CN112752921B - 紧凑型凸面法兰 - Google Patents

Abstract

一种凸面法兰组件，其包括使用一个或更多个螺栓(5)联接到下法兰(12)的上法兰(11)：其中，上法兰(11)或下法兰(12)包括：分别为一个或更多个螺栓(5)限定一个或更多个开口的螺栓固定面(25)；一对凸面(21，22)，其包括第一凸面和第二凸面，以与上法兰(11)或下法兰(12)中的另一个的配合表面接触；其中，第二凸面(22)的区域与对应于螺栓固定面(25)的平面之间的距离大于第一凸面(21)的区域与该平面之间的距离，以将与配合表面的接触力分布在第二凸面(22)的区域上，从而维持密封。

Description

紧凑型凸面法兰

优先权

本申请要求2018年9月25日提交的名称为“DUAL RAISED FACE SELF-ENERGIZINGVESSEL CLOSURE FLANGE”的美国临时专利申请第62/736,218号的优先权，该申请的全部内容以引用的方式并入到本文中。

政府利益

本发明是在政府支持下由能源部授予的合同号DE-NE0000633下完成的。政府在这项发明中拥有一定的权利。

技术领域

本公开总体上涉及紧凑型凸面法兰，并且一些实施例涉及双凸面自激励核反应堆模块容器封闭法兰。

背景技术

管道可包括管道法兰，以在两个管道区段之间提供无泄漏联接。图1A示出了包括管道区段101的管道的截面，管道区段101上形成有平面法兰，以与管道区段102上形成的平面法兰配合。平面法兰可以包括螺栓开口105，以接纳螺栓，螺栓可以被拧紧以形成无泄漏接头(在一些示例中，使用环形垫圈109)。

如图1B所示，其示出了管道区段101的平面法兰的端视图，各个螺栓开口可以包围管道。为避免泄漏，每个螺栓所需的螺栓张力可能基于螺栓数量和管道内部压力。

附图说明

所包括的附图是为了说明的目的，并且用于提供所公开的发明系统、装置、方法和计算机可读存储介质的可能结构和操作的示例。这些附图绝不限制本领域技术人员在不脱离所公开的实施方式的精神和范围的情况下可以在形式和细节上做出的任何改变。

图1A示出了包括平面法兰的管道的剖视图。

图1B示出了图1A的平面法兰的端视图。

图2A示出了核反应堆模块中基于平面法兰的容器法兰接头。

图2B是图1A的容器法兰接头的剖视图。

图3示出了根据各种实施例使用双凸面的紧凑型凸面法兰组件的剖视图。

图4示出了根据各种实施例，在容器内的内部压力下作用在紧凑型凸面法兰组件上的内力。

图5A是指示各个凸面之间没有偏移的情况下凸面法兰中的内力分布的热图，图5B是指示在有小偏移的情况下凸面法兰中的内力分布的热图。

图6示出了根据各种实施例的具有线性倾斜内凸面的紧凑型凸面法兰组件的剖视图。

具体实施方式

用于核反应堆模块中的反应堆压力容器(RPV)或安全壳容器的一些法兰可能类似于管道法兰的配置，但直径要大得多。根据容器的压力负荷，对于一些已知法兰(如平面法兰或一些已知凸面法兰)的市售张紧工具，为避免泄漏，每个螺栓所需的螺栓张力可能过高。即使对于可以使用市售张紧工具的压力负荷，所需的法兰/螺栓尺寸可能需要大量的原材料(例如，钢)，制造/组装费用巨大，和/或可能需要核反应堆模块的不期望的大的占用空间。

对于某些容器，控制泄漏的一种方式是选择适当数量和大小的螺栓，以抵抗容器的压力负荷。然而，在一些核反应堆模块中，由于相邻接的容器壳的中心线与法兰之间的偏移，可能会发生大量旋转(例如，撬动)。除非法兰被稳定，否则这种旋转可能会导致泄漏。

为了尽量最小化法兰旋转以避免接头泄漏，可以增加螺栓张力。然而，对于已知的平面或凸面法兰配置，某些核反应堆模块所需的螺栓张力量对于市售工具来说可能过高。开发定制螺栓张紧工具和过程可能需要大量的资本投资、测试和原型制作。

本文描述的一些实施例包括用于核反应堆模块的双凸面自激励式容器封闭法兰。该法兰可以包括两个凸面，以在接触面与螺栓轴线之间产生机械杠杆作用。两个凸面可以有少量的偏移，以便在螺栓张紧期间对容器壳去激励和激励(一个或更多个)密封表面。去激励的壳在施加压力期间变形的程度可能比其他核反应堆模块更小，这可以稳定接头，防止旋转和撬动。这种配置可以使螺栓负荷显著降低到可以使用市售螺栓张紧工具的范围。

减少的螺栓负荷可能导致更紧凑的设计——对于给定的压力负荷，法兰可能比已知核反应堆模块中使用的法兰更小。例如，尽管对于给定的压力负荷，平坦表面法兰的尺寸可能需要具有与容器直径相同的长度(以提供相同长度的平面表面)，但是对于相同的压力负荷，可以通过使用凸面法兰来减小该尺寸，并且对于相同压力负荷通过提供偏移来进一步减小该尺寸，从而为给定压力负荷提供总体上更紧凑的法兰。图2A-2B示出了可用于RPV和/或安全壳容器的容器法兰接头。容器法兰接头可以利用这里描述的任何紧凑型凸面法兰组件。

此外，由于需要防漏法兰的任何应用都可以受益于更紧凑的法兰(例如，降低的材料成本)，因此本文所描述的任何紧凑的凸面法兰都可以用于需要防漏法兰的任何环境，例如海洋环境、管道、流体(例如，液体或气体)储存容器等，即使尺寸的比例可能与核反应堆容器完全不同。

图3示出了根据各种实施例使用双凸面的紧凑型凸面法兰组件10的剖视图。组件10可包括形成在壳侧壁18(例如，上侧壁或下侧壁)上的凸面法兰11(例如，上法兰或下法兰)和形成在壳(例如，上壳或下壳中的另一个)的侧壁19上的配合法兰12(例如，上法兰或下法兰中的另一个)。组件10可以包括螺栓5(和相关联的螺栓紧固件，未示出)，以施加张力来将法兰11和12保持在一起以形成密封。例如，螺栓5可以压缩位于法兰11与12之间的垫圈(未示出)以形成密封。

凸面法兰11可包括限定螺栓5开口的螺栓固定圆面25和一对偏移凸面。该对偏移凸面可以包括相对于外径凸面22偏移的内径凸面21。特别地，外径凸面22的区域与螺栓固定圆面25的平面之间的距离可以大于内径凸面21的区域与螺栓固定圆面25的平面之间的距离，以维持密封。

这对凸面可包括任何已知法兰中使用的任何密封特征部。例如，内径凸面21可以包括一个或更多个凹槽，以分别接纳一个或更多个环形垫圈。在一些示例中，内径凸面21的暴露部分可以与配合法兰的相对应表面接触(例如，密封特征部可以位于形成在这些表面中一个或两个表面中的通道内)。

在该示例中，这对偏移凸面的表面完全在平行平面中(例如，两个表面都是平坦的并且没有倾斜)，这可以降低加工复杂性。在其它示例中，取决于可用的加工选项，内径凸面21的表面可以倾斜，更薄的部段更靠近螺栓开口。该倾斜可以是沿着内径凸面21的整个表面的线性倾斜或非线性倾斜。其中较薄部段更靠近螺栓开口的倾斜表面可以进一步沿着内径凸面的表面分布压力(例如，补偿由最靠近螺栓开口的表面区域上的更大力引起的“鱼嘴”撬动)。在线性倾斜的情况下，内径凸面21的整个表面可以位于与外径凸面22的表面所在的平面相交的平面中。在一些示例中，外径凸面22也可以包括倾斜，并且该倾斜可以对应于内径凸面倾斜(例如，同时倾斜)。

为了强调起见，图中的偏移不是按比例的。在一些核反应堆模块应用中，偏移可以是大约30密耳(例如，外径凸面22可以比内径凸面厚大约30密耳，比如20-40密耳)。在紧凑型凸面法兰组件10更小或更大的其他应用中，偏移也可以更小或更大。偏移的厚度可以基于容器侧壁(例如，管道侧壁)的可变形性、凸面法兰主体的柔性、所需的螺栓张力、成对偏移凸面之间的距离、或压力装置(例如，容器、管道、船体、舱口等或其组合)和/或凸面法兰组件10的任何其他特性来选择。

在图示的示例中，配合法兰12包括平面。在其他示例中，在配合法兰12上使用差曲面是可能的和实用的。例如，在配合法兰12上包括凸面是可能的和实用的(并且配合法兰12上的凸面可以包括或不包括任何偏移，这取决于凸面法兰11的这对凸面包括多少偏移)。

凸面法兰组件10可与本文所描述的任何压力装置(如容器)一起使用。例如，在凸面法兰组件10用于与图2A-2B所示容器类似的容器的示例中，面21、22和25以及一个或更多个凹槽13可以形成连续的环形形状。螺栓固定圆面25可以包括用于任意数量螺栓5的任意数量的螺栓开口，以包围容器。如本文所描述，每个螺栓的螺栓张力可以小于一些已知容器法兰接头中使用的螺栓张力。因此，螺栓可能更小，法兰的尺寸也可能更小。因此，与基于已知法兰的容器法兰接头相比，法兰可从容器中突出更少，从而减小核反应堆模块的总占用空间。

凸面法兰11或本文描述的任何其他法兰的任何特征可用于盲法兰、容器喷嘴覆盖物、螺栓固定阀、阀盖等。在一些示例中，盲法兰、容器喷嘴覆盖物、螺栓固定阀、阀盖等可以包括类似于凸面法兰11的双凸面的双凸面。

图4示出了根据各种实施例，在容器中的内部压力下作用在紧凑型凸面法兰组件30上的内力。紧凑型凸面法兰组件30可类似于本文所描述的任何紧凑型凸面法兰组件，例如紧凑型凸面法兰组件10(图3)。内力可以包括与内径凸面31相关联的接触力35、与外径凸面32相关联的接触力36、容器壳中的端帽压力33和螺栓张力34。

撬动可能主要由端帽压力33引起，因为该力33可能偏离螺栓中心。法兰的这种杠杆作用和旋转可能由于法兰本身的柔性而加剧(给定法兰具有有限的厚度/刚度)。法兰的旋转可以由杠杆臂的几何距离(除了法兰厚度之外还有L₁和L₂)和法兰系统中的力的大小来控制。

虽然系统的平衡可以通过内力来维持，但仅靠内力并不能确保接头防漏。为了防止通过法兰的泄漏，密封表面处的接触可以维持在密封件回弹以下。通过增加螺栓张力，法兰内径处的接触力可以维持在密封件处。然而，这可能需要大量的螺栓负荷。

为了稳定接头旋转，可以在法兰的两个凸面之间引入小的偏移，使得外径的厚度可以略大于内径的厚度。图5A是指示凸面之间没有偏移的情况下凸面法兰中内力分布的热图，图5B是指示在偏移较小的情况下凸面法兰中内力分布的热图。图5A和5B示出了当施加相同的螺栓负荷时，有(图5B)小偏移和没有(图5A)小偏移的情况下，法兰的相对应力分布。

成对凸面的小偏移的效果本身表现在两个观察结果上。首先，密封凹槽处的接触应力分布450显示出包括小偏移时的更均匀和集中的分布。更好的接触力可以确保防漏的密封布置。第二，当包括小偏移时，在从法兰到容器壳的过渡区域附近，容器壳应力451可以减小。结果，当容器壳去激励(例如，不变形)时，更多的螺栓张力应变能量可用于保持接头紧密。该特征可被称为密封接头上的小偏移的自激励特性。保持接头防漏所需的螺栓负荷可减少30-40％以上，这在某些核反应堆模块中可允许使用市售设备。

本文所描述的任何紧凑型凸面法兰可通过锻造形成，例如锻造的容器壳，其上面形成有紧凑型凸面法兰。在另一些示例中，在锻造之后铣削一个凸面以例如形成线性倾斜或非线性倾斜是可能的和实用的。图6示出了根据各种实施例的具有线性倾斜内凸面的紧凑凸面法兰组件50的剖视图。非线性倾斜可以具有弯曲轮廓，该弯曲轮廓可基于法兰的预期变弯(例如，对于给定的螺栓张力/容器壳刚度，该弯曲轮廓可以匹配螺栓固定圆面的预期变形的弯曲轮廓)。如前文所提及，在一些示例中，在外凸面上也提供倾斜(例如，对应于内凸面倾斜的倾斜)可能是有益的。

在图示的示例中，核反应堆容器的容器可以类似于两根管道。然而，这里描述的任何紧凑的凸面法兰可以用于其他情况。例如，一些核反应堆容器可包括圆柱形容器和半球形头部，以为内部压力起作用提供更直接和更有利的负荷路径，并且这里描述的任何紧凑的凸面法兰当然可用于这些核反应堆容器。此外，在一些应用中，上面可以使用本文所描述的任何紧凑型凸面法兰的压力装置可以是任何其它形状(不一定包括类似管道的任何侧壁)。

已经对附图进行了参考，这些附图形成了说明书的一部分，并且其中通过图示的方式示出了具体的实施方式。虽然这些公开的实施方式被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实践这些实施方式，但是应当理解，这些示例不是限制性的，从而可以使用另一些实施方式，并且可以在不脱离其精神和范围的情况下对公开的实施方式进行改变。

示例

示例1是一种凸面法兰，其包括：螺栓固定面，分别为一个或更多个螺栓限定一个或更多个开口；一对凸面，其包括设置在第一平面中的第一凸面和第二凸面，以在核反应堆模块中形成密封，第二凸面设置在不同于第一平面的第二平面中；其中，螺栓固定面设置在不同于第一平面和第二平面的第三平面中；并且其中，第二凸面的区域与第三平面之间的距离大于第一平面与第三平面之间的距离，以将与配合法兰的接触力分布在第二凸面的区域上，从而维持密封。

示例2可以包括示例1的主题和/或这里的任何其他示例，其中，第一平面和第二平面不相交。

示例3可以包括示例1和/或本文的任何其他示例的主题，其中，第一平面和第二平面相交。

示例4可包括示例1-3和/或本文任何其它示例的主题，其中，第二凸面包括一个或更多个特征部以在其上或其中安装垫圈。

示例5可以包括示例1-4中任一个和/或本文的任何其他示例的主题，其中，垫圈包括一个或更多个环形垫圈，并且其中，一个或更多个特征部包括一个或更多个凹槽以分别接纳一个或更多个环形垫圈。

示例6可以包括示例1-5中任一个和/或本文的任何其他示例的主题，其中，第二凸面的表面包括线性倾斜，该线性倾斜表面具有第一部段，该第一部段比线性倾斜表面的第二不同部段更远离第三平面，并且其中，第二部段比第一部段更远离一个或更多个螺栓开口中最近的一个。

示例7可包括示例1-6中任一个和/或本文任何其它示例的主题，其中，密封件包括核反应堆模块的反应堆容器的密封件。

示例8可包括示例1-6中任一个和/或本文任何其它示例的主题，其中，密封件包括核反应堆模块的安全壳容器的密封件。

示例9可以包括示例1-8中任一个和/或本文的任何其他示例的主题，其中，第一凸表面和第二凸表面中的每一个沿着环形形状是连续的。

示例10可以包括示例1-9中任一个和/或本文的任何其它示例的主题，其中，基于上面安装有凸面法兰的压力装置的侧壁的可变形性来选择各个距离之间的差异。

示例11是一种核反应堆模块的容器，该容器包括：容器法兰接头，其将容器的第一圆柱形侧壁联接到容器的第二侧壁；该容器法兰接头包括使用一个或更多个螺栓联接到下法兰的上法兰，其中，上法兰或下法兰包括：分别为一个或更多个螺栓限定一个或更多个开口的螺栓固定面；一对凸面，其包括第一凸面和第二凸面，以与上法兰或下法兰中的另一个的配合表面接触；并且其中，第二凸面的区域与对应于螺栓固定面的平面之间的距离大于第一凸面的区域与第三平面之间的距离，以在第二凸面的区域上分布与配合法兰的接触力，从而优化容器法兰接头的密封。

示例12可包括示例11和/或本文任何其他示例的主题，其中，第二侧壁包括第二圆柱形侧壁。

示例13可包括示例11-12和/或本文任何其它示例的主题，其中，容器包含反应堆冷却剂。

示例14可包括示例11-13和/或本文任何其它示例的主题，其中，容器包含反应堆压力容器或用于反应堆压力容器的安全壳容器。

示例15可以包括示例11-14中任一个和/或本文的任何其它示例的主题，其中，容器法兰接头包括第一容器法兰接头，并且其中，反应堆压力容器包括第二容器法兰接头。

示例16是一种凸面法兰组件，其包括：使用一个或更多个螺栓联接到下法兰的上法兰：其中，上法兰或下法兰包括：分别为一个或更多个螺栓限定一个或更多个开口的螺栓固定面；一对凸面，其包括第一凸面和第二凸面，以与上法兰或下法兰中的另一个的配合表面接触；并且其中，第二凸面的区域与对应于螺栓固定面的平面之间的距离大于第一凸面的区域与该平面之间的距离，以将与配合表面的接触力分布在第二凸面的区域上，从而维持密封。

示例17可包括示例16和/或本文任何其它示例的主题，其中，密封件一个或更多个垫圈形成，一个或更多个垫圈位于第二凸面上形成的一个或更多个凹槽中。

示例18可包括示例16-17和/或本文任何其它示例的主题，其中，上法兰形成在具有圆柱形主体的容器的第一圆柱形侧壁的边缘上，下法兰形成在容器的第二不同圆柱形侧壁的边缘上。

示例19可包括示例16-18中任一个和/或本文中任何其它示例的主题，其中，容器包括安全壳容器或核反应堆容器。

示例20可包括示例16-19中任一个和/或本文任何其它示例的主题，其中，各个距离之间的差异在20-40密耳的范围内。

已经描述和说明了优选实施例的原理，应该清楚的是，在不脱离这些原理的情况下，可以在布置和细节上修改实施例。权利要求涵盖了在以下权利要求的精神和范围内的所有修改和变化。

Claims (20)

1.一种凸面法兰系统，所述凸面法兰系统包括相互面对的两个法兰，其中所述两个法兰中的第一个法兰是凸面法兰，所述两个法兰中的第二个法兰是平面法兰，

所述凸面法兰具有：

螺栓固定面，其分别为一个或更多个螺栓限定一个或更多个开口；以及

一对凸面，其包括：第一凸面，所述第一凸面设置在第一平面中；以及第二凸面，以在核反应堆模块中形成密封，所述第二凸面设置在不同于所述第一平面的第二平面中；

其中，所述螺栓固定面设置在不同于所述第一平面和第二平面的第三平面中；

其中，所述螺栓固定面、所述第一凸面以及所述第二凸面面向同一方向；并且

其中，所述凸面法兰的所述第一凸面的区域与所述第三平面之间的距离大于所述凸面法兰的所述第二平面与所述第三平面之间的距离，以将所述凸面法兰与相配合的平面法兰的接触力分布在所述凸面法兰的所述第二凸面的区域上，从而维持所述密封。

2.根据权利要求1所述的凸面法兰系统，其中，所述第一平面和第二平面不相交。

3.根据权利要求1所述的凸面法兰系统，其中，所述第一平面和第二平面相交。

4.根据权利要求1所述的凸面法兰系统，其中，所述第二凸面包括一个或更多个特征部以在其上或其中安装垫圈。

5.根据权利要求4所述的凸面法兰系统，其中，所述垫圈包括一个或更多个环形垫圈，并且其中，所述一个或更多个特征部包括一个或更多个凹槽，以分别接纳所述一个或更多个环形垫圈。

6.根据权利要求1所述的凸面法兰系统，其中，所述第二凸面的表面包括线性倾斜，该线性倾斜表面具有的第一部段比所述线性倾斜表面具有的不同的第二部段更远离所述第三平面，并且其中，所述第二部段比所述第一部段更远离所述一个或更多个螺栓开口中的最近的一个螺栓开口。

7.根据权利要求1所述的凸面法兰系统，其中，所述密封包括所述核反应堆模块的反应堆容器的密封。

8.根据权利要求1所述的凸面法兰系统，其中，所述密封包括所述核反应堆模块的安全壳容器的密封。

9.根据权利要求1所述的凸面法兰系统，其中，所述第一凸面和第二凸面均是沿着环形形状而连续的。

10.根据权利要求1所述的凸面法兰系统，其中，各个距离之间的差异是基于压力装置的侧壁的可变形性来选择的，所述凸面法兰系统安装在所述压力装置的侧壁上。

11.一种核反应堆模块的容器，所述容器包括：

容器法兰接头，用于将所述容器的第一圆柱形侧壁联接到所述容器的第二侧壁；

所述容器法兰接头包括上法兰，所述上法兰使用一个或更多个螺栓联接到下法兰，其中，所述上法兰和所述下法兰中的一者是平面法兰，并且其中所述上法兰和所述下法兰中的另一者是凸面法兰，所述凸面法兰包括：

螺栓固定面，其为所述一个或更多个螺栓相应地限定一个或更多个开口；

一对凸面，其包括第一凸面和第二凸面，用以与所述平面法兰的配合表面相接触，所述第一凸面以及所述第二凸面和所述螺栓固定面面向同一方向；并且

其中，所述凸面法兰的所述第一凸面的区域与对应于所述螺栓固定面的平面之间的距离大于所述凸面法兰的所述第二凸面的区域与对应于所述螺栓固定面的所述平面之间的距离，以在所述凸面法兰的所述第二凸面的区域上分布所述凸面法兰与相配合的平面法兰的接触力，从而优化所述容器法兰接头的密封。

12.根据权利要求11所述的容器，其中，所述第二侧壁包括第二圆柱形侧壁。

13.根据权利要求11所述的容器，其中，所述容器包含反应堆冷却剂。

14.根据权利要求11所述的容器，其中，所述容器包含反应堆压力容器或用于反应堆压力容器的安全壳容器。

15.根据权利要求14所述的容器，其中，所述容器法兰接头包括第一容器法兰接头，并且其中，所述反应堆压力容器包括第二容器法兰接头。

16.一种凸面法兰组件，其包括：

上法兰，其使用一个或更多个螺栓而联接到下法兰；

其中，所述上法兰和所述下法兰中的一者是平面法兰，并且其中所述上法兰和所述下法兰中的另一者是凸面法兰，所述凸面法兰包括：

螺栓固定面，其为所述一个或更多个螺栓相应地限定一个或更多个开口；

一对凸面，其包括第一凸面和第二凸面，用以与所述平面法兰的配合表面相接触；

其中，所述螺栓固定面和所述第一凸面以及所述第二凸面面向同一方向；并且

其中，所述凸面法兰的所述第一凸面的区域与对应于所述螺栓固定面的平面之间的距离大于所述凸面法兰的所述第二凸面的区域与对应于所述螺栓固定面的所述平面之间的距离，以将所述凸面法兰与所述平面法兰的配合表面的接触力分布在所述凸面法兰的所述第二凸面的区域上，从而维持密封。

17.根据权利要求16所述的凸面法兰组件，其中，所述密封由一个或更多个垫圈形成，所述一个或更多个垫圈位于形成在第二凸面上的一个或更多个凹槽中。

18.根据权利要求16所述的凸面法兰组件，其中，所述上法兰形成在具有圆柱形主体的容器的第一圆柱形侧壁的边缘上，并且所述下法兰形成在所述容器的不同的第二圆柱形侧壁的边缘上。

19.根据权利要求18所述的凸面法兰组件，其中，所述容器包括安全壳容器或核反应堆容器。

20.根据权利要求16所述的凸面法兰组件，其中，各个距离之间的差在20-40密耳的范围内。

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