CN114658945B - 一种波纹式旋转补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波纹式旋转补偿器，设有内旋转套、外旋转套、连接法兰、密封环和波纹管，所述内旋转套与外旋转套之间设有连接轴承，所述密封环设置在所述内旋转套的顶端，所述连接法兰与所述外旋转套的端面固定连接，所述波纹管设置在内旋转套、外旋转套、连接法兰和密封环之间，所述波纹管的第一侧壁顶压所述密封环，所述波纹管的第二侧壁顶压所述连接法兰。本发明的有益效果是：采用波纹管与优质碳‑石墨环配合实现旋转密封，具有良好的密封性能，且摩擦阻力小，耐摩擦性能好，使用寿命长，波纹管在管内介质的高压作用下会与密封环紧密接触，密封可靠性高。在内旋转套与外旋转套之间采用双列滚动轴承，保证了内旋转套与外旋转套顺畅地相对转动，并使内旋转套与外旋转套保持同轴状态，提高了旋转补偿器在高温高压工况下的可靠性。

Description

一种波纹式旋转补偿器

技术领域

本发明属于管道补偿器，尤其涉及一种波纹式旋转补偿器。

背景技术

两端设有固定装置的压力管道，管道会因热胀冷缩产生变形，需要设置补偿器防止管道的变形和损坏。近年来高温高压工况的管道越来越多，这就要求在管道中安装一种能够提供较大补偿量的补偿器元件，旋转补偿方法可以较大的补偿量，这种补偿器的一种典型结构是：旋转补偿器安装在竖直的两个旋转臂上，并设有一定的间距，当两侧直线管道热膨胀时，会推动这两个补偿器旋转，从而达到补偿管道热胀位移之目的。目前存在一种旋转补偿器，采用密封填料填充在外旋转套与内旋转套之间，从使用效果来看，这种旋转补偿器高温工况下比较容易泄露，原因是其密封填料高温易氧化挥发；另外，密封填料与外旋转套与内旋转套之间存在较大的摩擦阻力，其旋转结构的设计也存在运转不畅的缺陷，加之受安装施工以及管道变形的影响，补偿器容易出现不同轴而泄露。

发明内容

本发明的目的是提出一种波纹式旋转补偿器的技术方案，改进旋转补偿器的密封可靠性和转动性能，提高高温高压工况下旋转补偿器的可靠性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种波纹式旋转补偿器，设有内旋转套、外旋转套、连接法兰、密封环和波纹管，所述内旋转套与外旋转套之间设有连接轴承，所述密封环设置在所述内旋转套的顶端，所述连接法兰与所述外旋转套的端面固定连接，所述波纹管设置在内旋转套、外旋转套、连接法兰和密封环之间，所述波纹管的第一侧壁顶压所述密封环，所述波纹管的第二侧壁顶压所述连接法兰。

更进一步，为了使波纹管稳定的设置在密封位置，所述内旋转套的内孔与波纹管的第一管套转动配合，所述连接法兰的内孔与波纹管的第二管套固定配合，所述外旋转套设有与所述波纹管的波峰对应的第一波峰槽，所述密封环设有与所述波纹管的第一侧壁滑动接触的第一弧面，所述连接法兰设有与所述波纹管的波峰和第二侧壁对应的波纹管适配槽。

更进一步，为了使波纹管实现可靠的密封功能，所述波纹管是V型波纹管，所述波纹管在自由状态下第一侧壁和第二侧壁的张角为20°，所述波纹管在安装状态下被所述连接法兰和密封环压缩到所述张角为15°。

更进一步，一种优选的密封环材质是，所述密封环是材质为碳-石墨的密封环。

更进一步，为了使密封环保持与内旋转套同轴并与内旋转套稳固连接，所述内旋转套的顶端设有台阶轴，所述密封环设有与所述内旋转套的台阶轴配合的台阶孔。

更进一步，一种连接轴承的结构是，所述连接轴承是设置在所述内旋转套与外旋转套之间的双列滚珠，所述内旋转套和外旋转套分别设有容纳所述双列滚珠的两圈滚珠槽，所述外旋转套设有位置对应于所述滚珠槽的两个滚珠安装孔。

更进一步，另一种连接轴承的结构是，所述连接轴承是设置在所述内旋转套和外旋转套之间的两件向心推力轴承，所述外旋转套设有轴承安装槽孔，所述两件向心推力轴承固定在所述轴承安装槽孔中，两件向心推力轴承的内圈背对背设置，两件向心推力轴承的内圈之间设有轴承隔套，所述内旋转套设有与所述向心推力轴承内圈接触的轴向定位环，所述轴向定位环阻止所述内旋转套向脱离所述波纹管的方向移动。

更进一步，一种向心推力轴承的组装结构是，所述轴承安装槽孔的端口背向所述连接法兰，所述轴承安装槽孔的端口处设有与所述向心推力轴承外圈接触的轴承固定环，所述内旋转套的轴向定位环与所述轴承安装槽孔的底面之间的间隙不大于3mm。

更进一步，另一种向心推力轴承的组装结构是，所述轴承安装槽孔的端口朝向所述连接法兰，所述外旋转套设有与所述连接法兰连接的外套法兰，在所述轴承安装槽孔的端口内设有外活动套，所述外活动套的一端连接所述连接法兰，所述外活动套的另一端接触所述向心推力轴承的外圈，所述外活动套设有与所述波纹管的波峰对应的第一波峰槽，所述内旋转套的轴向定位环与所述外活动套之间的间隙不大于3mm。

本发明的有益效果是：采用波纹管与优质碳-石墨环配合实现旋转密封，具有良好的密封性能，且摩擦阻力小，耐摩擦性能好，使用寿命长，波纹管在管内介质的高压作用下会与密封环紧密接触，密封可靠性高。在内旋转套与外旋转套之间采用双列滚动轴承，保证了内旋转套与外旋转套顺畅地相对转动，并使内旋转套与外旋转套保持同轴状态，提高了旋转补偿器在高温高压工况下的可靠性。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

附图说明

图1 是本发明结构图,采用双列滚珠轴承结构；

图2是本发明结构分解图；

图3是本发明结构剖视图；

图4是本发明波纹管图，包括（a）波纹管自由状态图，（b）波纹管组装状态图，（c）波纹管受力状态示意图；

图5是本发明与管道法兰的连接结构图；

图6是本发明在管道系统中的安装示意图；

图7是本发明采用向心推力轴承的结构图，采用焊接的轴承固定环；

图8是图7结构的结构分解图；

图9是图7结构的剖视图；

图10是本发明采用向心推力轴承的结构图，采用外活动套固定向心推力轴承；

图11是图10结构的结构分解图；

图12是图10结构的剖视图；

图13是原有技术的旋转补偿器结构图。

具体实施方式

如图1至图4，一种波纹式旋转补偿器，设有内旋转套10、外旋转套20、连接法兰30、密封环40和波纹管50，所述内旋转套与外旋转套之间设有连接轴承，所述密封环设置在所述内旋转套的顶端，所述连接法兰与所述外旋转套的端面21固定连接，所述波纹管设置在内旋转套、外旋转套、连接法兰和密封环之间，所述波纹管的第一侧壁51顶压所述密封环，所述波纹管的第二侧壁52顶压所述连接法兰。

所述内旋转套的内孔与波纹管的第一管套53转动配合，所述连接法兰的内孔与波纹管的第二管套54固定配合，所述外旋转套设有与所述波纹管的波峰55对应的第一波峰槽22，所述密封环设有与所述波纹管的第一侧壁滑动接触的第一弧面41，所述连接法兰设有与所述波纹管的波峰和第二侧壁对应的波纹管适配槽31。

如图4所示，所述波纹管是V型波纹管，所述波纹管在自由状态下第一侧壁和第二侧壁的张角为α=20°，所述波纹管在安装状态下被所述连接法兰和密封环压缩到所述张角为β=15°。

所述密封环是材质为碳-石墨的密封环。

所述内旋转套的顶端设有台阶轴11，所述密封环设有与所述内旋转套的台阶轴配合的台阶孔42。

所述连接轴承是设置在所述内旋转套与外旋转套之间的双列滚珠60，所述内旋转套和外旋转套分别设有容纳所述双列滚珠的两圈滚珠槽（12,23），所述外旋转套设有位置对应于所述滚珠槽的两个滚珠安装孔24。

如图7至图12，所述连接轴承是设置在所述内旋转套和外旋转套之间的两件向心推力轴承70，所述外旋转套设有轴承安装槽孔25，所述两件向心推力轴承固定在所述轴承安装槽孔中，两件向心推力轴承的内圈71背对背设置，两件向心推力轴承的内圈之间设有轴承隔套72，所述内旋转套设有与所述向心推力轴承内圈71接触的轴向定位环13，所述轴向定位环阻止所述内旋转套向脱离所述波纹管的方向移动。

如图7至图9，向心推力轴承的一种安装结构是，所述轴承安装槽孔的端口背向所述连接法兰30，所述轴承安装槽孔的端口处设有与所述向心推力轴承外圈73接触的轴承固定环74，所述内旋转套的轴向定位环13与所述轴承安装槽孔的底面之间的间隙S1不大于3mm。

如图10至图12，向心推力轴承的另一种安装结构是，所述轴承安装槽孔的端口27朝向所述连接法兰30，所述外旋转套设有与所述连接法兰连接的外套法兰28，在所述轴承安装槽孔的端口内设有外活动套29，所述外活动套的一端连接所述连接法兰，所述外活动套的另一端接触所述向心推力轴承的外圈73，所述外活动套设有与所述波纹管的波峰对应的第一波峰槽22，所述内旋转套的轴向定位环与所述外活动套之间的间隙S2不大于3mm。

实施例一：

旋转补偿器是管道中安装的补偿器元件，补偿管道热膨胀产生的补偿量。旋转补偿器安装在竖直的两个旋转臂上，并设有一定的间距，当两侧直线管道热膨胀时，会推动这两个补偿器旋转，从而达到补偿管道热胀位移之目的。如图13所示，目前存在一种旋转补偿器，设有内旋转套91和外旋转套92，采用密封填料93填充在外旋转套与内旋转套之间，在内旋转套和外旋转套之间还设有一圈滚珠94作为轴承。这种旋转补偿器的缺陷是，密封填料在高温工况易氧化挥发，产生泄露；另外，密封填料需要塞紧在外旋转套与内旋转套之间，会产生较大的摩擦阻力，是旋转补偿器运转不畅，单列的滚珠轴承结构稳定性不佳，加之受安装施工以及管道变形的影响，使外旋转套与内旋转套容易出现不同轴而泄露。为了解决这些技术问题，本发明提出了一种波纹式旋转补偿器的技术方案。

如图1至图4 ，一种波纹式旋转补偿器，设有内旋转套10、外旋转套20、连接法兰30、密封环40和波纹管50，内旋转套与外旋转套之间设有连接轴承60。

如图4（a）所示，波纹管50是V型波纹管，其断面结构包括第一侧壁51、第二侧壁52、第一管套53、第二管套54和波峰55。波纹管在自由状态下第一侧壁和第二侧壁的张角为α=20°。

内旋转套10的顶端设有台阶轴11，用于连接密封环。内旋转套的尾端设有焊接坡口14，用于与管道或管道法兰焊接。内旋转套设有两圈滚珠槽12。

外旋转套的端面21设有螺孔26，外旋转套在端面21的内孔端口设有第一波峰槽22，第一波峰槽22的断面形状对应于波纹管的波峰55的形状。外旋转套的内孔设有两圈滚珠槽23，外旋转套设有位置对应于滚珠槽的两个滚珠安装孔24，滚珠安装孔24连通滚珠槽23。

连接法兰30设有与波纹管的波峰55和第二侧壁52对应的波纹管适配槽31。连接法兰30的管端设有焊接坡口33，用于与管道或管道法兰焊接。

本实施例中，内旋转套10、外旋转套20、连接法兰30采用不锈钢材质。

密封环40是材质为碳-石墨的密封环，密封环设有与波纹管的第一侧壁对应的第一弧面41，密封环设有与内旋转套的台阶轴11配合的台阶孔42。

密封环通过台阶孔42安装在内旋转套的顶端，台阶轴11使密封环保持与内旋转套同轴，台阶轴11还可以使内旋转套与密封环连接稳固，避免内旋转套与密封环产生滑动。

内旋转套以转动配合安装在外旋转套的内孔中。连接轴承60是设置在内旋转套与外旋转套之间的双列滚珠60，双列滚珠60被容纳在内旋转套的两圈滚珠槽12和外旋转套的两圈滚珠槽23内，滚珠60通过外旋转套的滚珠安装孔24放入内旋转套的滚珠槽12和外旋转套的滚珠槽23内，并由螺钉61封闭。通过滚珠安装孔24还可以对连接轴承60加注润滑剂。

连接法兰30采用螺栓32与外旋转套的端面21固定连接。波纹管50设置在内旋转套、外旋转套、连接法兰和密封环之间，在旋转补偿器完成安装后，波纹管的第一侧壁51顶压密封环的第一弧面41，波纹管的第二侧壁52顶压连接法兰的波纹管适配槽31，波纹管的波峰55被固定在外旋转套的第一波峰槽22与连接法兰的波纹管适配槽31形成的圆弧槽内，波纹管的第一管套53与内旋转套的内孔转动配合，波纹管的第二管套54与连接法兰的内孔固定配合。受到连接法兰30与密封环40的顶压，波纹管在安装状态下被连接法兰和密封环压缩到张角为β=15°（如图4（b）所示）。为了防止波纹管50与连接法兰30之间产生泄漏，并实现固定连接，在第二管套54的端头波纹管与连接法兰的内孔焊接56固定。当内旋转套与外旋转套发生相对转动时，密封环的第一弧面41与波纹管的第一侧壁滑动接触，实现动态密封。

波纹式旋转补偿器通过内旋转套的尾端的焊接坡口14和连接法兰管端的焊接坡口33连接管道，波纹式旋转补偿器可以直接与管道焊接，也可以与法兰盘81焊接，通过法兰盘连接管道80，如图5、图6所示。

如图6，两件波纹式旋转补偿器安装竖直设置，并相隔一定的间距，波纹式旋转补偿器的下端通过法兰盘81和弯头82连接管道80，两波纹式旋转补偿器的上端通过法兰盘81和U型管道83互相连接。当两侧直线管道热膨胀时，会推动两个波纹式补偿器旋转，从而达到补偿管道热胀位移之目的。

本发明中，外旋转套和内旋转套的结合面均为精加工而成。波纹管为耐腐蚀和耐高温的不锈钢材质，其一端焊接在连接法兰上另一端插入内旋转套；连接法兰和外旋转套加工出与波纹管的波峰贴合的圆弧形槽，这个圆弧形槽可以使波纹管耐受高压。密封环一侧加工成与波纹管贴合的圆弧，当波纹管圆弧与石墨环紧密贴合时，可以达到密封的效果；密封环另一侧通过阶梯孔与内旋转套端头贴合并密封。在介质内压作用下，如图4（c），波纹管有向外伸长趋势，这个趋势可以形成对石墨环的压紧，从而达到石墨环两侧密封的效果。

内旋转套与外旋转套之间设计有双列滚珠作为轴承，一个作用是保证内旋转套相对外旋转套可以自由转动，另一个作用是保证内旋转套和外旋转套同轴，具备良好的转动密封效果。还有一个作用是抵抗波纹管产生的内压推力，使内旋转套与外旋转套在轴线方向上保证稳定，圆周方向可以相对自由旋转。

波纹管在制造时，是一个夹角20度的V型波，当安装完成时，波纹管变成15度夹角V型波，这时候波纹管会有一个弹性反力作用在密封环上，不锈钢波纹管和石墨环会紧密接触，使得补偿器初始状态下处于密封状态。也就是说在介质没有压力时，补偿器也能处于密封状态。

本发明采用了碳-石墨的密封环材质的密封环。石墨材质的密封环可分为柔性石墨环和碳-石墨环。碳-石墨环主要用在机械旋转部位的密封。碳-石墨环具有耐高温 耐腐蚀耐磨损的特性，并具备自润滑性好，回弹系数高的特点。

对于不同工况，密封环还可以采用其他材料，比如碳化硅等。

本发明的密封结构，利用了波纹管在内压状态下会伸长这个物理原理，内压（介质压力）越高，密封效果越好。

不锈钢和优质石墨都是耐高温、耐磨材料，可以保证产品的长久密封和耐压性能。

石墨材质的密封环适应于热水、高温、高压蒸汽、热交换液、氮气、有机溶剂、碳氢化合物、低温液体等介质。用于压缩机、机泵、阀门、化工仪器、仪表等。其技术参数为：耐压压力(MPa):25 ,温度适应范围(℃):-200～850，线速度(m/s):30 ，PH适应值:0～14。适用范围广，经济性高。

石墨环分为柔性石墨和碳-石墨环。碳-石墨环主要用在机械旋转部位的密封。碳-石墨环具有耐高温 耐腐蚀耐磨损的特性。我们这里采用的是碳-石墨环，其性能与特点:自润滑性好；回弹系数高。

实施例二：

如图7至图9 ，一种波纹式旋转补偿器。本实施例是实施例一的一种改进方案。实施例一中，内旋转套10和外旋转套20之间的连接轴承60采用了双列滚珠结构的轴承，可以实现内旋转套相对外旋转套可以自由转动，并使内旋转套和外旋转套具备良好的同轴性能，使内旋转套与外旋转套在轴线方向上保证稳定。但若应用在高压和/或大口径的管道系统中，内旋转套与外旋转套在盲板力的作用下会受到较大的轴向力，连接轴承60也会产生较大的轴向载荷。而这种滚珠轴承结构并不具备良好的轴向承载能力。

本实施例中，连接轴承是设置在内旋转套10和外旋转套20之间的两件向心推力轴承70。

外旋转套设有轴承安装槽孔25，轴承安装槽孔的端口背向连接法兰30，两件向心推力轴承安装在轴承安装槽孔25中。两件向心推力轴承的外圈73与轴承安装槽孔25配合。两件向心推力轴承的内圈71与内旋转套10配合，且背对背设置。两件向心推力轴承的内圈71之间设有轴承隔套72，以调整两件向心推力轴承的轴向间隔，使内旋转套和外旋转套具备良好的同轴性能。

内旋转套设有与向心推力轴承内圈71接触的轴向定位环13，轴向定位环使连接轴承承载内旋转套的轴向载荷，阻止内旋转套向脱离所述波纹管的方向移动。

为了使向心推力轴承固定在轴承安装槽孔内，轴承安装槽孔的端口处设有与向心推力轴承外圈73接触的轴承固定环74，轴承固定环74焊接在轴承安装槽孔25内。在组装过程中，将两件向心推力轴承装入安装槽孔25，并套在内旋转套上，向心推力轴承安装就位后，将轴承固定环74装入轴承安装槽孔25内，并与外旋转套焊接牢固。

向心推力轴承可以采用向心推力球轴承或向心推力滚子轴承，本实施例中，为了提高轴承的承载能力，采用了向心推力滚子轴承轴承。

由于在管道处于常压状态时，内旋转套可能会对波纹管施加轴向推力，为了防止波纹管的变形或损坏，需要控制内旋转套向波纹管方向的移动量。本实施例中，内旋转套的轴向定位环13与轴承安装槽孔的底面之间的间隙S1不大于3mm。可以根据管道的口径或波纹管的尺寸调整间隙S1，当管道口径小（波纹管尺寸较小）时，可设置较小的间隙S1；当管道口径大（波纹管尺寸较大）时，可设置较大的间隙S1，根据工程经验，间隙S1最大不应超过3mm。

本实施例采用了向心推力轴承作为连接轴承，可显著提高波纹式旋转补偿器的轴向承载能力，并使内旋转套和外旋转套具备十分良好的同轴性，且转动灵活，对高压、大口径管道具有突出的实用效果。

实施例三：

如图10至图12 ，一种波纹式旋转补偿器。本实施例是实施例二的一种改进方案。实施例二中，采用轴承固定环74，在安装工程中与外旋转套焊接，固定连接轴承70。因而增加了安装工作的复杂度，也不利于使连接轴承与外旋转套获得高精度的配合。

本实施例中，向心推力轴承的安装结构是，轴承安装槽孔的端口27朝向连接法兰30一侧，外旋转套设有与连接法兰连接的外套法兰28，在轴承安装槽孔的端口内设有外活动套29。

外旋转套通过螺栓34与连接法兰固定连接，外活动套29的一端连接连接法兰，外活动套的另一端接触向心推力轴承的外圈73，轴向固定两件向心推力轴承73。

随之的结构改动是，外活动套29设有与波纹管的波峰对应的第一波峰槽22，用于定位波纹管。

为了保证外活动套29的结构稳定，外活动套29通过螺栓35与连接法兰固定连接。

同样，为了控制内旋转套向波纹管方向的移动量，内旋转套的轴向定位环与外活动套之间的间隙S2不大于3mm。

本实施例可改善波纹式旋转补偿器的组装性能并方便维护，特别适合较小口径高压管道的应用。

Claims (8)

1.一种波纹式旋转补偿器，其特征在于，设有内旋转套、外旋转套、连接法兰、密封环和波纹管，所述内旋转套与外旋转套之间设有连接轴承，所述密封环设置在所述内旋转套的顶端，所述连接法兰与所述外旋转套的端面固定连接，所述波纹管设置在内旋转套、外旋转套、连接法兰和密封环之间，所述波纹管的第一侧壁顶压所述密封环，所述波纹管的第二侧壁顶压所述连接法兰；所述内旋转套的内孔与波纹管的第一管套转动配合，所述连接法兰的内孔与波纹管的第二管套固定配合，所述外旋转套设有与所述波纹管的波峰对应的第一波峰槽，所述密封环设有与所述波纹管的第一侧壁滑动接触的第一弧面，所述连接法兰设有与所述波纹管的波峰和第二侧壁对应的波纹管适配槽。

2.根据权利要求1所述的一种波纹式旋转补偿器，其特征在于，所述波纹管是V型波纹管，所述波纹管在自由状态下第一侧壁和第二侧壁的张角为20°，所述波纹管在安装状态下被所述连接法兰和密封环压缩到所述张角为15°。

3.根据权利要求1所述的一种波纹式旋转补偿器，其特征在于，所述密封环是材质为碳-石墨的密封环。

4.根据权利要求1所述的一种波纹式旋转补偿器，其特征在于，所述内旋转套的顶端设有台阶轴，所述密封环设有与所述内旋转套的台阶轴配合的台阶孔。

5.根据权利要求1所述的一种波纹式旋转补偿器，其特征在于，所述连接轴承是设置在所述内旋转套与外旋转套之间的双列滚珠，所述内旋转套和外旋转套分别设有容纳所述双列滚珠的两圈滚珠槽，所述外旋转套设有位置对应于所述滚珠槽的两个滚珠安装孔。

6.根据权利要求1所述的一种波纹式旋转补偿器，其特征在于，所述连接轴承是设置在所述内旋转套和外旋转套之间的两件向心推力轴承，所述外旋转套设有轴承安装槽孔，所述两件向心推力轴承固定在所述轴承安装槽孔中，两件向心推力轴承的内圈背对背设置，两件向心推力轴承的内圈之间设有轴承隔套，所述内旋转套设有与所述向心推力轴承内圈接触的轴向定位环，所述轴向定位环阻止所述内旋转套向脱离所述波纹管的方向移动。

7.根据权利要求6所述的一种波纹式旋转补偿器，其特征在于，所述轴承安装槽孔的端口背向所述连接法兰，所述轴承安装槽孔的端口处设有与所述向心推力轴承外圈接触的轴承固定环，所述内旋转套的轴向定位环与所述轴承安装槽孔的底面之间的间隙不大于3mm。

8.根据权利要求6所述的一种波纹式旋转补偿器，其特征在于，所述轴承安装槽孔的端口朝向所述连接法兰，所述外旋转套设有与所述连接法兰连接的外套法兰，在所述轴承安装槽孔的端口内设有外活动套，所述外活动套的一端连接所述连接法兰，所述外活动套的另一端接触所述向心推力轴承的外圈，所述外活动套设有与所述波纹管的波峰对应的第一波峰槽，所述内旋转套的轴向定位环与所述外活动套之间的间隙不大于3mm。