CN112360982A - 一种轴密封装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴密封装置及其使用方法，轴密封装置包括定位螺母、薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件、轴和本体底座。本发明的轴密封装置实现高温高压下轴孔之间的密封，同时，解决了轴最后盲装入孔内而实现密封的安装方式。

Description

一种轴密封装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及管道密封领域，具体为一种轴密封装置及其使用方法。

背景技术

传统的轴向密封一般在轴上开槽或孔内开槽，然后利用橡胶O形圈较大的弹性变形功能，安装于轴上或孔内，实现密封。但是，由于目前国内外所有橡胶厂家生产的橡胶O形圈均无法满足高温300℃以上的密封环境，因此，该种密封结构已无法适用于高温环境。

同时，在一些阀门阀杆部位轴向密封时，为了满足高温下的密封，将其密封结构设计为如图1所示的密封填料结构，该结构一般选用石墨材料制作密封填料(适用温度最高600℃)、但该结构在安装时，必须先将轴放入填料函中，让填料函与轴构成一沟槽，后放入密封填料，再通过螺栓预紧方式，使填料压盖向密封填料施加轴向载荷，密封填料在外力作用下，产生径向密封力，实现阀杆部位的轴密封。但是该结构一般温度只能达到600℃以下，同时由于安装方式的限制，该结构只能先装轴，后装密封件，再预紧螺栓，不能适用于后装轴的结构。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种轴密封装置及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采取下述方案：

一种轴密封装置，其特征在于：包括定位螺母、薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件、轴和本体底座，薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件位于本体底座的沟槽内，定位螺母位于本体底座内并与本体底座通过螺纹连接，定位螺母位于薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件上方并对其进行定位，轴穿过定位螺母并与本体底座沟槽内的薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件之间过盈配合；

其中，薄壁金属上C形弹性体内置弹簧密封结构件由内到外包括内置弹簧、内衬弹性体骨架、密封镀层，内衬弹性体骨架为C形且开口方向朝下。

进一步的，内置弹簧材料可根据不同温度压力进行设计，材料有Inconel x750(GH4145)、Nimonic 90等。

进一步的，内衬弹性体骨架材料可根据不同温度压力进行设计，有Inconel718(GH4169)、GH4738、GH4099等。

进一步的，密封镀层可根据不同环境工况进行设计，有镀金、镀银、镀镍等。

进一步的，轴前端设计为锥口形式。

进一步的，轴为插管。

进一步的，内衬弹性体骨架采用整体成型技术制备。

一种轴密封装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件放置于本体底座沟槽内；

S2：采用定位螺母对薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件进行定位；

S3：装入轴，通过轴与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件间的过盈配合实现初始密封。

进一步的，还包括S4：密封装置内部压力升高后，高压介质进入薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件，形成密封补偿力。

进一步的，步骤S4中，轴密封部位因受到内压作用，与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件接触的部位产生径向变形，在高压下实现双重自密封。

薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件中，“薄壁”指壁厚0.1mm-1mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的轴密封装置实现高温(300℃～1200℃)高压(0～200MPa)下轴孔之间的密封，同时，解决了轴最后盲装入孔内而实现密封的安装方式。其带来的有益效果具体为：

1、薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件采用下开口方式，与现有技术中侧开口的C形密封环相比，更适用于轴向密封结构，内置弹簧机构可使结构件具有径向上较高的回弹补偿性，有效抵抗因温度引起的金属间的胀差。

2、具有耐温性，可根据不同温度需求，调整高温合金材料，可设计满足1000℃环境下的密封，甚至更高的环境。

3、将低应力下的初始密封+完美的自密封结构相结合，初始密封时，依靠过盈配合时产生的线载荷，当介质压力升高时，依靠介质压力，形成密封补偿力。

4、在该密封装置中，当介质压力升高时，不仅薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件产生自密效果，同时，轴密封部位因受到内压作用，与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件接触的部位也会产生径向变形，使得该结构在高压下实现双重自密封效果。

5、内衬弹性体骨架采用整体成型技术制备，与现有技术中通过焊接成型的方式相比，整体成型的内衬弹性体骨架弹性更好，提供的密封补偿力更大，更耐久。

6、本申请首次将薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件应用于轴向密封结构中，实现轴向密封结构的初始密封和高压状态下的密封补偿，现有技术中通常采用填料密封实现高温高压下的轴向密封，其无法满足轴需要后装配的工况，即使在一些轴向密封结构中采用了O形金属密封环，其只能采用轴与密封环装配后通过螺母预紧的方式进行密封装配，其初始密封的形成只能通过螺母预紧带来的轴向压力转换为密封环的径向变形产生密封效果，由于O形环的结构特点导致其不能通过后装配轴的方式产生径向变形提供径向力，这是由于现有O形环弹性形变有限，在轴装入的过程中密封环的变形过大，回弹力不足，难以保证初始密封效果。本申请中的薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件可以满足轴的后装入需要，本申请中的定位螺母通过预紧仅起到定位限位作用，并不提供过多的轴向压力，保证薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件仍具有良好的回弹性，在轴装入时与其产生过盈配合，实现轴后装入工况下仍能保证优异的密封效果。此外，在高压状态下，现有技术中的O形密封环在介质压力作用下并不能耐受足够高的压力，当压力过高后，由于密封环无足够的补偿力而失效，同时长时间使用时，该部位会因螺栓松弛，而产生泄漏；而本申请中的薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件在内置弹簧的作用下，在介质压力大时，内置弹簧与插管间过盈配合形成的弹性变形提供足够的支撑力防止内衬弹性体骨架径向收缩，从而使高压介质的作用力通过内衬弹性体骨架施加于插管上，可以提供高的密封补偿力，保证高压状态下的密封效果。

7、由于插管前端设计为锥口形式，因此，当最后插入插管时，通过锥口与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件的导向可更好地实现盲装，同时该种结构也可适用于远距离的装配，可以适用于更多的使用环境，弥补现有技术中密封结构难以远距离装配的缺点。

附图说明

图1为现有技术中密封填料结构的结构示意图

图2为本申请轴密封结构的结构示意图

图3为薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件的俯视图

图4为图3中A-A方向截面图

图5为图4中B-B方向截面图

图6为高压状态下轴密封装置的部分截面图

图7为现有技术中的密封装置结构示意图

附图标记：1、阀杆，2、密封填料，3、填料压盖，4、螺栓，5、定位螺母，6、薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件，7、插管，8、本体底座，F、薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件因自身径向变形和介质压力而产生的密封载荷，S、插管与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件接触的部位，F2、外部施加密封载荷，S2、端面与C形环接触的部位，L、高压介质。

具体实施方式

如图2所示，一种轴密封装置，包括定位螺母5、薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6、插管7和本体底座8，薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6位于本体底座8的沟槽内，定位螺母5位于本体底座8内并与本体底座8通过螺纹连接，定位螺母5位于薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6上方并对其进行定位，插管7穿过定位螺母5并与本体底座8沟槽内的薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6之间过盈配合；

其中，如图3-5所示，薄壁金属上C形弹性体内置弹簧密封结构件6由内到外包括内置弹簧、内衬弹性体骨架、密封镀层，内衬弹性体骨架为C形且开口方向朝下。内置弹簧材料为Inconel x750(GH4145)，内衬弹性体骨架材料为Inconel 718(GH4169)，密封镀层为镀银层。插管7前端设计为锥口形式。内衬弹性体骨架采用整体成型技术制备。

一种轴密封装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6放置于本体底座8沟槽内；

S2：采用定位螺母5对薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6进行定位；

S3：装入插管7，通过插管7与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6间的过盈配合实现初始密封。

S4：密封装置内部压力升高后，高压介质L进入薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6，形成密封补偿力。

步骤S4中，插管7密封部位因受到内压作用，与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6接触的部位产生径向变形，在高压下实现双重自密封。

本申请中轴密封装置的密封原理为：在密封装置装配时，定位螺母5仅用于安装时将薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6压入本体底座8内，作为装配及限位辅助件，密封则是依赖插管7与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6的过盈装配而形成初始密封作用力，压力升高后依靠介质内压而产生密封补偿力。如图6所示，当介质压力升高后，插管7与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6接触的部位S受到薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件6因自身径向变形和介质压力而产生的密封载荷F，可实现自密封效果。现有技术中通常将侧开口的C形环应用于端面密封，C形环开口通常背向高压介质L，仅通过高压介质L对于C形环的压力使C形环变形产生作用力实现密封，如图7所示，其能够承受的压力比较有限。或者在轴密封结构中，通常以O形密封环通过螺栓预紧变形获产生径向变形形成密封效果，当内部介质压力升高时，其利用介质压力作用于O形密封环的外表面，通过O形密封环的在高压介质下的变形增加径向载荷，能够承受的介质压力也是有限的，而且，不适用于后装轴的密封结构。本申请中将薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件开口朝下应用于轴向密封，高压介质L可进入薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件内，内置弹簧既可提供初始密封载荷，又可为内衬弹性体骨架提供内部支撑，高压介质L既受到弹簧的限制作用，又可将压力施加到内衬弹性体骨架内表面，不是通过薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件变形产生密封载荷，而是将高压介质L的压力直接作为密封补偿力，可显著提高能够承受的压力。

借助本申请的轴密封装置，可实现轴的后装配密封，不需要限制密封结构必须在轴装配后才能实现密封。本申请轴密封装置的使用方法创造性地将轴孔密封结构在轴的装入后形成密封结构，改变传统轴密封结构中螺栓的预紧作用，不依靠螺栓预紧密封环产生变形提供密封载荷，而是依靠轴装入过程与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件的过盈配合实现薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件的变形，借助内置弹簧的回弹，保证轴装入过程内衬弹性体骨架得到足够支撑和回弹，内置弹簧的韧性以及轴前段的锥口设计为轴的插入提供导向作用，使轴顺利装入，轴装入或移动过程中密封状态不会变化，实现轴的后装入。通过本申请轴密封装置的使用方法可实现轴最后的盲装，以及轴的远距离装配。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种轴密封装置，其特征在于：包括定位螺母、薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件、轴和本体底座，薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件位于本体底座的沟槽内，定位螺母位于本体底座内并与本体底座通过螺纹连接，定位螺母位于薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件上方并对其进行定位，轴穿过定位螺母并与本体底座沟槽内的薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件之间过盈配合；

其中，薄壁金属上C形弹性体内置弹簧密封结构件由内到外包括内置弹簧、内衬弹性体骨架、密封镀层，内衬弹性体骨架为C形且开口方向朝下。

2.根据权利要求1中的轴密封装置，其特征在于，内置弹簧材料根据不同温度压力进行设计，材料包括Inconel x750(GH4145)或Nimonic 90。

3.根据权利要求1中的轴密封装置，其特征在于，内衬弹性体骨架材料根据不同温度压力进行设计，材料包括Inconel 718(GH4169)、GH4738或GH4099。

4.根据权利要求1中的轴密封装置，其特征在于，密封镀层根据不同环境工况进行设计，包括镀金、镀银、镀镍或其组合。

5.根据权利要求1中的轴密封装置，其特征在于，轴前端设计为锥口形式。

6.根据权利要求5中的轴密封装置，其特征在于，轴为插管。

7.根据权利要求1中的轴密封装置，其特征在于，内衬弹性体骨架采用整体成型技术制备。

8.根据权利要求1-7中任一项所述一种轴密封装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件放置于本体底座沟槽内；

S2：采用定位螺母对薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件进行定位；

S3：装入轴，通过轴与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件间的过盈配合实现初始密封。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，还包括S4：密封装置内部压力升高后，高压介质进入薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件，形成密封补偿力。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S4中，轴密封部位因受到内压作用，与薄壁金属上C形弹性体内置弹簧结构件接触的部位产生径向变形，在高压下实现双重自密封。

Images