CN111322476A - 山字型高压自紧式法兰 - Google Patents

Abstract

本发明公开了山字型高压自紧式法兰，其耐高温性能更好，解决了现有技术中的问题。上述山字型高压自紧式法兰，山字型高压自紧式法兰，包括套节、卡套、螺栓、螺母及山字型密封环；山字型密封环，其环向剖切面的结构包括三角形筋部和三角形筋部两侧对称设置的双臂；三角形的臂上表面与其远离三角形筋部的端面交接处为弧面，其为山字型密封环的密封弧面。

Description

山字型高压自紧式法兰

技术领域

本发明涉及一种全新的山字型密封，具体涉及一种应用在深度发展的石油、石化、化工、煤化工、船舶、冶金、航空、航天、军事、国防、合成材料等领域的基于inconel(因可镍)类似材料的耐高温的山字型高压自紧式法兰。

背景技术

法兰是管道连接件，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管件。

传统法兰都可简化为平焊法兰作受力分析，其采用强制密封结构，在螺栓预紧力作用下，密封垫、垫片往往材质的硬度都比法兰低，受到挤压变形，法兰密封面上凹凸不平的微隙被填满，同时密封面上形成密封抵压，以达到密封的作用。传统法兰的缺陷是：

(1)带压运行时，管道内压将使密封面沿管道方向松弛，从而降低了连接处密封性能，因此，势必加大了安装时螺栓预紧载荷，从而相应也加大了法兰盘所能承受的法兰弯矩，所以法兰的结构尺寸也就显得粗大，即使这样，也无法避免法兰连接在工作状态下的密封比压要较预紧状态下更低这一严重缺陷。

(2)由于连接螺栓平行于管道方向，因此在运行状态下所产生的管道系统附加载荷，诸如:管道拉伸压缩、压力波动、弯矩、扭矩、冲击等，将首先直接由法兰连接螺栓承担，同样导致法兰连接预紧效果的下降，而影响连接的密封性能。

(3)螺栓力实际工程中，由于温差、弯矩、扭矩、冲击等载荷存在，螺栓力在360°方向不可能均匀受力，也就是当密封面上有效密封比压受到破坏，即事故发生。

这就是传统法兰管道系统(特别是在高温高压下)很难完全杜绝跑、冒、滴、漏的根本原因。因此，现代石油、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，连接处易出现跑、冒、滴、漏的问题，因此事故频发，每年国家有六千多起重大安全事故，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和人员伤亡。

随着，石油、石化、化工、煤化工、船舶、冶金、航空、航天、军事、国防、合成材料等领域的深度发展，传统的连接方式已经适应不了时代的需求，尤其是高温高压、深冷高压需要新的力学结构、特殊材料才能满足实时需求。

现在工程项目上，针对上述现有普通法兰改进后的新型管道连接器，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(申请人)ZY-LOC，四个国家产品机理相似，但结构都不一样，力学建模、计算也不一样，不可互换。

中国专利文件200720079783.2公开了一种高压自紧式法兰，其是申请人在针对公司产品 ZY-LOC提出的中国专利申请，其结构包括卡套、套节、T型密封环和螺栓。在此结构中，T型密封环是核心的密封部件。T型密封环包括位于中间的筋，筋两侧是T型臂，T型臂在套节的强行挤压下可以有效的收缩和扩张，形成弹性密封，T型臂在套节的挤压下，360°均匀受力。这也就是其不会产生泄露的原因。但是其结构在800℃左右的高温条件下，密封效果会变差。经分析，这是由于T型密封环的两臂较薄，高温下，刚度不够，容易产生变形。

因此，申请人发明了一种在高温(800℃左右)、高压(20MPa左右)、类似inconel(因可镍)材料的条件下的一种新型密封形式。

发明内容

本发明目的在于提供山字型高压自紧式法兰，适合高温下使用，抵御变形能力强。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

山字型高压自紧式法兰，包括套节、卡套、螺栓、螺母及山字型密封环；

山字型密封环，其环向剖切面的结构包括起到定位作用的三角形筋部和三角形筋部两侧对称设置的双臂；双臂上表面与其远离三角形筋部的端面交接处为弧面，其为山字型密封环的密封弧面，起到密封作用，此结构刚度更大，不易变形。；

山字型密封环位于两个套节之间，两套节夹紧山字型密封环的三角形筋部，卡套为上下两个，两卡套夹紧两个套节的上、下端；在卡套及紧固卡套的螺栓、螺母作用下，套节与管道形成强有力的整体；两套节内设有密封锥面与山字型密封环匹配，并与山字型密封环的密封弧面共同作用形成密封。

作为一种优选技术方案，筋部的三角形为等腰三角形。

作为一种优选技术方案，山字型密封环由因可镍类似材料制成。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种全新结构的密封环-山字型密封环，其结构是在800℃条件下，采用因可镍材料，经过力学建模，得到的最佳建模力学结构，其在高温下抵御变形能力更强，山字型密封环双臂和筋部交界处应力更小。因此，其更适合在高温条件下应用。

附图说明

图1为山字型高压自紧式法兰的剖视图示意图。

图2为山字型密封环的环向剖切面的结构示意图。

图3为山字型密封圈的有限元模型及网格图。

图4为内压20MPa，山字型密封圈当量应力的示意图。

图5为内压20MPa，山字型密封圈接触应力的示意图。

图6为内压30MPa，山字型密封圈当量应力的示意图。

图7为内压30MPa，山字型密封圈接触应力的示意图。

图8为内压40MPa，山字型密封圈当量应力的示意图。

图9为内压40MPa，山字型密封圈接触应力的示意图。

图10为内压50MPa，山字型密封圈当量应力的示意图。

图11为内压50MPa，山字型密封圈接触应力的示意图。

其中，附图标记如下所示：

1-山字型密封环，101-三角形筋部，102-臂，103-密封弧面，2-套节，201-密封锥面， 3-卡套，4-螺栓。

具体实施方式

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供山字型高压自紧式法兰，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

本发明所述的山字型高压自紧式法兰提出了一种全新的密封方式，其采用了山字型密封环1，相比于同为申请人公司的ZY-LOC高压自紧式法兰来说，具有更好的耐高温性能，其结构是高温(800℃左右)、高压(20MPa左右)、材料inconel(因可镍)的条件下，经过力学建模，得到的最佳建模力学结构。

如图1所示，山字型高压自紧式法兰，包括两个套节2、两个卡套3、四个螺栓4、八个球型螺母及一个山字型密封环1。

山字型密封环1，其环向剖切面的结构如图2所示，包括起到定位作用三角形筋部101 和三角形筋部101两侧对称双臂102，三角形筋部101和双臂102分工形成山字型密封环1。筋部的三角形为等腰三角形。

三角形双臂102上表面与其远离三角形筋部101的端面交接处为弧面，其为山字型密封环1的密封弧面103，起密封作用。

山字型密封环1位于两个套节2之间，如图2所示。套节2为两个，两套节2夹紧山字型密封环1的三角形筋部101，卡套3为上下两个，两卡套3夹紧两个套节2的上、下端；在卡套3作用下，套节2与管道形成强有力的整体；两套节2内设有密封锥面201与山字型密封环1匹配，并与山字型密封环1的密封弧面103共同作用形成密封。

卡套3两端分别设置两个螺纹孔，螺栓4穿过螺纹孔，用球型螺母将螺栓4两端固定。螺栓4将位于套节2上下的两个卡套3固定连接为一个整体，螺栓4的轴线垂直于套节2的轴向。

由于筋部为等腰三角形的结构，因此筋部的与双臂102之间的夹角较大，不易形成应力集中。

由于，山字型密封环1的双臂102相比于ZY-LOC高压自紧式法兰的T型密封环的双臂 102更厚，因此，抵御变形的能力更强，在高温下不易变形。

本实施例所述的山字型密封环1的结构为在800℃条件下，20MPa，采用因可镍材料，经过力学建模，得到的最佳建模力学结构。当工艺条件发生变化时，图2中，参数θ、S、R、H、 h的值会发生变化。

在安装时，先将套节2定位，使用无研磨作用的材料清除套节2密封锥面201面上的润滑油及山字型密封环1表面，然后将山字型密封环1装入套节2的密封锥面201面，保持山字型密封环1的臂102与套节2端面有一定的间隙。用卡套3套住套节2，在卡套3与套节2 的接触部分涂上润滑剂，以减少摩擦。在卡套3的螺孔中插入螺栓4，套上拧紧螺帽，拧紧螺帽，安装完成后两套节2的端面与密封环的筋部应紧密接触。

山字型密封环高压自紧法兰应力计算如下所述：

一.计算条件、有限元模型及网格划分

1.有限元模型及网格划分盲节和”山字型”密封环近似简化为左右对称，则根据对称性，取整体结构的1/8进行建模，有限元模型及网格图3所示。

二.位移边界条件及加载

1.位移边界条件

在三个对称面处加对称位移约束

2.载荷内压分别取20MPa，30MPa，40MPa，50MPa；螺栓孔处加预紧力；螺栓预紧力取：每根5kN。

三.计算

1.内压20MPa

螺栓预紧5kN时，山字型密封环当量应力如图4所示；

山字型密封环的最大等效应力为60.74MPa<[σ],因此”山字型”密封环的强度满足要求；

接触应力如图5所示，最大接触应力为77.1MPa。

由图5可以看出在密封面上，沿环向接触应力是均匀分布，沿密封环宽度方向是连续变化的。

2.内压30MPa

山字型密封环当量应力如图6所示。最大当量应力91.2MPa。

山字型密封环接触应力如图7所示。密封面上，沿环向接触应力是均匀分布，沿”山字型”密封环宽度方向是连续变化的，最大115.6MPa。

3.内压40MPa

山字型密封环当量应力如图8所示。最大当量应力121.7MPa。

山字型密封环接触应力如图9所示。密封面上，沿环向接触应力是均匀分布，沿”山字型”密封环宽度方向是连续变化的，最大154MPa。

4.内压50MPa

山字型密封环当量应力如图10所示。最大当量应力152.3MPa。”山字型”密封环接触应力如图11所示。密封面上，沿环向接触应力是均匀分布，沿”山字型”密封环宽度方向是连续变化的，最大192.4MPa。

四.结果汇总及结论

结论：由内压20-50MPa的应力和接触应力图可知，在一定预紧作用下，整个结构的当量应力还有”山字型”密封环的接触应力，都在随着内压的增加而增大。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.山字型高压自紧式法兰，其特征在于，包括套节、卡套、螺栓、螺母及山字型密封环；

山字型密封环，其环向剖切面的结构包括三角形筋部和三角形筋部两侧对称设置的双臂；三角形的臂上表面与其远离三角形筋部的端面交接处为弧面，其为山字型密封环的密封弧面；

山字型密封环位于两个套节之间，两套节夹紧山字型密封环的三角形筋部，卡套为上下两个，两卡套夹紧两个套节的上、下端；在卡套及紧固卡套的螺栓、螺母作用下，套节与管道形成强有力的整体；两套节内设有密封锥面与山字型密封环匹配，并与山字型密封环的密封弧面共同作用形成密封。

2.根据权利要求1所述的山字型高压自紧式法兰，其特征在于，筋部的三角形为等腰三角形。

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