CN110185798B - 一种自密封式合金双波纹密封复合垫片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自密封式合金双波纹密封复合垫片，包括上下同轴叠置的第一金属波纹环片、限位金属环片和第二金属波纹环片，限位金属环片包括环片本体，环片本体的外圆边缘设有上凸缘和下凸缘，环片本体的表面设有通过环片本体中心的沟槽，第一金属波纹环片的外侧边与上凸缘的内壁接触，第二金属波纹环片的外侧边与下凸缘的内壁接触，上凸缘高度小于第一金属波纹环片的波纹振幅值，下凸缘高度小于第二金属波纹环片的波纹振幅值，第一金属波纹环片的上侧和第二金属波纹环片的下侧设有表面覆盖层。通过上述方式，本发明所述的自密封式合金双波纹密封复合垫片，结构简洁，解决了介质压力升高导致密封垫片密封性能下降的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种法兰密封垫片，特别是涉及一种自密封式合金双波纹密封复合垫片。
背景技术
管道、压力容器和换热器等工业过程设备中，密封垫片随处可见。使用密封垫片不仅可以保持设备的密封性能，还能解决连接件的磨损问题。随着科学技术的进步，过程工业装置日趋参数化和大型化，新的工艺不断出现，特别是石化行业、化工行业以及大型电站的兴起，过程装备向着高温、高压、高真空、深冷和大型化发展，对垫片的要求也越来越严格。因此，一些传统的密封材料和结构已不能满足系统和装备日趋严格的密封性要求。
目前常见的工业复合密封垫片主要有金属缠绕垫片、金属齿形复合垫片、金属包覆垫片等。法兰的密封原理极其简单：螺栓的两个密封面相互挤压法兰垫片并形成密封，但这同时也导致密封的破坏。为了保持良好的密封性能，使用垫片即可以弥补法兰连接面的微观不规则处，但是仍然会出现泄漏问题，比如垫片材料造成的垫片龟裂、变质和腐蚀等，还有因长时间的工作螺栓会伸长变形造成预紧力不足，这就对法兰垫片的压缩回弹性能和材料特性有极高的要求。
现有的法兰联接中，在介质压力进入设备后会形成相应轴向力，此轴向力会使法兰联接中的螺栓力和密封垫片应力都会发生变化。螺栓力会随着内压升高而升高，而密封垫片应力则随内压升高而减少，因此随着介质压力的身高，密封垫片的密封性能会产生一定的下降，需要改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种自密封式合金双波纹密封复合垫片，解决现有法兰密封技术中介质压力升高导致密封垫片应力减小而影响密封性能的问题。
本发明的技术方案是这样的：一种自密封式合金双波纹密封复合垫片，包括：上下同轴叠置的第一金属波纹环片、限位金属环片和第二金属波纹环片，所述限位金属环片包括环片本体，所述环片本体的外圆边缘设有上凸缘和下凸缘，所述环片本体的上表面和下表面分别设有通过所述环片本体中心的沟槽，所述第一金属波纹环片与所述环片本体的上表面接触，所述第二金属波纹环片与所述环片本体的下表面接触，所述第一金属波纹环片的外侧边与所述上凸缘的内壁接触，所述第二金属波纹环片的外侧边与所述下凸缘的内壁接触，所述上凸缘高度小于所述第一金属波纹环片的波纹振幅值，所述下凸缘高度小于所述第二金属波纹环片的波纹振幅值，所述第一金属波纹环片的上侧和第二金属波纹环片的下侧设有表面覆盖层。
优选地，所述沟槽为直线沟槽且沿环片本体径向设置。
优选地，所述环片本体上表面及下表面的沟槽分别为两条且垂直交叉分布。
优选地，所述第一金属波纹环片的截面波形的波峰与所述第二金属波纹环片的截面波形的波谷相对，所述第一金属波纹环片的截面波形的波谷与所述第二金属波纹环片的截面波形的波峰相对。
优选地，所述表面覆盖层为柔性石墨层或者聚四氟乙烯层，也可采用其他覆盖层材料。
优选地，所述第一金属波纹环片和第二金属波纹环片为镍钛合金波纹环片，也可采用其他合金材料。
优选地，所述限位金属环片采用碳钢或不锈钢限位金属环片。
优选地，所述第一金属波纹环片和第二金属波纹环片的公称直径波纹数为4～6个，波纹振幅值为0.3～0.5mm。
优选地，所述第一金属波纹环片和第二金属波纹环片的厚度为0.3～0.5mm。
优选地，所述环片本体、上凸缘和下凸缘呈截面为H形的一体化结构。
本发明的工作原理是：
把自密封式合金双波纹密封复合垫片（以下部分内容中简称为复合垫片）放在被联接的两法兰之间，在预紧法兰时通过拧紧联接螺栓将复合垫片压紧，并在复合垫片表面形成相应的压紧力即垫片应力，此垫片应力达到一定值时就会使法兰联接处密封。在操作状态下，受力虽然与现有的法兰联接一样，例如在介质压力进入设备后会形成相应轴向力，此轴向力会使法兰联接中的螺栓力和垫片应力都会发生变化，其中，螺栓力会随着内压升高而升高，而垫片应力则随内压升高而减少，但与此同时，介质压力会通过限位金属环片的沟槽渗透进入第一金属波纹环片、第二金属波纹环片与限位金属环片的缝隙，进入缝隙处的压力作用于第一金属波纹环片、第二金属波纹环片的内侧，使第一金属波纹环片、第二金属波纹环片分别向外压向相应的法兰面，从而在复合垫片的外表面与法兰面之间形成附加的垫片应力，此附加的垫片应力可以达到介质压力。
由于附加垫片应力的存在使原来因介质压力升高或者其他原因而减少的垫片应力得到补偿，因而其密封性能也就优于现有的其他普通垫片。附加垫片应力是由设备或管道系统内的介质压力形成的，介质压力越高，附加垫片应力也越大，密封也就容易得到保证。
本发明所提供的技术方案的有益效果是：通过沟槽的设计，引导介质进入第一金属波纹环片、第二金属波纹环片与限位金属环片的缝隙，对因介质压力引起的垫片应力减小做了补偿，具有压力自密封特性，系统内的介质压力越高，其密封性能越好，从而克服了现有垫片因系统内的介质压力升高而引起密封性能降低的不足，第一金属波纹环片和第二金属波纹环片对称的设计具有更好地压缩回弹性能，进一步保证密封性能，整体结构简洁，易于制造。
附图说明
图1为本发明自密封式合金双波纹密封复合垫片的结构示意图。
图2为图1中限位金属环片的俯视结构示意图。
图3为图2的A-A向剖视示意图。
图4为对比例结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例：
请参见图1至图3所示，本实施例涉及的自密封式合金双波纹密封复合垫片包括：上下同轴叠置的第一金属波纹环片1、限位金属环片2和第二金属波纹环片3，第一金属波纹环片1、限位金属环片2和第二金属波纹环片3都设有中央通孔而呈环状，中央通孔有利于流体的通过。
限位金属环片2为碳钢或不锈钢制成，其结构包括环片本体，环片本体的外圆边缘分别设有凸起于上表面的上凸缘2a和凸起于下表面的下凸缘2b，环片本体、上凸缘2a和下凸缘2b呈截面为H形的一体化结构，结构牢固。
环片本体的上表面和下表面分别设有通过环片本体中心的沟槽2c，该沟槽2c为直线沟槽且沿环片本体径向设置，环片本体上表面及下表面的沟槽2c分别为两条，且垂直交叉分布。
第一金属波纹环片1和第二金属波纹环片3的截面波形都为正弦波，材质都采用镍钛合金，第一金属波纹环片1与环片本体的上表面接触，第一金属波纹环片1的外侧边与上凸缘2a的内壁接触，即第一金属波纹环片1是嵌在了环片本体的上表面。相似的，第二金属波纹环片3与环片本体的下表面接触，第二金属波纹环片3的外侧边与下凸缘2b的内壁接触，层层密封。
上凸缘2a高度小于第一金属波纹环片1的波纹振幅值H，同时下凸缘2b高度也小于第二金属波纹环片3的波纹振幅值，使得第一金属波纹环片1和第二金属波纹环片3受压时产生垫片应力。
第一金属波纹环片1的上侧和第二金属波纹环片3的下侧设有表面覆盖层4。表面覆盖层4可以是柔性石墨层、聚四氟乙烯层或者其他材料，采用柔性石墨层、聚四氟乙烯层作为表面覆盖层4时，其与第一金属波纹环片1、第二金属波纹环片3接触的一面可以设置成波浪形以配合第一金属波纹环片1和第二金属波纹环片3的结构，确保密封性能。
第一金属波纹环片1和第二金属波纹环片3在限位金属环片2的上下呈对称布置，即第一金属波纹环片1的截面波形的波峰与第二金属波纹环片3的截面波形的波谷相对，第一金属波纹环片1的截面波形的波谷与第二金属波纹环片3的截面波形的波峰相对。第一金属波纹环片1和第二金属波纹环片3的公称直径波纹数为4～6个，图1所示的实施例中选择5个，波纹振幅值H为0.3～0.5mm，图1所示的实施例中波纹振幅值H选择为0.4mm，第一金属波纹环片1和第二金属波纹环片3的厚度t为0.3～0.5mm，本实施例中，厚度t选择0.3mm。
图4的对比例中，采用现有技术中的密封垫片结构，双层金属骨架100的波峰与波峰相对，波谷与波谷相对，双层金属骨架100每层的厚度为0.3mm，由不锈钢制成。双层金属骨架100之间的石墨填充层101厚度为0.1mm，双层金属骨架101的外侧为石墨包覆层102，其最薄处厚度为0.1mm。
通过ANSYS软件对实施例及对比例的垫片的回弹性能进行仿真分析发现，本实施例垫片在60MPa压力作用下回弹率达到了55.73%，远高于对比例垫片，详见下表：
| 总载荷/MPa | 实施例回弹率 | 对比例回弹率 |
| 60 | 55.73% | 18.39% |
通过ANSYS软件模拟垫片在法兰中的使用情况发现，载荷为60MPa，介质压力为10MPa时，限位金属环片2（具有沟槽结构）与第一金属波纹环片1的平均压应力为64 MPa，而限位金属环片（不具有沟槽结构）与第一金属波纹环片的平均压应力为57 MPa，由此可见该垫片具有自密封性能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种自密封式合金双波纹密封复合垫片，其特征在于，包括：上下同轴叠置的第一金属波纹环片、限位金属环片和第二金属波纹环片，所述限位金属环片包括环片本体，所述环片本体的外圆边缘设有上凸缘和下凸缘，所述环片本体的上表面和下表面分别设有通过所述环片本体中心的沟槽，所述第一金属波纹环片与所述环片本体的上表面接触，所述第二金属波纹环片与所述环片本体的下表面接触，所述第一金属波纹环片的外侧边与所述上凸缘的内壁接触，所述第二金属波纹环片的外侧边与所述下凸缘的内壁接触，所述上凸缘高度小于所述第一金属波纹环片的波纹振幅值，所述下凸缘高度小于所述第二金属波纹环片的波纹振幅值，所述第一金属波纹环片的上侧和第二金属波纹环片的下侧设有表面覆盖层，所述沟槽为直线沟槽且沿环片本体径向设置，所述限位金属环片为碳钢或不锈钢限位金属环片，所述环片本体、上凸缘和下凸缘呈截面为H形的一体化结构。
2.根据权利要求1所述的自密封式合金双波纹密封复合垫片，其特征在于，所述环片本体上表面及下表面的沟槽分别为两条且垂直交叉分布。
3.根据权利要求1所述的自密封式合金双波纹密封复合垫片，其特征在于，所述第一金属波纹环片的截面波形的波峰与所述第二金属波纹环片的截面波形的波谷相对，所述第一金属波纹环片的截面波形的波谷与所述第二金属波纹环片的截面波形的波峰相对。
4.根据权利要求1所述的自密封式合金双波纹密封复合垫片，其特征在于，所述表面覆盖层为柔性石墨层和聚四氟乙烯层。
5.根据权利要求1所述的自密封式合金双波纹密封复合垫片，其特征在于，所述第一金属波纹环片和第二金属波纹环片为镍钛合金波纹环片。
6.根据权利要求1所述的自密封式合金双波纹密封复合垫片，其特征在于，所述第一金属波纹环片和第二金属波纹环片的公称直径波纹数为4～6个，波纹振幅值为0.3～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的自密封式合金双波纹密封复合垫片，其特征在于，所述第一金属波纹环片和第二金属波纹环片的厚度为0.3～0.5mm。
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