CN113217723B - 法兰连接密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力容器与管道法兰连接技术领域，特别涉及到一种法兰连接密封结构，基于相互连接的下法兰和上法兰，所述下法兰和上法兰的连接端面均设有垫片环，两个垫片环径向内外布置，两个垫片环之间夹有圆筒状的垫片。本发明将垫片反作用力从法兰面上分离，减小螺栓载荷，减缓螺栓蠕变变形，提高密封可靠性。将密封面从法兰本体结构分离，减小法兰切削加工量。

Description

法兰连接密封结构

技术领域

本发明属于压力容器与管道法兰连接技术领域，特别涉及到一种法兰连接密封结构。

背景技术

现在，压力容器法兰和管法兰连接从结构和密封原理上可以分为三类：强制法兰连接密封、半自紧式密封和自紧式密封。这三种密封都依靠螺栓施加给密封垫片较大的压力而形成初始密封。虽然使用时间悠久、技术成熟、经验丰富，但还是有不少问题没有解决。如，法兰往往因为刚度不足发生变形导致密封失效、高温下螺栓材料可能的蠕变变形导致螺栓出现应力松弛而导致密封失效、垫片材料性能的劣化而导致失效等。而且现有的法兰连接设计方法把垫片变形所需要的压紧力和介质力作用到法兰密封面的压力都算作螺栓载荷，依据此载荷计算螺栓直径和法兰厚度，这种设计方法造成了法兰质量和螺栓质量较大、成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种法兰连接密封结构，将垫片反作用力从法兰面上分离，减小螺栓载荷，减缓螺栓蠕变变形，提高密封可靠性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种法兰连接密封结构，基于相互连接的下法兰和上法兰，其特征在于：所述下法兰和上法兰的连接端面均设有垫片环，两个垫片环径向内外布置，两个垫片环之间夹有圆筒状的垫片。

进一步地，所述下法兰和上法兰的连接端面分别设有内垫片环和外垫片环，内垫片环和外垫片环径向内外布置；所述内垫片环为L型截面结构，其水平边与下法兰的连接端面焊接；所述外垫片环为L型截面结构，其水平边与上法兰的连接端面焊接；所述内垫片环和外垫片环的竖直边之间形成一容纳垫片的间隙。

进一步地，所述外垫片环竖直边上设有若干均匀布置的螺钉通孔，所述垫片与螺钉通孔对应处设有通孔，所述内垫片环与螺钉通孔对应处设有螺钉盲孔，所述内垫片环和外垫片环之间通过若干螺钉配合所述螺钉通孔和螺钉盲孔连接。

进一步地，所述内垫片环竖直边的内侧面设有环形的凸棱，所述凸棱正对所述螺钉盲孔，所述螺钉盲孔深入至所述凸棱；或者，所述内垫片环竖直边的内侧面设有若干凸台，所述凸台与所述螺钉盲孔一一对应，所述螺钉盲孔深入至所述凸台。

进一步地，所述内垫片环竖直边的上端面与外垫片环的水平边间隙配合，所述外垫片环竖直边的下端面与内垫片环的水平边间隙配合。

进一步地，所述垫片的上下端面分别与外垫片环的水平边和内垫片环的水平边间隙配合。

进一步地，该密封结构还包括中间环，所述中间环被夹持在下法兰和上法兰的连接端面之间，所述中间环上设有与螺栓及螺母匹配的轴向通孔。

进一步地，所述中间环的内侧面与外垫片环竖直边的外侧面接触。

进一步地，所述中间环上设有若干径向贯通的径向通孔，用于螺钉穿过。

进一步地，所述下法兰和上法兰之间通过若干的螺栓及螺母连接，若干螺栓及螺母周向均匀布置，若干螺钉与若干螺栓及螺母交错分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明将垫片反作用力从法兰面上分离，减小螺栓载荷，减缓螺栓蠕变变形，提高密封可靠性。将密封面从法兰本体结构分离，减小法兰切削加工量。

附图说明

图1是实施例中法兰连接密封结构的示意图。

图2是图1中的A-A剖视示意图。

图3是图2中的A部放大示意图。

图4是图1中的B-B剖视示意图。

图5是图4中的B部放大示意图。

图6是实施例中外垫片环的示意图。

图7是实施例中内垫片环的示意图。

图8是实施例中上法兰(或下法兰)的示意图。

图中，1、下法兰；2、中间环；3、上法兰；4、螺栓及螺母；5、密封腔；6、外垫片环；7、垫片；8、内垫片环；9、螺钉。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种法兰连接密封结构，基于相互连接的下法兰1和上法兰3(下法兰1和上法兰3的结构可以是完全相同)，如图1所示，所述下法兰1和上法兰3之间通过若干的螺栓及螺母4连接，若干螺栓及螺母4周向均匀布置。

如图2、4所示，该密封结构还包括中间环2，所述中间环2被夹持在下法兰1和上法兰3的连接端面之间，所述中间环2上设有与螺栓及螺母4匹配的轴向通孔。若干螺栓及螺母4将中间环2、上法兰3、下法兰1连接在一起。

如图2、3、4、5所示，所述下法兰1和上法兰3的连接端面分别设有L型截面结构的内垫片环8和外垫片环6，内垫片环8和外垫片环6的水平边分别与对应的法兰连接端面焊接，竖直边径向内外布置，形成一容纳垫片7的间隙，间隙内夹有圆筒状的垫片7。

如图1、4、5所示，所述外垫片环6竖直边上设有若干均匀布置的螺钉通孔，所述垫片7与螺钉通孔对应处设有通孔，所述内垫片环8与螺钉通孔对应处设有螺钉盲孔，所述内垫片环8和外垫片环6之间通过若干螺钉9配合所述螺钉通孔和螺钉盲孔连接，其中若干螺钉9与若干螺栓及螺母4交错分布。而且中间环2的内侧面应于与外垫片环6竖直边的外侧面接触，中间环2上还设有若干径向贯通的径向通孔，用于螺钉9穿过。

如图3、5所示，所述内垫片环8竖直边的内侧面设有环形的凸棱，所述凸棱正对所述螺钉盲孔，所述螺钉盲孔深入至所述凸棱；或者，所述内垫片环8竖直边的内侧面设有若干圆柱形的凸台，所述凸台与所述螺钉盲孔一一对应，所述螺钉盲孔深入至所述凸台。其中凸棱或者凸台的设计均是用于增加内垫片环8竖直边的厚度，提供足够深的螺钉盲孔。所述内垫片环8竖直边的上端面与外垫片环6的水平边间隙配合，所述外垫片环6竖直边的下端面与内垫片环8的水平边间隙配合。所述垫片7的上下端面分别与外垫片环6的水平边和内垫片环8的水平边间隙配合。

上述法兰连接密封结构的设计方案：

1、垫片设计

垫片7基本形状为圆筒形，如图3、5所示，圆柱面上均匀分布着圆形通孔，孔径略大于内六角圆柱头螺钉(即螺钉9)，数量可以是螺栓(以下均指螺栓及螺母4中的螺栓)的1-2倍。垫片7厚度取1.0-3.0mm，高度取20-40mm。垫片7材料采用非金属材料、金属材料或(非金属和金属的)复合材料。

2、垫片环设计

垫片环(内垫片环8和外垫片环6)应采用耐介质腐蚀的金属材料。垫片环基本结构如图6、7。Фd1等圆周的直径可参考现有法兰密封面尺寸确定。其余尺寸如下：

δ2＝δ3＝4mm

δ1＝6mm

δ4＝2-3mm。

3、法兰结构设计

本方案的法兰仍可分板式法兰、带颈法兰和长颈法兰等。法兰与设备筒体或管道的连接方式也分平焊、对焊两种。但是法兰密封端面不再作为密封面，而且配对连接的两个法兰(下法兰1和上法兰3)结构完全相同。其中板式容器法兰结构如图8。

螺栓载荷为：W＝0.25p_cπD₃ ²，

式中，

p_c为计算压力，

D₃为法兰密封腔直径。

设螺栓个数为n，螺栓直径为：

式中，[σ]_b ^t为螺栓材料在设计温度下的许用应力。

高压密封时，还应计算螺栓的剪切强度。螺栓受到的剪切载荷按下式计算：Q＝p_cπD₄l，

式中，

D₄为内垫片环8内直径，

l为内垫片环8的高度。

螺栓受剪切所需要的直径为：

式中，[τ]_b ^t为螺栓材料在设计温度下的剪切许用应力。

上述两个直径取较大者为螺栓的直径。

4、法兰强度设计

法兰的外力矩由内压作用在内径截面上的轴向力和法兰端面的作用力引起，两者构成一个力偶。

外力矩为：

法兰的应力按Waters方法计算，参见GB150-2011《压力容器》或其他相关标准，不再赘述。

实例实施方法设计要求如下：

(1)上、下法兰和中间环按现有技术加工，没有特别要说明之处。内外垫片环根据直径大小加工方法有所不同。法兰直径较小时，内外垫片环可采用圆棒料经过切削加工而成。大直径管道或设备法兰时，内外垫片环的竖直边和水平边可采用焊接的方法加工。内垫片环中间用于加工螺纹孔的凸缘可以是单个的柱体凸台，也可以是一个整圆周的凸棱，与竖直边采用厚壁圆环经过切削得到。内外垫片环成为一个整体后再加工螺钉通孔和螺钉盲孔。

(2)由图5中B放大图，螺钉通孔、螺钉盲孔和中间环2上的通孔在圆周上的位置应该完全一致，因此在法兰与内外垫片环焊接时要划线确定内外垫片环相对于法兰的位置。根据划线位置，将两个法兰分别与上下垫片环焊接。由图3中A放大图中箭头所示的介质泄漏路径可知，法兰与垫片环焊接的内侧焊缝也起到密封作用，因此必须保证焊接质量。

(3)将已经焊接好垫片环的上下法兰、中间环2、垫片7按图中所示组装，并用4个螺栓及螺母4锁紧；将内六角圆柱头螺钉逐个地进行试安装。只有当全部螺钉能顺利地安装时，才表明前述工作正确合理。再将设备筒体、封头或管子分别与上下法兰(未拆开)组对，做相对位置标记。把上下法兰拆开，将上下法兰分别与筒体、封头或管子按标记方位进行焊接。

(4)按螺栓的设计载荷拧紧螺栓，将内六角圆柱头螺钉一一拧进内垫片环上，将内垫片环8、垫片7和外垫片环6锁紧，实现初始密封。升压后，介质压力作用于内垫片环8的内侧面，将垫片继续进一步压紧。介质压力通过垫片环传递给中间环2，中间环2再传递给螺栓。从原理上讲，本密封方案属于自紧式密封。

上述方案的优点和效果：采用上述方案设计法兰可以大幅降低法兰质量，简化法兰结构，避免了法兰的二次加工，密封可靠。较小的螺栓载荷减少了高温高压密封时螺栓的蠕变变形，因此本方案尤其适合于高温高压密封。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种法兰连接密封结构，基于相互连接的下法兰（1）和上法兰（3），其特征在于：所述下法兰（1）和上法兰（3）的连接端面均设有垫片环，两个垫片环径向内外布置，两个垫片环之间夹有圆筒状的垫片（7）；

所述下法兰（1）和上法兰（3）的连接端面分别设有内垫片环（8）和外垫片环（6），内垫片环（8）和外垫片环（6）径向内外布置；所述内垫片环（8）为L型截面结构，其水平边与下法兰（1）的连接端面焊接；所述外垫片环（6）为L型截面结构，其水平边与上法兰（3）的连接端面焊接；所述内垫片环（8）和外垫片环（6）的竖直边之间形成一容纳垫片（7）的间隙；

所述外垫片环（6）竖直边上设有若干均匀布置的螺钉通孔，所述垫片（7）与螺钉通孔对应处设有通孔，所述内垫片环（8）与螺钉通孔对应处设有螺钉盲孔，所述内垫片环（8）和外垫片环（6）之间通过若干螺钉（9）配合所述螺钉通孔和螺钉盲孔连接；

所述内垫片环（8）竖直边的上端面与外垫片环（6）的水平边间隙配合，所述外垫片环（6）竖直边的下端面与内垫片环（8）的水平边间隙配合；

所述垫片（7）的上下端面分别与外垫片环（6）的水平边和内垫片环（8）的水平边间隙配合。

2.根据权利要求1所述的法兰连接密封结构，其特征在于：所述内垫片环（8）竖直边的内侧面设有环形的凸棱，所述凸棱正对所述螺钉盲孔，所述螺钉盲孔深入至所述凸棱；或者，所述内垫片环（8）竖直边的内侧面设有若干凸台，所述凸台与所述螺钉盲孔一一对应，所述螺钉盲孔深入至所述凸台。

3.根据权利要求1所述的法兰连接密封结构，其特征在于：该密封结构还包括中间环（2），所述中间环（2）被夹持在下法兰（1）和上法兰（3）的连接端面之间，所述中间环（2）上设有与螺栓及螺母（4）匹配的轴向通孔。

4.根据权利要求3所述的法兰连接密封结构，其特征在于：所述中间环（2）的内侧面与外垫片环（6）竖直边的外侧面接触。

5.根据权利要求3所述的法兰连接密封结构，其特征在于：所述中间环（2）上设有若干径向贯通的径向通孔，用于螺钉（9）穿过。

6.根据权利要求1所述的法兰连接密封结构，其特征在于：所述下法兰（1）和上法兰（3）之间通过若干的螺栓及螺母（4）连接，若干螺栓及螺母（4）周向均匀布置，若干螺钉（9）与若干螺栓及螺母（4）交错分布。