CN111795249B - 一种补偿器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补偿器及其应用，解决了现有技术中补偿器存在耐高压能力不足的问题，具有提高补偿器耐压能力，提高补偿器补偿效果的有益效果，具体方案如下：一种补偿器，包括隔膜和套管，套管套设于隔膜的外侧，套管内表面与隔膜外表面之间留有填充舱，填充舱内填充有填料，填料在外力作用下可流动或变形，隔膜的两端均设置连接管，连接管的一端与隔膜固连。

Description

一种补偿器及其应用

技术领域

本发明涉及工业领域，尤其是涉及化工领域的一种补偿器及其应用。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

补偿器广泛应用于工业生产过程，补偿器的基本功能是补偿作用。补偿器安装于各类流体管线、换热器、反应器、机泵等各类装备，通过自身的有效伸缩变化，吸收流体管线和设备因为热胀冷缩等原因引起的尺寸和方位角度的变化，补偿因加工和安装等原因造成的变形和位移，吸收振动。

补偿器有许多种形式，例如，橡胶管补偿器，套管补偿器、波纹管补偿器等。补偿器的基本构成是一段可以变形的流体通道，基本构造是中空的容易轴向变形和轴线偏转的组件，通过元件的移动或变形在保持流体通道通畅密封的前提条件下，使流体通道长度发生变化，或者轴线偏移，或者两者组合变化，实现其补偿功能。

现有补偿器基本元件的材料和结构形式把包括异形橡胶管、金属材料制造的套管、不锈钢波纹管等。发明人发现，现有的橡胶等有机材料制作的补偿器，不能用于高温高压领域；现有的不锈钢波纹管为主要元件的补偿器存在有不能承受高压的问题，容易被高压的流体压溃，耐压性能差，造成维护成本高；现有的套管式补偿器虽然可耐高温耐高压，但存在密封可靠性较差的问题；套管式补偿器套管刚性连接，存在补偿能力单一的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种补偿器，提高补偿器的耐压能力，克服现有波纹管补偿器耐压能力不足的问题，具有耐高压的特点，而且具有较好的密封性能和补偿效果。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种补偿器，包括隔膜和套管，套管套设于隔膜的外侧，隔膜内侧的两端均设置连接管，连接管与隔膜内侧形成流体通道，连接管外侧、隔膜外侧、套筒内腔形成填充舱，填充舱内填充有填料，填料在外力作用下可流动或变形，连接管的一端与隔膜的固连。

上述的补偿器，套筒设于隔膜的外侧，套筒和隔膜之间填充有易于流动变形的填料，利用套筒和填料引导、支撑、限制隔膜的变形，通过填料设于套筒与隔膜之间，既可以改善波纹管的受力状态，解决波纹管变形过大失稳问题，又可以避免填充液体带来的密封问题，连接管的作用是连接隔膜和管端设备，形成密闭且通畅的流体通道，传递和限制运动位移和作用力。

如上所述的一种补偿器，所述套筒的两端均设置朝向所述的连接管的圆环形的轴承套结构，该圆环形轴承套结构的横截面为朝向轴线方向的凸起曲线，优选为圆弧，套筒的两端的轴承套结构分别与连接管形成滑动轴承和摆动轴承，有效提高了补偿效果。

如上所述的一种补偿器，所述轴承套结构为圆环形，圆环形轴承套结构的横截面为朝向套筒轴线方向的凸起曲线。

如上所述的一种补偿器，所述隔膜内表面与所述的连接管端部连接。

如上所述的一种补偿器，所述隔膜为柔性结构件。

如上所述的一种补偿器，所述隔膜为不锈钢波纹管、橡胶波纹管、夹布橡胶膜、涂覆聚四氟乙烯的纤维布、纤维增强的高分子材料膜、涂覆密封树脂的玻璃纤维布中的任一一种。

如上所述的一种补偿器，所述隔膜为单层膜或多层膜。

如上所述的一种补偿器，为了保证补偿器的密封性能，所述填料为具有多种设定粒度的固体颗粒组合物，其最小颗粒的填料的尺寸小于连接管与套筒的轴承间隙。这类填料的设置，具有填充效果好，易于变形，不易泄漏、稳定性高的特点，使得填料整体具有体积刚度大，变形刚度小，润滑性能好的特点。

如上所述的一种补偿器，所述填料为金属材料颗粒、石墨颗粒、金属氧化物、非金属氧化物颗粒中的其中一种或多种颗粒的混合物。

另外，本发明还提供了一种补偿器的应用，应用于管道、反应器、换热器和动设备的管道中。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过在隔膜外侧设置套筒和填料，通过填料的变形适应引导支撑限制隔膜的变形，具有结构可靠、稳定安全的特点，连接管与隔膜连接有效提高了补偿器的密封性能，而且连接管与套筒之间无刚性约束，可使得补偿器具有轴向直线补偿作用、角度补偿、两端角度补偿作用组合形成的横向补偿作用，补偿效果好，且套筒对补偿器的过度变形又形成约束。

2)本发明通过在隔膜与套筒之间填充有填料，波纹管两侧分别为压力流体和可发生变形或可流动的填料，使隔膜内侧所承受的流体压力通过固体颗粒传递给套筒内壁，或者套筒通过填料将支撑力传递给隔膜管壁，使隔膜的受力方式，压力状态发生变化，耐流体压力的能力提高。

3)本发明通过将填料设置为具有设定粒度大小的固体填料，使得填料整体具有体积刚度大，变形刚度小的特点，而且不易泄漏，可使得补偿器具有轴向变形刚度小的特点。

4)本发明隔膜采用波纹管或橡胶管，变形刚度相对较小，容易变形，且通过自身变形提供补偿功能。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种补偿器的剖视图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1套管，10轴承套，123填料舱，2第一连接管，20第一管端，21第一管轴承，22第一连接管内侧壁，23第一管轴连接，3隔膜，30填料侧，31流道侧，32流道，4填料，40压力流体,5第二连接管，50第二管端，51第二管轴承，52第二连接管内侧壁，53第二管轴连接。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中补偿器存在密封性较差，不够耐高压的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种补偿器及其应用。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种补偿器，包括隔膜和套管，套管套设于隔膜的外侧，套管内表面与隔膜外表面之间留有空腔，空腔内填充有填料，填料在外力作用下可流动或变形，隔膜内侧的两端均设置连接管，连接管的一端设于隔膜的内侧，且连接管与隔膜连接以封闭空腔。

其中，套筒的两端均有朝向所述的连接管的圆环形的轴承套结构，该圆环形轴承套结构的横截面为朝向套筒轴线方向的凸起曲线，优选为圆弧，套筒的两端的轴承套结构分别与连接管形成滑动轴承和摆动轴承，有效提高了补偿效果。

套管1是具有较大刚度强度的管状结构，其两端具有轴承套10。轴承套10具有光滑的内表面，轴承套10的横截面内侧为圆弧的环状轴承座结构。

第一连接管2是具有设定刚度强度的管状结构，第一连接管2通过第一管端20与流体来流方向的管道或设备连接形成流体通道，传递相连管道或设备与补偿器补偿元件之间的运动和作用力。第一连接管2外侧柱面为第一管轴承21，与轴承套10构成直线滑动轴承和摆动轴承，第一连接管2与套筒1之间以较小的阻力进行相对直线滑动和摆动运动实现补偿功能。第一管轴承21，与轴承套10之间的间隙小于固体颗粒状填料4的颗粒粒度，可以在能够顺畅运动和静止的条件下，防止填料4的溢出。

进一步的，在第一管轴承21，与轴承套10之间设置动密封件，可以进一步确保填料碎料粉末不溢出，并且当隔膜破损时，可以阻止流体外泄，进一步提高系统的安全性。

第二连接管5与第一连接管2的结构和功能基本相同，两者对称安装在套筒1的两端，形成具有双联形式的补偿器，这使得补偿器具有沿轴线方向的双向直线补偿功能、两端角度补偿功能，而两端角度补偿功能又带来径向位移补偿功能。第二连接管5外侧柱面为第二管轴承51，与该侧的轴承套10构成直线滑动轴承和摆动轴承，使第二连接管5与套筒1之间可以较小的阻力相对直线滑动和摆动实现补偿功能。第二管轴承51，与轴承套10之间的间隙小于固体颗粒状填料4的颗粒的尺寸，可以在能够顺畅运动和静止的条件下，防止填料4的溢出。

进一步，第一连接管的端部连接结构，且第一连接管设置螺栓孔，用于同法兰连接，第一连接管连接形成第一管端20，第一连接管内侧壁22与压力流体接触。

进一步，第二连接管的端部连接结构，且第二连接管设置螺栓孔，用于同法兰连接，第二连接管连接形成第二管端50，第二连接管内侧壁52与压力流体接触。

隔膜3为柔性结构件，结构刚度低，容易变形，其作用是隔离密封压力流体40和填料4，保持压力流体40和填料4密封在各自的空间内。

隔膜为不锈钢波纹管、橡胶波纹管、夹布橡胶膜、涂覆聚四氟乙烯的纤维布、纤维增强的高分子材料膜、涂覆密封树脂的玻璃纤维布中的任一一种。隔膜3可以是单层膜，也可以是多层膜。要求对压力流体具有耐腐蚀性、密封性，可根据温度、压力、流体特性等实际要求选用。

多数情况下，不锈钢波纹管可以满足要求，具有耐高温、柔性易变形的特点，补偿功能强，密封性好；波纹管采用薄壁波纹结构，使得在轴线方向的刚度较小，容易伸缩和偏转弯曲，因而具有补偿能力；作为补偿器，其轴向变形刚度要小，通过增加波纹管的外径尺寸，波峰高度，减小波纹管管壁的厚度等方式，可以使变形刚度减小，以满足所需要的补偿性能的要求。

隔膜3一端通过第一管轴连接23与第一连接管2密封连接，另一端通过第二轴管连接53与第二连接管5密封连接，连接方式根据材料和实际条件可以是焊接、熔接、粘接、压紧等多种形式。

隔膜3的填料侧30与套筒1的内表面，轴承套10，第一管轴承，第二管轴承构成填料舱123，填料舱123的形状随补偿过程的进程而变形，其形状变化较大，其质心位置也有变化，体积变化较小。隔膜3的流道侧31，与连接管的内侧构成压力流体4的通道流道32。

填料4的材料和形态是坚固的耐高温固体颗粒。填料是设定直径的不锈钢钢球、石墨粉、二氧化硅颗粒、氧化铝、二氧化锆颗粒等各类金属氧化物或非金属氧化物，聚四氟乙烯颗粒等高分子材料颗粒、各类浆料等；颗粒尺度在0.5mm-2mm，这样颗粒有利于贴紧隔膜3，使其载荷均匀，颗粒尺寸不要求一致，但最小颗粒的尺寸要大于轴承间隙，防止漏失。石墨粉润滑性能好，耐温性能好，价格低廉，可满足多数场合的要求。钢球性能较为可靠，在填料内添加润滑脂或者二硫化钼等固体润滑剂构成复合填料。

需要解释的是，填料为液体时，可以改善波纹管的受力状态，解决波纹管变形过大失稳问题，但填充液体存在密封问题，采用粘度相对较大的液体甚至胶料可以改善密封问题，但仍会存在密封问题，故优选地，将填料设置为固体颗粒。

补偿器通过第一连接管和第二连接管连接在管道或者设备上。当系统内流体压力建立起来后，流体压力对隔膜3形成径向力，使其有沿径向涨大的趋势，隔膜3变形刚度小。流道32内的压力是均匀的，所以隔膜3径向涨大的趋势是均匀的。同时，因为固体颗粒之间流动阻力小，能够快速填实填料舱内各处空间。填料舱123内的填料也是均匀地分布在填料舱内各处，均匀地贴紧在舱室的内表面上，包括隔膜3的填料侧的表面上。

但填料颗粒的刚度很大，颗粒之间以及颗粒与舱室内壁各处贴实之后，填料整体变形刚度，压缩刚度很大，填料整体刚度大，可对隔膜3提供与压力流体对等的支撑力，隔膜3两面承受压力，隔膜应力主要为压缩应力。隔膜材料的压缩强度较高，因此隔膜可以承受较大压力而不破坏，补偿器可以承受较大的流体压力。

而现有的波纹管式补偿器、橡胶管补偿器，其补偿元件波纹管和橡胶等在流体压力作用下，要承受很大的拉伸压力，波纹管和橡胶管材料的拉伸强度较低，因此，不能用于流体压力较高的场合。

当由于温度变化，机械运动等原因，需要套管1和第一连接管2和第二连接管5发生相对直线移动和角位移实现补偿功能时，套管1和第一连接管2和第二连接管5发生通过轴承套10和相应的管轴承的相对直线移动和角位移实现补偿功能。

在直线位移和角位移进行过程中，填料舱123的形状和体积要发生相应的变化，特别是隔膜3的形状要发生相应的变化。隔膜3流道侧31的流体形状快速变形，流体无形状，始终跟随贴紧隔膜3，隔膜3填料侧30的填料4因为润滑性能好，填充阻力小，也能快速变形贴紧隔膜3的填料侧30。填料舱123的体积、形状、几何中心位置的改变的推动力是有套管1和第一连接管2、第二连接管5的相对运动和流体压力产生的，相对运动推动填料运动填料颗粒相互推动传递力和运动，克服自身运动阻力和隔膜变形阻力，与流体压力一起使隔膜贴紧填料，使填料舱123始终处于填实状态的趋势。隔膜3是柔性膜，被填料4颗粒推动而变形，压力流体无固定形状，在压力作用下始终跟随贴紧隔膜3的流道侧31，隔膜3主要承受法向压缩应力，压缩强度高，补偿器耐压能力强。

相对于现有的波纹管式补偿器，本发明在波纹管外侧增加了一个刚度强度较大的套管1，并通过填料4，为波纹管补偿元件3提供随动支撑，相对于现有套筒式补偿器，本发明的补偿器密封性好，可适用于宽广的温度范围，可采用耐腐性高的材料制造各元件，例如聚四氟乙烯，补偿器耐腐蚀性强。

增加套筒1，第一连接管、第二连接管，隔膜3等相关元件的轴向尺寸，可以提高补偿器沿轴向方向的补充能力；通过减小上述元件的轴向尺寸，增加套筒1的内径与第一连接管、第二连接管等元件的外径尺寸差，可以提高角度补偿能力和径向补偿能力。

本发明的补偿器可以串联使用，进一步扩大补偿能力。

需要说明的是，本发明提供的补偿器，不仅可以应用于化工领域，也可以用于其他领域中管道、反应器、换热器、动设备的补偿，补偿效果好，能高温高压能力强。

本发明提供的补偿器可用于各类管道系统。由于本发明提供的补偿器具有强大的补偿能力，可大幅度提高管道系统的安全性能和制造成本。本发明可以直接连接在管道中。管道通过套筒1直接安装在管廊支架上，管廊支架只承受管道重力，不用承受水平推力，可大幅度降低管廊和管廊塔架的建造成本。

补偿器可用于换热器的壳体，可以降低耐高压耐高温管壳式换热器的建造成本，提高高性能换热器的可靠性。类似的，可用于制造高温高压反应器的相关结构。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种补偿器，其特征在于，包括隔膜和套筒，套筒套设于隔膜的外侧，隔膜内侧的两端均设置连接管，连接管与隔膜内侧形成流体通道，连接管外侧、隔膜外侧、套筒内腔形成填充舱，填充舱内填充有填料，填料在外力作用下可流动或变形，连接管的一端与隔膜的一端固连；

所述套筒的两端均设置朝向所述的连接管的轴承套结构，套筒的两端的轴承套结构均与连接管的管轴承形成滑动轴承和摆动轴承；

所述填料为具有设定粒度的固体颗粒组合物，其最小颗粒的填料的尺寸大于连接管的管轴承与套筒的轴承套结构之间的轴承间隙。

2.根据权利要求1所述的一种补偿器，其特征在于，所述轴承套结构为圆环形，圆环形轴承套结构的横截面为朝向套筒轴线方向的凸起曲线。

3.根据权利要求1所述的一种补偿器，其特征在于，所述隔膜为不锈钢波纹管、橡胶波纹管、夹布橡胶膜、涂覆聚四氟乙烯的纤维布、纤维增强的高分子材料膜、涂覆密封树脂的玻璃纤维布中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种补偿器，其特征在于，所述隔膜为单层膜或多层膜。

5.根据权利要求1所述的一种补偿器，其特征在于，所述套筒为刚性套筒。

6.根据权利要求1所述的一种补偿器，其特征在于，所述填料为金属颗粒或石墨颗粒或非金属氧化物颗粒中的其中一种或多种颗粒的混合物。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种补偿器的应用，其特征在于，应用于管道中。

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