CN115076479A - 一种高温熔盐环境用法兰自密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温熔盐环境用法兰自密封装置。本发明法兰自密封装置包括两片相同结构且通过法兰盘相互配合的法兰，所述法兰盘的内径大于过流管道内径，两个法兰盘通过紧固件固定配合连接，在两个法兰盘的配合面外缘设置有密封垫片；所述法兰还包括设置于法兰盘与过流管道之间的过渡段，所述过渡段内部形成有容腔，在所述容腔中填充有内径等于过流管道内径且与所述过渡段的内壁之间过盈配合的阻热环，所述阻热环由外表面包覆耐熔盐腐蚀材料的阻热材料构成。相比现有技术，本发明在实现高温熔盐冷冻自密封的同时，其体积和自重大幅降低。

Description

一种高温熔盐环境用法兰自密封装置
技术领域
本发明涉及一种高温熔盐环境用法兰自密封装置。
背景技术
熔盐是一种低成本、长寿命、传热储热性能好的高温、高热通量和低运行压力的传热储热介质。采用熔盐作为光热发电、储能技术、核反应堆的传热和储热工质，可显著提高发电、储能系统的热效率、系统的可靠性和经济性。
在采用熔盐作为传蓄热工质的光热发电、储能技术、核反应堆领域管道与管道、管道与设备之间的连接目前常采用焊接的方式进行连接，即便如此也经常会导致熔盐泄露进而发生故障和事故。另外一方面大量的焊接也会导致设备安装复杂、现场施工工作量大、施工难度高的问题。
美国橡树岭国家实验室提出了采用熔盐凝固自密封冷冻法兰的概念，并进行试制，从原理上验证了其可行性。但随着该工程的停止，相关研发工作也中断。该法兰的结构及原理如图1所示，图中1为法兰，2为金属垫片，3为U型卡钳，4为熔盐；其特点是在无加热的密封法兰之间预留一定间隙，熔盐流入到该间隙中，逐渐远离中心管道中，热量逐渐流失，温度逐渐降低，最终在两片对开法兰盘的间隙中凝固，当熔盐凝固后则不会泄露，从而起到自密封作用。但其存在明显的缺点：熔盐冷冻需要较长的散热距离，导致法兰直径非常大；直径127mm的管道法兰直径达到了588mm，法兰的厚度达到了38mm，整体重量达到了190kg。这对法兰的支撑、安装、拆卸等带来了很大的麻烦。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种高温熔盐环境用法兰自密封装置，在实现高温熔盐冷冻自密封的同时，其体积和自重大幅降低。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种高温熔盐环境用法兰自密封装置，包括两片相同结构且通过法兰盘相互配合的法兰，所述法兰盘的内径大于过流管道内径，两个法兰盘通过紧固件固定配合连接，在两个法兰盘的配合面外缘设置有密封垫片；所述法兰还包括设置于法兰盘与过流管道之间的过渡段，所述过渡段内部形成有容腔，在所述容腔中填充有内径等于过流管道内径且与所述过渡段的内壁之间过盈配合的阻热环，所述阻热环由外表面包覆耐熔盐腐蚀材料的阻热材料构成。
作为本发明一种优选方案，所述阻热环的纵剖面呈等腰梯形。
进一步优选地，所述等腰梯形的高大于等于过流管道内径，等腰梯形的底角大于等于45°。
作为本发明另一种优选方案，所述阻热环的纵剖面呈喇叭形。
进一步优选地，所述喇叭形的外缘曲线为椭圆上的一段曲线，所述椭圆的长轴大于等于过流管道内径的2倍，所述椭圆的短轴大于等于过流管道内径。
作为本发明有一种优选方案，所述阻热环的纵剖面呈阶梯形。
进一步优选地，所述阶梯形的高度大于等于过流管道内径的1/4，所述阶梯形的宽度大于等于过流管道内径的2倍。
优选地，包覆在阻热材料外表面的耐熔盐腐蚀材料为以下材料之一：UNS N10003合金、UNS N10276合金、Inconel 625合金、Haynes 230合金、纯镍。
优选地，所述阻热材料为以下材料中的一种或两种以上材料复合：硅酸铝、耐火砖、石墨、气凝胶、纳米微孔保温材料。
优选地，所述紧固件为螺栓和/或卡钳。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明在法兰盘与过流管道之间增加了过渡段，在过渡段内部的容腔中填充阻热材料构成的阻热环，以大幅降低法兰的对外散热，同时阻热环与过渡段内壁之间采用过盈配合，以降低漏流，进而减少熔盐流入两片法兰盘间的间隙，起到尽快使熔盐凝固自密封的目的。采用本发明技术方案，在实现自密封的条件下，法兰的直径减小25%以上，厚度减小50%以上，自重可减轻70%以上。相比现有技术，本发明的体积、自重大幅降低，密封效果得到提升。
附图说明
图1为现有技术的结构原理示意图；图中，1为法兰，2为金属垫片，3为U型卡钳，4为熔盐；
图2为本发明的结构原理示意图；图中，5为法兰，6为过流管道，7为法兰盘，8为过渡段，9为阻热环，10为紧固件，11为密封垫片，12为熔盐；
图3为具有梯形过渡段的法兰结构示意图；
图4为具有梯形过渡段的法兰所组成的自密封装置结构示意图；
图5为具有梯形过渡段的法兰所组成的自密封装置的温度分布分析图；
图6为具有阶梯形过渡段的法兰结构示意图；
图7为具有阶梯形过渡段的法兰所组成的自密封装置结构示意图；
图8为具有阶梯形过渡段的法兰所组成的自密封装置的温度分布分析图；
图9为具有喇叭形过渡段的法兰结构示意图；
图10为具有喇叭形过渡段的法兰所组成的自密封装置结构示意图；
图11为具有喇叭形过渡段的法兰所组成的自密封装置的温度分布分析图。
具体实施方式
自密封法兰的设计理念在于外侧需要更低的温度以达到熔盐能够凝固密封的效果，而内侧需要保持与流体熔盐一致的温度。这样就导致整个法兰盘面径向存在很大的温度梯度。这个温度梯度，就会导致法兰内部存在很大的热应力，当该热应力超过材料极限后，则导致材料发生蠕变、疲劳等失效。从法兰设计上讲，需要尽量减小法兰的直径以实现轻量化、模块化，但在减小法兰直径的同时会大幅增加法兰径向的温度梯度。也正是由于此矛盾的存在，一般情况下自密封法兰的直径均非常大，例如橡树岭国家实验室设计的冷冻法兰直径达到588mm，厚度达38mm，导致重量达到190kg。
针对现有技术不足，本发明的解决思路是对现有法兰密封结构进行改进，在法兰盘与过流管道之间增设过渡段，在过渡段内部的容腔中填充阻热材料构成的阻热环，以大幅降低法兰的对外散热，同时阻热环与过渡段内壁之间采用过盈配合，以降低漏流，进而减少熔盐流入两片法兰盘间的间隙，起到尽快使熔盐凝固自密封的目的。
本发明所提出的高温熔盐环境用法兰自密封装置，包括两片相同结构且通过法兰盘相互配合的法兰，所述法兰盘的内径大于过流管道内径，两个法兰盘通过紧固件固定配合连接，在两个法兰盘的配合面外缘设置有密封垫片；所述法兰还包括设置于法兰盘与过流管道之间的过渡段，所述过渡段内部形成有容腔，在所述容腔中填充有内径等于过流管道内径且与所述过渡段的内壁之间过盈配合的阻热环，所述阻热环由外表面包覆耐熔盐腐蚀材料的阻热材料构成。
优选地，包覆在阻热材料外表面的耐熔盐腐蚀材料为以下材料之一：UNS N10003合金、UNS N10276合金、Inconel 625合金、Haynes 230合金、纯镍。
优选地，所述阻热材料为以下材料中的一种或两种以上材料复合：硅酸铝、耐火砖、石墨、气凝胶、纳米微孔保温材料。
优选地，所述紧固件为螺栓和/或卡钳。
为了便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的法兰自密封装置如图1所示，包括两片相同结构且通过法兰盘7相互配合的法兰5，所述法兰盘7的内径大于过流管道6的直径，两个法兰盘7通过紧固件10（通常采用螺栓和/或卡钳）固定配合连接，在两个法兰盘7的配合面外缘设置有密封垫片11；所述法兰5还包括设置于法兰盘7与过流管道6之间的过渡段8，所述过渡段8内部形成有容腔，在所述容腔中填充有内径等于过流管道6直径且与所述过渡段8的内壁之间过盈配合的阻热环9，所述阻热环9由外表面包覆耐熔盐腐蚀材料的阻热材料构成。
本发明完全抛弃了常规法兰的设计方式，在法兰盘与过流管道之间设置具有容腔的过渡段，由经过耐熔盐腐蚀处理的硅酸铝、耐火砖、石墨及气凝胶等热传导系数较低的阻热材料构成的阻热环填充，并且为了减少熔盐在阻热环和法兰间的流动，该阻热环与过渡段的内壁之间采用过盈配合。阻热环可以起到二个作用：一、起到增加内保温，减缓内部熔盐散热，降低热损；二、有效降低法兰本身的温度，强化冷冻效果，进而缩小整个法兰的直径，减小法兰的厚度。如图2所示，高温熔盐在通过过流管道6的过程中，可以使阻热环与法兰间隙中的少量熔盐快速冷冻，提高冷冻密封效果，进而缩减法兰直径和壁厚。
本发明的法兰本体采用耐熔盐腐蚀的UNS N10003合金、UNS N10276合金、Inconel625及Haynes 230合金等制造或者采用不锈钢（304（H）、316（H）、347（H）及310S）+表面堆焊纯镍的方式制造以避免高温熔盐腐蚀；阻热环采用硅酸铝、耐火砖、石墨、气凝胶及纳米微孔保温材料等阻热材料作为主体，并使用耐熔盐腐蚀的UNS N10003合金、UNS N10276合金、Inconel 625及Haynes 230、纯镍材料等耐熔盐腐蚀材料对其表面进行包覆，以防止熔盐腐蚀；法兰的装夹固定可以采用螺栓连接、C型或U型卡钳等方式；法兰的制造可采用板材冲压的方式制造，亦可采用锻件机加工的方式制造；法兰的类型可以设计为整体法兰、对焊法兰、平焊法兰、承插焊法兰及松套法兰等。
通过对过渡段及阻热环的结构进行优化设计，可以进一步提高自密封效果，降低自密封装置整体的尺寸及自重。下面通过几个优选实施例来进行进一步说明。
实施例1：
本实施例的法兰结构如图3所示，其过渡段及阻热环的纵剖面呈等腰梯形，其中a为阻热环的高，b为阻热环宽度，α为阻热环的底角，D为过流管道的内径。经大量实验研究发现，当a≥1/2D，α≥45°，即所述等腰梯形的高大于等于过流管道内径，等腰梯形的底角大于等于45°时，就可以起到明显的减重效果，同时具有良好的自密封效果。
图4显示了采用图3所示具有梯形过渡段结构的法兰所构成的一种自密封装置，其中法兰材料采用316（H）不锈钢制造，表面堆焊1mm厚纯镍层；阻热环填充材料采用硅酸铝材料，包覆材料选用UNS N10003合金，阻热环和法兰采用过盈配合。法兰内部流体温度设定为700℃，对该自密封装置进行温度场有限元分析，其温度场分布见图5；可见增加该阻热环后，两片法兰盘结合处温度，由700℃降低为339.72℃，可以达到熔盐的熔点（350℃）以下，实现自密封效果；法兰直径由588mm减小为420mm，单片法兰厚度由38mm减小为15mm，重量由190kg降低为42.1kg，整体减重达到77.8%。
实施例2：
本实施例的法兰结构如图6所示，其过渡段及阻热环的纵剖面呈阶梯形，阶梯形的具体级数可根据实际需要灵活设置，本实施例中为一级阶梯；图中a为阶梯高度，b为阶梯宽度，D为过流管道的内径。经大量实验研究发现，当a≥1/4D，b≥1/2D，即所述阶梯形的高度大于等于过流管道内径的1/4且所述阶梯形的宽度大于等于过流管道内径的2倍时，就可以起到明显的减重效果，同时具有良好的自密封效果。
图7显示了采用图6所示具有阶梯形过渡段结构的法兰所构成的一种自密封装置，法兰材料采用347（H）不锈钢制造，表面堆焊1mm厚纯镍层；阻热环填充材料采用硅酸铝材料，包覆材料选用UNS N100201纯镍，阻热环和法兰采用过盈配合。法兰内部流体温度设定为700℃，对该形状法兰进行温度场有限元分析，其温度场分布见图8。可见增加该阻热环后，两片法兰盘结合处温度，由800℃降低为339.44℃，可以达到熔盐的熔点（350℃）以下，实现自密封效果。法兰直径由588mm减小为429mm，单片法兰厚度由38mm减小为15mm，重量由190kg降低为46.9kg，采用此法兰整体减重达到75.3%。
实施例3：
本实施例的法兰结构如图9所示，其过渡段及阻热环的纵剖面呈喇叭形，喇叭形的具体形状参数可根据实际需要设置；如图9所示，当喇叭形的外缘曲线为x2/a2+y2/b2=1的椭圆上的一段曲线，所述椭圆的长轴a大于等于过流管道内径D的2倍，所述椭圆的短轴b大于等于过流管道内径D时，就可以起到明显的减重效果，同时具有良好的自密封效果。
图10显示了采用图9所示具有喇叭形过渡段结构的法兰所构成的一种自密封装置，法兰材料采用Inconel 625合金制造，阻热环采用气凝胶材料制造，包覆材料选用Haynes 230合金，阻热环和法兰采用过盈配合。法兰内部流体温度设定为700℃，对该形状法兰进行温度场有限元分析，其温度场分布见图11。可见增加该阻热环后，两片法兰结合处温度，由800℃降低为339.2℃，可以达到熔盐的熔点（350℃）以下，实现自冷冻的效果。法兰直径由588mm减小为424mm，单片法兰厚度由38mm减小为15mm，重量由190kg降低为44.7kg，采用此法兰整体减重达到76.5%。
根据以上实施例可以看出，本发明所提供的法兰自密封装置具有良好的自密封效果，且整体尺寸和自重得到大幅降低，可以广泛应用于光热发电、熔盐储能、熔盐堆等高温硝酸盐、氯化物盐、碳酸盐等高温熔盐环境。

Claims (10)

1.一种高温熔盐环境用法兰自密封装置，包括两片相同结构且通过法兰盘相互配合的法兰，所述法兰盘的内径大于过流管道内径，两个法兰盘通过紧固件固定配合连接，在两个法兰盘的配合面外缘设置有密封垫片；其特征在于，所述法兰还包括设置于法兰盘与过流管道之间的过渡段，所述过渡段内部形成有容腔，在所述容腔中填充有内径等于过流管道内径且与所述过渡段的内壁之间过盈配合的阻热环，所述阻热环由外表面包覆耐熔盐腐蚀材料的阻热材料构成。
2.如权利要求1所述高温熔盐环境用法兰自密封装置，其特征在于，所述阻热环的纵剖面呈等腰梯形。
3.如权利要求2所述高温熔盐环境用法兰自密封装置，其特征在于，所述等腰梯形的高大于等于过流管道内径，等腰梯形的底角大于等于45°。
4.如权利要求1所述高温熔盐环境用法兰自密封装置，其特征在于，所述阻热环的纵剖面呈喇叭形。
5.如权利要求4所述高温熔盐环境用法兰自密封装置，其特征在于，所述喇叭形的外缘曲线为椭圆上的一段曲线，所述椭圆的长轴大于等于过流管道内径的2倍，所述椭圆的短轴大于等于过流管道内径。
6.如权利要求1所述高温熔盐环境用法兰自密封装置，其特征在于，所述阻热环的纵剖面呈阶梯形。
7.如权利要求6所述高温熔盐环境用法兰自密封装置，其特征在于，所述阶梯形的高度大于等于过流管道内径的1/4，所述阶梯形的宽度大于等于过流管道内径的2倍。
8.如权利要求1所述高温熔盐环境用法兰自密封装置，其特征在于，包覆在阻热材料外表面的耐熔盐腐蚀材料为以下材料之一：UNS N10003合金、UNS N10276合金、Inconel 625合金、Haynes 230合金、纯镍。
9.如权利要求1所述高温熔盐环境用法兰自密封装置，其特征在于，所述阻热材料为以下材料中的一种或两种以上材料复合：硅酸铝、耐火砖、石墨、气凝胶、纳米微孔保温材料。
10.如权利要求1所述高温熔盐环境用法兰自密封装置，其特征在于，所述紧固件为螺栓和/或卡钳。
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