CN110985783A - 一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构 - Google Patents

Abstract

一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，包括榫面法兰、柔性石墨金属波齿复合垫片、金属限位环、槽面法兰，通过复合垫片结构的设计，对漏率、内部流道长度进行了严格规范的设计，大大增强了密封效果，能够从定量控制、多道冗余、温度自紧等先进密封要求从发，满足深低温推进剂管路及其他系统的连接与密封要求，适用于火箭及导弹管路系统的连接与密封。

Description

一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构

技术领域

本发明涉及一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，属于柔性石墨密封技术领域。

背景技术

柔性石墨密封技术是近年来较为成熟并广泛采用的密封技术，经过深加工的柔性石墨是一种非常优异的密封材料，通过制成各种石墨垫圈和垫片起到密封各种部件的作用，优质的柔性石墨密封材料能够耐高温、耐深冷、抗腐蚀和热膨胀率低等优点，可以用于航天、航空、化工、石油、电力等行业的高低温流体密封。

在传统的石墨密封结构件中，存在密封定量控制困难、密封泄漏通道短、无冗余性能等缺点，容易导致密封状态评估困难、密封效果差等问题，最终导致密封结构失效、泄漏。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统的石墨密封结构件容易出现的密封泄漏通道短、无冗余性能等问题及密封过程中存在的密封定量控制困难，提出了一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，包括榫面法兰、柔性石墨金属波齿复合垫片、金属限位环、槽面法兰，所述榫面法兰、槽面法兰为对称L型环状结构，榫面法兰与槽面法兰匹配对接并通过紧固螺钉固定形成法兰密封结构，并套装于上下两段推进剂管路连接处外侧，用于对管路对接处进行进一步密封的柔性石墨金属波齿复合垫片安装于榫面法兰与槽面法兰对接面上密封槽内，防止紧固密封过程中柔性石墨金属波齿复合垫片挤压损坏的金属限位环设置于榫面法兰与槽面法兰匹配对接面外侧，对榫面法兰与槽面法兰进行限位以控制柔性石墨金属波齿复合垫片压缩量，柔性石墨金属波齿复合垫片在压紧过程中挤压变形以实现推进剂密封。

所述柔性石墨金属波齿复合垫片包括柔性石墨层、金属波齿骨架，所述柔性石墨层包裹于金属波齿骨架上下两侧对金属波齿骨架进行保护，当进行密封时，柔性石墨层、金属波齿骨架产生形变直至柔性石墨层与金属限位环接触。

所述金属波齿骨架上设置有N个金属波齿，所述金属波齿包括波齿顶端、圆弧曲杆，获取波齿顶端在压紧过程中受到压缩预紧力F与金属波齿顶端沿压缩预紧力F方向形变位移L的关系式的具体步骤为：

(1)获取圆弧曲杆任意截面弯矩M与压缩预紧力F的关系式，具体为：

式中，R为该金属波齿齿弧半径，θ为圆弧曲杆任意截面处与端部支点围成的圆心角；

(2)计算曲杆在压缩预紧力F作用下曲杆变形能U及金属波齿在压缩预紧力F作用下变形做功W，具体为：

式中，E为材料的弹性模量，I为曲杆的截面惯性矩；

(3)根据能量法定律确定压缩预紧力F与金属波齿顶端沿压缩预紧力F方向形变位移L的关系式，具体为：

W＝U

。

所述金属波齿数量N确定方法具体步骤为：

(1)根据密封过程中推进剂介质及柔性石墨金属波齿复合垫片内外侧压力确定柔性石墨金属波齿复合垫片漏率；

(2)根据步骤(1)所得漏率数据确定柔性石墨金属波齿复合垫片内泄漏通道长度；

(3)根据步骤(1)、步骤(2)所得数据获取金属波齿数N与漏率及泄漏通道长度的关系式。

所述柔性石墨金属波齿复合垫片漏率的确定公式具体为：

式中，L_VL、L_VG分别为流动介质为液体、气体时柔性石墨金属波齿复合垫片漏率，P₁、P₂分别为柔性石墨金属波齿复合垫片内、外侧的压力。H为泄漏通道深度、L为泄漏通道宽度、η为介质粘度、C为常数、b为泄漏通道长度。

所述柔性石墨金属波齿复合垫片内泄漏通道长度b的确定公式具体为：

式中，b_L、b_G分别为流动介质为液体、气体时柔性石墨金属波齿复合垫片内泄漏通道长度。

所述金属波齿数N与漏率及泄漏通道长度的关系式具体为：

当推进剂介质为液体时，金属波齿数N的确定方法为：

当推进剂介质为气体时，金属波齿数N的确定方法为：

柔性石墨波齿复合垫片密封结构采用法兰连接，法兰之间设置金属限位环对柔性石墨波齿复合垫片的压缩量进行精确控制；柔性石墨波齿复合垫片规格为DN20～DN600；垫片由金属波齿骨架与柔性石墨复合而成；金属波齿骨架常采用采用0Cr18Ni9、GH4169、5A06等材料加工；金属波齿齿数通常在2～5个。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，通过复合垫片结构的设计，对漏率、内部流道长度进行了严格规范的设计，大大增强了密封效果，能够从定量控制、多道冗余、温度自紧等先进密封要求从发，满足深低温推进剂管路及其他系统的连接与密封要求，具有耐深冷、高可靠、密封漏率极低特点。

附图说明

图1为发明提供的密封结构主视图；

图2为发明提供的柔性石墨金属波齿复合垫片结构图；

图3为发明提供的波齿顶端结构图；

图4为发明提供的复合垫片的内部流道结构图；

具体实施方式

一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，用于对推进剂输送管路进行对接端口密封防漏，如图1所示，主要包括榫面法兰、柔性石墨金属波齿复合垫片、金属限位环、槽面法兰，图中标号对应分别为：1-榫面法兰、2-柔性石墨金属波齿复合垫片、3-金属限位环、4-槽面法兰、5-紧固螺钉，榫面法兰、槽面法兰均为边缘为L型的对称环状结构，两种法兰通过底面对接匹配连接，中空部分供上下两端管路对接，榫面法兰与槽面法兰通过紧固螺钉固定形成法兰密封结构，并套装于上下两段推进剂管路连接处外侧。

在榫面法兰、槽面法兰对接面设置有密封槽，柔性石墨金属波齿复合垫片设置于密封槽内，对管路对接处进行进一步密封；在推进剂管路连接处进行密封时，性石墨金属波齿复合垫片在压紧过程中挤压变形以实现推进剂密封，为防止过度挤压损害复合垫片，在榫面法兰与槽面法兰匹配对接面外侧设置有金属限位环，对对榫面法兰与槽面法兰进行限位以控制柔性石墨金属波齿复合垫片压缩量，保证密封效果的同时避免垫片损坏。

柔性石墨金属波齿复合垫片为复合结构，包括柔性石墨层、金属波齿骨架，金属波齿骨架上设置有N个金属波齿，金属波齿包括波齿顶端、圆弧曲杆，柔性石墨层包裹于金属波齿骨架上下两侧对金属波齿骨架进行保护，当进行密封时，柔性石墨层、金属波齿骨架产生形变直至柔性石墨层与金属限位环接触。

其中，波齿顶端在压紧过程中受到压缩预紧力F与金属波齿顶端沿压缩预紧力F方向形变位移L的关系式的具体步骤为：

(1)获取圆弧曲杆任意截面弯矩与压缩预紧力F的关系式，具体为：

式中，R为该金属波齿齿弧半径，θ为圆弧曲杆任意截面处与端部支点围成的圆心角；

(2)计算曲杆在压缩预紧力F作用下曲杆变形能U及金属波齿在压缩预紧力F作用下变形做功W，具体为：

式中，E为材料的弹性模量，I为曲杆的截面惯性矩；

(3)根据能量法定律确定压缩预紧力F与金属波齿顶端沿压缩预紧力F方向形变位移L的关系式，具体为：

W＝U

金属波齿N的数量需要通过计算进行确定，确定方法具体步骤为：

(1)根据密封过程中推进剂介质及柔性石墨金属波齿复合垫片内外侧压力确定柔性石墨金属波齿复合垫片漏率；

柔性石墨金属波齿复合垫片漏率的确定公式具体为：

式中，L_VL、L_VG分别为流动介质为液体、气体时柔性石墨金属波齿复合垫片漏率，P₁、P₂分别为柔性石墨金属波齿复合垫片内、外侧的压力。H为泄漏通道深度、L为泄漏通道宽度、η为介质粘度、C为常数、b为泄漏通道长度；

(2)根据步骤(1)所得漏率数据确定柔性石墨金属波齿复合垫片内泄漏通道长度；

柔性石墨金属波齿复合垫片内泄漏通道长度b的确定公式具体为：

式中，b_L、b_G分别为流动介质为液体、气体时柔性石墨金属波齿复合垫片内泄漏通道长度；

(3)根据步骤(1)、步骤(2)所得数据获取金属波齿数N与漏率及泄漏通道长度的关系式以确定金属波齿数；

金属波齿数N与漏率及泄漏通道长度的关系式具体为：

当推进剂介质为液体时，金属波齿数N的确定方法为：

当推进剂介质为气体时，金属波齿数N的确定方法为：

榫面法兰与槽面法兰通常采用0Cr18Ni9、GH4169、5A06等不锈钢、高温合金、铝合金等金属进行制造，榫面法兰与槽面法兰密封部位采用榫槽形式，结构尺寸上要求槽宽于榫，并有足够的空间容纳密封件在预紧状态下变形。

同时，采用异种金属加工的法兰，槽面采用线胀系数较大的材料进行制造。法兰与法兰之间采用一定数量螺栓形式进行连接。

如图2所示，柔性石墨金属波齿复合密封垫片包括柔性石墨层、带多道同心圆波齿的金属波齿骨架两个部分，柔性石墨层采用低硫或无硫柔性石墨制备，避免石墨中硫元素在长期使用后析出造成金属表面的腐蚀，使密封效果减弱甚至失效，上、下柔性石墨层之间设置金属波齿骨架，避免柔性石墨出现压溃，散架等情况；金属波齿垫片骨架设置圆弧形槽，齿型采用错齿形式，柔性石墨波齿复合密封垫片需要根据实际情况中柔性石墨层厚度、金属波齿型面、金属波齿齿数。柔性石墨层厚度根据压缩石墨密度、压缩率、回弹率、应力松弛特性进行设计。

金属波齿设计参数包括齿距p、齿弧半径R、齿高h、厚度t，如图3所示，金属波齿应力应变设计可以通过金属波齿包括的波齿顶端、圆弧曲杆进行确定，同时金属波齿齿数根据需要密封件宽度、密封漏率要求进行确定。理论上，波齿数越多密封效果越好，但由于加工必然存在的误差，各波齿之间可能存在干涉现象，波齿设计为单边2～5个波齿为宜，另外金属齿数较少且密封法兰刚度较大时，金属波齿型面可设计为等齿高形式。金属波齿较多，法兰刚度较小时，可根据法兰刚度变化情况设计为变齿高形式，确保冗余迷宫密封的各道密封垫片应力均匀，提高密封效果。

金属限位环为MMC金属限位环，尺寸根据榫槽深度、金属柔性石墨金属波齿复合厚度进行确定，利用浮动式密封结构在使用过程中垫片应力随外载荷变化而发射变化，加剧了密封垫片的应力松弛的趋势，密封结构稳定性较差。通过在柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构中设置MMC限位环，精确量化了柔性石墨金属波齿复合垫片的压缩量，通过金属接触限制了法兰变形，增大法兰连接刚度，降低法兰连接对外弯矩，温度、压力骤变或波动等引起的变形敏感性；垫片反作用力不随外载荷变化而发生改变，提高了法兰连接对密封的稳定性。

如图4所示，复合垫片的内部流道如图所示，流道互通的接口设计需要让流道长度进一步增加。

柔性石墨金属波齿密封结构通过紧固件进行连接，紧固件力矩施加完成后必须达到金属法兰与MMC限位环的紧密接触。拧紧力矩施加过程中，力矩首先克服柔性石墨金属波齿密封垫片的压缩抗力，将金属法兰压缩至与MMC限位环接触状态，进一步追加力矩值，该部分力矩值不会使柔性石墨金属波齿密封垫片应力增加，而是使法兰与MMC金属限位环之间紧密贴合，用以承担外弯矩，温度、压力骤变或波动的影响，确保密封结构可靠。密封过程中需要确定的各类参数具体如下：

预紧状态下需要的最小垫片压紧力：

工作状态下需要的最小垫片压紧力：

垫片压紧力取上述两式的最大值：F_G＝max(F_a,F_p)

流体压力引起的轴向力计算如下：

其中，

为垫片宽度；y为石墨的密封比压；d₂、d₁分别为密封件的外径、内径；d₀为密封结构通径；p_c为密封结构内部流体压力。

外弯矩，温度、压力骤变或波动导致的附加载荷引起的轴向力，统一记为F_Z。满足密封所需最小轴向力由结构件传递到密封垫片，需要考虑垫片压紧力、流体压力引起的轴向力和附加载荷引起的轴向力：Q_min＝F_G+F_P0+F_Z。

紧固件拧紧力矩计算如下：

其中：M紧固件力矩(N·m)；Q_min螺纹的预紧载荷(N)；D_c螺纹的中径，(mm)；β螺纹半角；p螺距(mm)；r_f摩擦面平均半径，

其中r₁与r₂分别为摩擦面大径和小径(mm)；μ摩擦系数，钢与铝接触为0.268；钢与钢接触为0.149。

柔性石墨波齿复合垫片密封结构采用法兰连接，法兰之间设置金属限位环对柔性石墨波齿复合垫片的压缩量进行精确控制；柔性石墨波齿复合垫片规格为DN20～DN600；垫片由金属波齿骨架与柔性石墨复合而成；金属波齿骨架常采用采用0Cr18Ni9、GH4169、5A06等材料加工；金属波齿齿数通常在2～5个。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在本实施例中，柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构主要包括柔性石墨金属波齿复合垫片、金属限位环、榫面法兰与槽面法兰组成的法兰密封结构及额外紧固件，柔性石墨金属波齿复合垫片用于阻碍法兰内部管路对接处介质的外泄；金属限位环放置于榫面法兰与槽面法兰之间，将柔性石墨密封形式由浮动式密封形式转化为metal to metal形式密封，确保全寿命周期过程中密封性能的稳定；法兰密封结构通过紧固件进行连接，紧固件施加密封结构贴紧所需的轴向力，确保全寿命周期内法兰的可靠贴合。

其中，装置的各类参数分别确定如下：

柔性石墨金属波齿密封结构法兰榫、槽内外径分别为497mm、482mm；榫高2.3mm、槽深5mm；金属限位高度1mm；柔性石墨金属金属波齿复合垫片内外径、厚度496mm、483.5mm、4mm，金属波齿齿弧半径R1，金属波齿齿数3个；在一定预紧载荷下，密封结构漏率可达1×10^-8Pa.m³/s。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，其特征在于：包括榫面法兰、柔性石墨金属波齿复合垫片、金属限位环、槽面法兰，所述榫面法兰、槽面法兰为对称L型环状结构，榫面法兰与槽面法兰匹配对接并通过紧固螺钉固定形成法兰密封结构，并套装于上下两段推进剂管路连接处外侧，用于对管路对接处进行进一步密封的柔性石墨金属波齿复合垫片安装于榫面法兰与槽面法兰对接面上密封槽内，防止紧固密封过程中柔性石墨金属波齿复合垫片挤压损坏的金属限位环设置于榫面法兰与槽面法兰匹配对接面外侧，对榫面法兰与槽面法兰进行限位以控制柔性石墨金属波齿复合垫片压缩量，柔性石墨金属波齿复合垫片在压紧过程中挤压变形以实现推进剂密封。

2.根据权利要求1所述的一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，其特征在于：所述柔性石墨金属波齿复合垫片包括柔性石墨层、金属波齿骨架，所述柔性石墨层包裹于金属波齿骨架上下两侧对金属波齿骨架进行保护，当进行密封时，柔性石墨层、金属波齿骨架产生形变直至柔性石墨层与金属限位环接触。

3.根据权利要求2所述的一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，其特征在于：所述金属波齿骨架上设置有N个金属波齿，所述金属波齿包括波齿顶端、圆弧曲杆，获取波齿顶端在压紧过程中受到压缩预紧力F与金属波齿顶端沿压缩预紧力F方向形变位移L的关系式的具体步骤为：

(1)获取圆弧曲杆任意截面弯矩M与压缩预紧力F的关系式，具体为：

式中，R为该金属波齿齿弧半径，θ为圆弧曲杆任意截面处与端部支点围成的圆心角；

(2)计算曲杆在压缩预紧力F作用下曲杆变形能U及金属波齿在压缩预紧力F作用下变形做功W，具体为：

式中，E为材料的弹性模量，I为曲杆的截面惯性矩；

(3)根据能量法定律确定压缩预紧力F与金属波齿顶端沿压缩预紧力F方向形变位移L的关系式，具体为：

W＝U

4.根据权利要求2所述的一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，其特征在于：所述金属波齿数量N确定方法具体步骤为：

(1)根据密封过程中推进剂介质及柔性石墨金属波齿复合垫片内外侧压力确定柔性石墨金属波齿复合垫片漏率；

(2)根据步骤(1)所得漏率数据确定柔性石墨金属波齿复合垫片内泄漏通道长度；

(3)根据步骤(1)、步骤(2)所得数据获取金属波齿数N与漏率及泄漏通道长度的关系式。

5.根据权利要求4所述的一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，其特征在于：所述柔性石墨金属波齿复合垫片漏率的确定公式具体为：

式中，L_VL、L_VG分别为流动介质为液体、气体时柔性石墨金属波齿复合垫片漏率，P₁、P₂分别为柔性石墨金属波齿复合垫片内、外侧的压力。H为泄漏通道深度、L为泄漏通道宽度、η为介质粘度、C为常数、b为泄漏通道长度。

6.根据权利要求4所述的一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，其特征在于：所述柔性石墨金属波齿复合垫片内泄漏通道长度b的确定公式具体为：

式中，b_L、b_G分别为流动介质为液体、气体时柔性石墨金属波齿复合垫片内泄漏通道长度。

7.根据权利要求4所述的一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，其特征在于：所述金属波齿数N与漏率及泄漏通道长度的关系式具体为：

当推进剂介质为液体时，金属波齿数N的确定方法为：

当推进剂介质为气体时，金属波齿数N的确定方法为：

8.根据权利要求1所述的一种柔性石墨金属波齿复合垫片密封结构，其特征在于：柔性石墨波齿复合垫片密封结构采用法兰连接，法兰之间设置金属限位环对柔性石墨波齿复合垫片的压缩量进行精确控制；柔性石墨波齿复合垫片规格为DN20～DN600；垫片由金属波齿骨架与柔性石墨复合而成；金属波齿骨架常采用采用0Cr18Ni9、GH4169、5A06等材料加工；金属波齿齿数通常在2～5个。

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