用于在压缩装载下将接头部件耦接在一起的其它装置的轴向孔78。为了有助于电隔离，隔离套管22可以与隔离垫圈26一起提供，以将法兰70紧固在一起，其方式类似于上文参考图1和2所述的方式。或者，螺栓18和螺母32可由电惰性材料制成。如现在可以理解的，在阅读本公开内容并查看附图时，密封元件58包括介电材料或非导电材料，例如上述PTFE或其它含氟聚合物，仅举两种用于密封元件58的可能组合物。
在图3的实施例中，内直径密封元件58和保持环54包括一个或多个锁定机构55，其有助于将内直径密封元件58固定至保持环54。通常，锁定机构55包括在保持环54上的第一部分和在密封元件58上的第二部分，它们耦接以在两个部分之间提供锁定。在本申请中描述的锁定机构55可以在密封元件58和保持环54之间互换，尽管其特征可能仅在其中一个中描述。图4示出了该实施例的内直径密封元件58的横截面，图5示出了该实施例的保持环54的横截面。在图4和图5所示的示例性实施例中，保持环54包括径向锁定元件82和轴向锁定元件86。如本文所使用的，径向方向是沿接头的横截面的半径的方向，并且轴向方向是沿着与接头相关联的介质流动方向。内直径密封元件58包括互补的径向锁定特征90和轴向锁定特征94。以这种方式，径向锁定元件82和互补的径向锁定特征90互锁，以帮助内直径密封元件58保持至保持环54并防止两者之间的相对径向运动。在没有径向锁定特征的现有设计中，流线内的压力变化可能潜在地导致内直径密封件与相关联的保持构件脱层并被拉入流线中，导致在法兰接头处的密封损失以及可能的其他不期望后果。轴向锁定元件86和互补的轴向锁定特征94也互锁，以帮助内直径密封元件58保持至保持环54并防止两者之间的轴向移动。在该实施例中，径向锁定元件82和互补的径向锁定特征90通过倾斜表面或楔形表面互锁，使得：为了使径向锁定元件82和径向锁定特征90脱离，密封元件58将需要相对于保持环54沿轴向方向运动。轴向锁定元件86和轴向锁定特征94用于防止这种运动，从而帮助内直径密封元件58保持与保持环54啮合，这也减小了内直径密封元件58和保持环54之间的脱层趋势。以这种方式，内直径密封元件58和保持环54之间的互补的径向和轴向锁定机构有助于防止密封件在压力变化期间侵入孔中，该压力变化例如为负压、快速减压或来自流经管段74的介质的抽吸。
内直径密封元件58可以由多种密封材料中的任一种形成。在示例性实施例中，密封元件58由通过保持环54保持在适当位置的化学惰性材料(例如PTFE)构成。在一个实施例中，内直径密封元件58由PTFE材料的坯料机械加工而成，但是可以使用其它类型的材料，例如橡胶或其它类型的弹性体材料。此外，代替机械加工，可以使用其它形成方法来模制、挤压或形成PTFE。在图3和图4的实施例中，内直径密封元件58密封件的内表面形成为V形构造，其被压力激活并且在法兰70之间实现管道介质密封。换言之，内直径密封元件具有形成V形或凹形的内径向表面，使得被密封的介质的压力提供密封力，该密封力趋向于拉直内径向表面并导致施加密封力。当然，内直径密封元件58可以具有任意数量的不同的构造中的一个，其提供了不同于V形或凹形的管道介质的密封，并且在图7A至7C中示出了这种V形或凹形构造的几个示例。本领域技术人员将容易地认识到，内直径密封元件58可以基于要使用密封件的特定应用来选择各种其它构造。
保持环54可以由多种不同的材料构成，例如聚酰亚胺、玻璃增强环氧树脂、碳钢、不锈钢，或与粘结在任一侧上的层压材料组成的“三明治”型钢，例如在图3和5中示出的。可以理解的是，保持环54被显示为具有平坦的相对的表面。在一些方面，保持环54可以用作二次密封件，在这种情况下，轮廓可以是凸轮轮廓，其包括一系列脊部和凹槽或与图3所示的相对平坦的法兰表面相对的凸形表面。
保持环54可以被机械加工、模制或以其它方式成形为具有与内直径密封元件58的外表面对应的形状，以容纳内直径密封元件58的互锁特征。保持环54可以具有足够的外直径以定位于法兰70的螺栓上。因此，为了对准保持环54并因此对准内直径密封元件，保持环54被容纳在螺栓18上(具有或不具有隔离套管22)。在这种情况下，保持环54用作垫片扶正器，以确保垫片50被恰当地对准法兰孔。在一个示例性实施例中，保持环54与法兰70面中的一个面对准，然后在通过轴向孔78将法兰70与螺栓固定在一起之前将内直径密封元件58装配到保持环54上形成垫片50，以便产生作用于内直径密封元件58的侧面上的座应力，从而防止介质从装配中逸出。如果需要电隔离，则会在包装中包括隔离套管和垫圈，类似于上文参照图1和2描述的。
在本文公开的技术的某些方面中，保持环54可以包括一个或多个容纳二次密封元件和/或压缩限制器的凹槽。示例性实施例的保持环100在图6中示出。在该实施例中，保持环100，类似于保持环54，具有金属芯62和在金属芯62的每一侧上的材料涂层66，以在流线中的法兰之间提供电隔离。保持环100包括位于保持环100的至少一侧、并且在一些方面中如图6所示位于两侧上的凹槽104。注意，示例性实施例中的凹槽104被显示为在径向上垂直对准。在某些方面，凹槽104可以在径向方向上偏移。二次密封元件，诸如O形环、E形密封件、弹簧蓄能PTFE唇形密封件等，可以被放置在一个或多个凹槽104中，以提供二次，或故障保护密封，以在内直径密封元件58失效的情况下防止泄漏。在一些实施例中，二次密封元件是金属密封件，并且压缩限制器被放置在凹槽104中，类似于在上述美国专利第7,976,074号中描述的，该专利的全部公开内容通过引用并入本文，如同全部列出一样。凹槽104的轴向延伸侧105可以以大约75至90度之间的角度倾斜，例如如图6所示的径向向外侧105。这种倾斜表面增强了可以被设置在一个或两个凹槽104中的唇形密封件的保持，使得在介质向唇形密封件施加压力时，密封件受压抵靠倾斜凹槽104的内侧表面并因此被压入凹槽104中。如将理解的，图6实施例的尺寸是示例性的，并且在各种不同的应用中可以使用其它合适的尺寸，这对于本领域技术人员而言将是显而易见的。在非故障操作中，包括保持环54或100的垫片50被安装在接头中，其中内直径密封元件58将介质容纳在接头内。在密封元件58的一次密封件失效的情况下，位于凹槽104中的二次密封件可以有助于将介质容纳在接头内。
如上所述，本公开的实施例提供内直径密封件和保持环，它们被互锁以防止两者之间的相对移动。本领域技术人员将容易地认识到，密封件和保持环之间的锁定机构可以采用各种不同的构造。例如，图8A至8D示出了可用于防止内直径密封元件和保持环之间的轴向运动的各种不同构造。图9A至9C示出了可用于防止内直径密封元件和保持环之间的径向运动的各种不同构造。应当理解，可以使用这些示出特征以及其它构造的任意组合来增强保持环和内直径密封元件的物理锁定。在各种实施例中，垫片密封件，例如所描述的类型，包括保持环和密封元件之间将两者固定在一起的粘合剂。
具有弯曲或锥形表面的保持环54，例如具有凹形形状的轴向锁定元件86和具有锥形或成角度形状的径向锁定元件82、连同凸起配合轴向锁定元件86的轴向锁定特征94和作为与径向锁定元件82配合的楔形物的径向锁定特征90被提供为部分地抑制内直径密封元件在减压或热变化所导致的密封件膨胀期间向内屈曲。如图4和5所示，轴向和径向锁定元件和特征的相互作用提供了抵抗运动的不太理想的反作用矢量，这可能导致垫片的脱层等。如图所示，成角度的反作用矢量的角度将为约45度，而凹槽和珠形反作用矢量将在偏离垂直方向的某处切线处。现在参考图10和图11，提供了保持环200(图10)和内直径密封元件250(图11)。如下文将解释的，由于反作用矢量垂直于运动方向，所以锁定元件和特征的垂直和水平布置提高了抵抗相对运动的阻力。
具体参考图10，其更详细地示出了保持环200。保持环200具有高度Hr，其将在下文进一步说明。保持环200包括芯材料202，例如金属或弹性材料，以及涂覆在芯材料202的相反侧上的表面材料204(1)、204(2)，但是在某些方面中不在任一侧涂覆芯材料202或仅涂覆其一侧。涂层材料可以是之前提到的任何材料。
保持环200提供径向锁定元件206。径向锁定元件206包括形成在金属芯202中的矩形凹部208。凹部208形成在金属芯202中，其位于从芯内表面210向外一径向距离处，以形成围绕金属芯202的内圆周的内边缘212。
如图10所示，保持环200还包括轴向锁定元件214。轴向锁定元件214是形成在邻近径向锁定元件206的表面材料204中的矩形凹槽216。在该示例性实施例中，矩形凹槽216形成为围绕第一材料内表面218的圆周，位于距离芯材料一轴向距离处，以形成搁置在芯材202上的腿部220。第一材料内表面218形成在表面材料204(1)中。第二材料内表面222形成在芯材料202的相反侧上的表面材料204(2)中。第一材料内表面218从第二材料内表面222沿径向向外偏移。第二材料内表面222与芯内表面210对准。第一材料内表面218从第二材料内表面222沿径向向外偏移的偏移距离为内边缘212的距离加上形成在金属芯202中的凹部208的距离。
具体参考图11，其更详细地示出了内直径密封元件250。内直径密封元件250具有大于Hr的高度Hs。将内直径密封元件250的高度设置为具有大于保持环200的高度Hr的高度Hs提供了许多益处。一个益处涉及确保通过相对的法兰表面压缩内直径密封元件250，以有助于形成可靠密封。另一个益处包括提供受控的压缩膨胀。换言之，当轴向被压缩时，内直径密封元件250倾向于径向膨胀。保持环200抑制向外的径向膨胀，使得内直径密封元件250倾向于向内径向膨胀。向内径向膨胀减小体积孔隙比，使得密封孔与接头孔具有更接近的尺寸对准，这提高了耐腐蚀性(仅例举一个益处)。内直径密封元件250具有内表面252。内表面252是如上所述的V形形状，使得介质对内表面252上施加的压力如箭头A所示，该力倾向于使内直径密封元件250抵靠法兰(图10和11中未示出)设置。V形形状或大致凹形的形状等可以被认为是一种表面，其向内会聚到表面内部的点，在现在这种情况下是中心点。
内直径密封元件250具有锁定部254，该锁定部254包括对应于保持元件202的径向锁定元件206和轴向锁定元件214的部分。锁定部254包括钩在上述边缘212周围的钩256。钩256可以被认为是用于本技术的该方面的径向锁。锁定部254的钩256包括共同形成凹部262的腿部258和唇部260。凹部262的尺寸设计成适合内边缘212。腿部258的尺寸设计成适合在矩形凹部208内设置。唇部260沿着芯内表面210和第二材料内表面222延伸。在一个方面，通过表面对表面接触来抵抗向内的径向运动。
锁定部254还包括轴向锁定突起264。轴向锁定突起264的尺寸设计成适合在矩形凹槽216内设置并且通常从腿部258突出而不是从唇部260突出。轴向锁定突起264形成周向搁置表面264s，其邻接矩形凹槽216的至少一个壁。如图所示，轴向锁定突起264形成为具有三角形横截面的楔形物。楔形形状有助于轴向锁定突起264与矩形凹槽216啮合。周向搁置表面264s通常面向下游，以提供对轴向运动的表面对表面的抵抗。楔形形状有助于轴向锁定突起264的插入，但是轴向锁定突起264可以具有设计成配合地适配到矩形凹槽216中的形状，例如为块状。
如本领域技术人员将会理解的，一些行业(例如石油和天然气行业)利用许多英里的连接金属管道，其例如经受穿过管道和横跨管道中的金属-金属法兰连接的天然电流流动，其导致法兰连接以类似于电池端子的方式发生腐蚀并增加腐蚀。用于本发明实施例的隔离垫片中断了穿过管道的电流流动，并防止法兰以利用金属-金属密封件的情形中其会经历的方式发生腐蚀和增加腐蚀。
制造用于本发明实施例的垫片材料的方法涉及将介电衬里材料以大片材形式粘合到金属基材的两侧，以确保层压的均匀性。根据这种方法，随后使用水射流从大片材中切割下用于垫片的适当尺寸的I.D和O.D.圆，并且在切下的圆形垫片材料的内直径圆上形成锁定元件，例如，利用安装在车床上的圆形垫片材料。所得到的用于本发明实施例的隔离垫片具有利用具备优异耐腐蚀性能的不锈钢芯制成的金属垫片的稳定性和/或刚性，而层压到垫片相反表面上的玻璃增强环氧树脂提供了优异的绝缘性能，并且锁定元件提供了内直径密封件可以与其互锁。在使用用于二次密封元件的凹槽的实施例中，也可以使用车床将凹槽切割成圆形垫片材料。
提供对所公开的实施例的前述描述是为了使本领域技术人员能够制造或使用本发明。对这些实施例的各种修改方案对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明精神或范围的情况下本文定义的一般性原理可以被应用于其他实施例。因此，本发明并非旨在被限制于本文所示的实施例，而是符合与本文公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。
Claims (20)
1.一种用于流线中的接合件之间的密封装置，所述流线可操作用于将流体容纳于其中，包括：
(A)保持环，其具有相对侧表面和形成在其中的内直径开口，所述保持环包括：
(i)轴向锁定特征，其在所述内直径开口上形成周向凹槽，和
(ii)径向锁定特征，其围绕所述内直径开口形成周向边缘；和
(B)具有内密封表面、外密封表面和锁定部的内直径密封元件，所述锁定部包括：
(i)与所述轴向锁定特征配合地啮合的轴向锁定突起，和
(ii)与所述径向锁定特征配合地啮合的钩，
其中所述轴向锁定突起与所述轴向锁定特征以及所述钩与所述径向锁定特征的配合地啮合基本上防止了所述保持环和所述内直径密封元件之间的相对轴向和径向运动。
2.根据权利要求1所述的垫片密封装置，其中所述内直径密封元件具有第一高度，并且所述保持环具有小于所述第一高度的第二高度，以允许所述内直径密封件的压缩。
3.根据权利要求1所述的垫片密封装置，其中所述保持环包括具有相对侧表面的金属芯和设置在所述相对侧表面中的至少一个上的介电材料层。
4.根据权利要求3所述的垫片密封装置，其中所述介电材料层被设置在金属芯材料的两个相反侧表面上。
5.根据权利要求1所述的垫片密封装置，其中所述保持环包括金属芯和设置在每个所述相对侧表面上的表面材料层，其中所述表面材料层形成二次密封。
6.根据权利要求1所述的垫片密封装置，其中所述保持环由聚酰亚胺材料形成。
7.根据权利要求1所述的垫片密封装置，其中所述保持环还包括形成在每个所述相对侧表面上的凹槽和设置在每个所述凹槽中的二次密封元件。
8.根据权利要求3所述的垫片密封装置，其中所述轴向锁定特征的所述周向凹槽是仅形成在所述金属芯的一侧上的所述介电材料层中的矩形凹槽，并且其中所述轴向锁定突起包括延伸到所述矩形凹槽中的楔形突起。
9.根据权利要求1所述的垫片密封装置，其中所述钩包括腿部和唇部，使得在所述腿部和所述唇部之间形成凹部，并且所述凹部的尺寸设计成与所述周向边缘配合地啮合。
10.根据权利要求1所述的垫片密封装置，其中所述内密封表面包括被压力激活的向内会聚的表面。
11.一种用于在相对的法兰表面之间的接头处使用的垫片装配，包括：
(A)保持环，其包括具有芯内表面、第一侧表面、和与所述第一侧表面相对的第二侧表面的芯材料、涂覆所述第一侧表面的第一表面材料层和涂覆所述第二侧表面的第二表面材料层，其中：
(i)所述芯材料包括在所述第一侧表面中的凹部，其中所述凹部形成内直径周向边缘，
(ii)所述第一表面材料层包括在所述第一材料内表面中的周向凹槽，其中所述第一材料内表面位于所述芯内表面的径向外侧，以及
(iii)所述第二表面材料层包括与所述芯内表面基本上对准的第二材料内表面；和
(B)密封元件，其具有内密封表面、外密封表面、钩、和轴向锁定突起，其中：
(i)所述钩包括形成凹部的腿部和唇部，其中所述凹部配合地啮合所述周向边缘以防止所述保持环和所述密封元件之间的相对径向运动；和
(ii)所述轴向锁定突起从所述钩的腿部延伸并且配合地啮合所述周向凹槽，以防止所述保持环和所述密封元件之间的相对轴向运动。
12.根据权利要求11所述的垫片密封装置，其中所述保持环由聚酰亚胺材料形成。
13.根据权利要求11所述的垫片密封装置，其中所述保持环还包括：
形成在所述金属芯的第一和第二表面上以及在所述第一表面材料层和所述第二表面材料层中的凹槽；和
设置在每个所述凹槽中的二次密封元件。
14.根据权利要求11所述的垫片密封装置，其中所述内密封表面包括被压力激活的向内会聚的表面。
15.一种隔离系统，其提供接合法兰件之间的接合面，每个接合法兰件具有内表面和外表面，包括：
垫片密封件，其包括：(A)保持环，其具有相对侧表面和形成在其中的内直径开口，所述保持环具有：(i)包括在所述内直径开口上形成的矩形凹槽的轴向锁定特征，和(ii)包括在所述内直径开口上形成的矩形凹部和边缘的径向锁定特征；和(B)具有内密封表面和外密封表面的密封元件，所述外密封表面包括：(i)与所述矩形凹槽啮合的轴向锁定构件，和(ii)与所述矩形凹部和所述边缘啮合的径向锁定构件，其中所述轴向锁定特征和所述径向锁定特征配合地啮合以基本上防止所述保持环和所述密封元件之间的相对轴向和径向运动；
容纳在形成于每个接合法兰件中的对准孔中的至少一个绝缘套管，所述套管的长度基本上等于其间插入所述垫片密封件的所述接合法兰件的外表面之间的距离；
具有相对端部的至少一个细长金属紧固件，所述紧固件容纳在所述绝缘套管中，用于将接合法兰件彼此连接，所述垫片密封件被插入所述接合法兰件之间；和
至少一个绝缘垫圈，其容纳在所述至少一个细长金属紧固件上，所述至少一个细长金属紧固件邻接所述法兰件外表面中的至少一个的。
16.根据权利要求15所述的隔离系统，其中所述金属紧固件还至少包括螺母和配有螺纹以将所述螺母接纳在所述相对端部中的至少一个上的金属轴。
17.根据权利要求15所述的隔离系统，其中所述保持环还包括形成在每个所述相对侧表面上的凹槽和设置在每个所述凹槽中的二次密封元件。
18.根据权利要求15所述的隔离系统，其中所述径向锁定特征包括形成在所述保持环中的楔形凹部，并且所述径向锁定构件包括延伸到所述楔形凹部中的互补的楔形突起。
19.根据权利要求15所述的隔离系统，其中所述轴向锁定特征包括形成在所述保持环中的半圆形凹部，并且所述轴向锁定构件包括延伸到所述半圆形凹部中的互补的半圆形突起。
20.根据权利要求15所述的隔离系统，其中所述内密封表面包括V形的压力激活表面。
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