CN203477673U - 采用密封焊元件的法兰连接结构 - Google Patents

Abstract

一种采用焊接密封焊元件的法兰连接结构，包括法兰、配对法兰及置于两者之间的密封焊元件和连接两者的紧固件；定位元件一端与所述法兰连接，另外一端插入所述配对法兰内侧并形成定位支撑。定位元件的设置降低密封焊元件的装配偏差与附加载荷，使采用密封焊接元件的法兰连接结构更加安全可靠。本实用新型作为一种法兰连接结构，主要用于高温、高压及介质为易燃易爆、毒性危害高的设备中的法兰连接结构。

Description

采用密封焊元件的法兰连接结构

技术领域

本实用新型属于压力容器和压力管道技术领域，涉及一种用于高温、高压、易燃、易爆、毒性程度高等操作介质的设备的法兰连接结构。

背景技术

法兰连接结构是压力容器与管路中广泛使用的部件之一，通常由法兰、螺栓（柱）、螺母及垫片组成。在实际应用中，由于连接件或被连接件强度破坏所引起法兰密封失效现象较少，多数是因密封产生的泄漏。泄漏有垫片渗漏及垫片与法兰密封面之间的介面泄漏两种途径。

随着炼油、化工技术的不断发展，装置不断朝着高参数化（高温、高压）及大型化方向发展，相应地，设备的参数也不断提高，尤其是在高温、高压、易燃、易爆、毒性程度高等操作介质的设备和管路中，需要采用一种安全、可靠的法兰连接结构。

现有的法兰连接结构中，按照法兰连接结构的密封机理，基本上分为两类，一类是以垫片作为密封元件的法兰连接结构，另一类是无垫片的焊接密封法兰连接结构。

第一类法兰连接结构，垫片有非金属垫片（橡胶垫、石棉橡胶垫、聚四氟乙烯垫、聚四氟乙烯包覆垫、柔性石墨垫等）、半金属垫片（又称组合式垫片，主要有金属包垫片、金属缠绕垫、柔性石墨复合垫、齿形组合垫等）及金属垫片（主要有金属实心平垫、波纹板垫、齿形垫、椭圆垫及八角垫等）三种。在预紧状态下，法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于密封面之间的垫片压紧，并使垫片在螺栓力作用下产生弹塑性变形以填满法兰密封面的不平间隙，形成初始密封；在操作状态下，螺栓在介质压力作用下被拉伸，法兰密封面沿着彼此分离的方向移动，密封面与垫片之间的压紧应力及垫片上的压紧应力随之降低，此时垫片通过回弹补偿法兰和螺栓的位移，且垫片上的剩余压紧应力仍不小于垫片的工作密封比压（发生临界泄漏时垫片上的剩余压紧应力），从而以保证操作状态下的密封。

第二类法兰连接结构，通常采用密封焊元件替代垫片，常用的密封焊元件有板式、焊唇式、卵形空腔式及Ω形等结构形式。法兰与配对法兰通过螺栓压紧，法兰与配对法兰通过密封焊元件并采用密封焊来保证密封，法兰和配对法兰端面也可以加工成密封焊元件的形状从而实现直接采用密封焊的方式实现密封。

对于第一类法兰连接结构，当垫片失效或垫片回弹量不足以补偿法兰和螺栓的位移时，或当操作介质渗透性强时，会造成法兰连接结构的泄漏。因此，在这些应用工况下，采用该类法兰连接结构的可靠性并不高。

对于第二类法兰连接结构，虽然采用了密封焊连接结构，从理论上讲，可以完全避免法兰连接结构的泄漏。然而，在实际应用过程中，这种法兰连接结构依然出现了失效、泄漏情况，主要原因：①理想状态下，在密封焊接连接结构中，密封元件之间不存在错位和位移差。然而受装配精度和外力影响，在装配时，密封元件间不可避免地存在错边情况，而且当设备直径越大时，错边量将越大，并且在后续的制造、安装、操作过程中，由于不可避免的外部载荷作用，造成法兰与配对法兰之间出现位移差，并最终作用于密封元件及密封焊缝上，造成密封焊缝或密封元件撕裂。②理想状态下，密封元件与法兰间不存在相对位移，密封焊缝仅起到密封作用。实际上在压力和温度的共同作用下，当螺栓与法兰沿轴向的位移出现不一致时，法兰与配对法兰间的间隙会增大。当这个间隙达到一定程度时，在密封元件间发生转角变形，当此变形超过密封焊缝能够承受的极限时，产生密封焊缝撕裂。

实用新型内容

  本实用新型提供一种采用密封焊元件的法兰连接结构，解决在高温、高压等高参数操作情况下，或操作介质为易燃易爆、毒性危害高、渗透性强的场合，采用密封焊元件的法兰连接结构密封焊缝或密封元件撕裂而引发的失效问题。

为解决上述问题，所采用的技术方案为：

一种采用密封焊元件的法兰连接结构，包括法兰、配对法兰及置于两者之间的密封焊元件和连接两者的紧固件；所述法兰与配对法兰上设置定位装置。

所述定位装置包括定位元件，该定位元件一端与所述法兰连接，另外一端插入所述配对法兰内侧并形成定位支撑。

所述定位元件是平板、环形板、卡槽板、拉杆中的一种。

所述定位元件与法兰连接方式是焊接连接、螺栓式可拆连接中的一种。

所述紧固件上设有防松锁紧装置。

所述配对法兰为法兰、管板、平盖中的一种

所述密封焊元件包括法兰侧密封焊元件和配对法兰侧密封焊元件；该法兰侧密封焊元件在外圆周内侧与配对法兰侧密封焊元件通过密封焊形成外焊缝，该法兰侧密封焊元件在内圆周外侧与法兰通过密封焊形成内环焊缝，配对法兰侧密封焊元件在内圆周外侧与配对法兰通过密封焊形成内环焊缝。

所述法兰侧密封焊元件、配对法兰侧密封焊元件均是平板式垫片、唇式垫片、卵形空腔垫片及Ω形垫片中的一种。

所述法兰侧密封焊元件与法兰为整体结构；所述配对法兰侧密封焊元件与配对法兰为整体结构。

与垫片式法兰连接结构相比，本实用新型的有益效果是：

在垫片式法兰连接结构中，当采用纤维质材料的垫片时，由于毛细管作用，工作介质有可能通过垫片发生渗透泄漏。本实用新型取消了垫片，代之以密封焊元件，从根本上消除了由于介质渗透造成的渗透泄漏。

在垫片式法兰连接结构中，加工后的法兰密封面和垫片表面凹凸不平，在法兰垫片与法兰端面的接触界面上会存在微小间隙，而工艺介质有可能从这些微小间隙漏出而发生界面泄漏。而在本实用新型中，密封焊元件与法兰及配对法兰之间采用密封焊形式，消除了界面泄漏通道，从根本上解决了界面泄漏问题。

与密封焊接法兰连接结构相比，本实用新型的有益效果是：

在密封焊接法兰连接结构中，密封焊元件的厚度一般较薄，密封元件间焊缝及密封元件与法兰间的焊缝仅用于密封而不能承受过大的额外载荷，然而在诸如运输、吊装、操作过程中，法兰连接结构作为设备或管路结构的不连续部分，会或多或少地承受来自与管线推力、设备自重、操作介质、风载等多方面因素引起的附加载荷，这些载荷最终会传递到密封元件及密封元件的密封焊缝上，当这些载荷达到一定程度时，会造成密封元件或者密封焊缝撕裂。当设置定位元件后，一方面，定位元件可以大大提高法兰与配对法兰的装配精度，进而大幅降低密封元件间的组焊、装配间隙，减少了密封元件组焊时的错边量并消除了密封元件可能由于位移差而产生的附加应力，大幅提高密封焊缝的质量与可靠性，另一方面，定位元件大幅提高了法兰连接结构处的整体刚度，并将大部分的附加载荷传递至法兰与配对法兰处而不是密封元件上，极大程度上保护了密封元件与密封焊缝，进而保证了法兰连接的可靠性与安全性。综上，本实用新型通过设置定位元件，解决了现有焊接密封法兰连接结构在外力作用下的密封元件与密封焊缝失效问题。而且具有结构简单、拆卸方便、密封可靠等诸多优点，更加适合高温、高压操作工况以及介质为易燃易爆、毒性危害高、渗透性强的应用场合。

通过在紧固件上设置诸如碟簧等结构的防松锁紧装置，当法兰与螺栓间出现轴向位移差时，通过防松锁紧装置消除了这一位移差，由此保证法兰与设备法兰间间隙不会增大，因而密封元件间不会产生转角变形。

附图说明

图1为本实用新型的轴向剖视图；配对法兰为法兰结构，焊接密封元件为Ω形垫片结构，定位元件为板式定位元件；

图2为本实用新型的轴向剖视图，配对法兰为法兰结构，焊接密封元件为平板式垫片结构，定位元件为板式定位元件；

图3为本实用新型的轴向剖视图，配对法兰为法兰结构，焊接密封元件为焊唇式垫片结构，定位元件为板式定位元件；

图4为本实用新型的轴向剖视图，配对法兰为法兰结构，焊接密封元件为卵形腔式垫片结构，定位元件为板式定位元件；

图5为本实用新型的轴向剖视图，配对法兰为法兰结构，焊接密封元件为Ω形垫片结构，定位元件为板式定位元件，紧固件上带有防松锁紧装置；

图6为本实用新型的轴向剖视图，配对法兰为平盖结构，焊接密封元件为Ω形垫片结构，定位元件为板式定位元件；

图7为本实用新型的轴向剖视图，配对法兰为管板结构，焊接密封元件为Ω形垫片结构，定位元件为板式定位元件；

图8为本实用新型的轴向剖视图，配对法兰为法兰结构，焊接密封元件与法兰合为一体，加工成整体结构，定位元件为板式定位元件；

图9a为本实用新型的定位元件轴向剖视图;；定位元件为平板；

图9b为图9a中的A向局部视图；

图10a为本实用新型的定位元件轴向剖视图；定位元件为卡槽板；

图10b为图10a中的B向局部视图；

图11为本实用新型的定位元件轴向剖视图，定位元件为拉杆；

图12a为本实用新型的定位元件轴向剖视图；定位元件为环形板；

图12b为图12a中的C向局部视图；

   图12c为图12a中的D向局部视图。

图中编号：

1.法兰，2.配对法兰（管板、平盖），3.法兰侧密封焊元件， 4. 配对法兰侧密封焊元件， 5.定位元件， 6. 紧固件， 7.密封元件外环焊缝， 8.法兰侧密封元件内环焊缝，9. 配对法兰侧密封元件内环焊缝， 10. 防松锁紧装置，501.平板定位元件的端部倒角， 502. 定位元件与法兰的连接焊缝， 503. 与法兰相连的定位元件插板， 504. 与配对法兰连接的定位元件槽板， 505.与配对法兰连接的定位元件槽板， 506. 定位元件槽板与配对法兰的连接焊缝。

具体实施方式

实施例1，参阅图1所示：一种采用密封焊元件的法兰连接结构由法兰1、配对法兰2、法兰侧密封焊元件3、配对法兰侧密封焊元件4、定位元件5、紧固件6组成。法兰侧半Ω形密封焊元件3与法兰1之间通过密封焊缝9实现密封与连接，配对法兰侧半Ω形密封焊元件4与配对法兰2之间通过密封焊缝8实现密封与连接；在法兰1与配对法兰2的装配过程中，连接于法兰1内侧的定位元件5插入配对法兰2内侧，通过径向定位，极大程度上消除了法兰1与配对法兰2间的径向错边量，并同步消除了法兰侧密封焊元件3、配对法兰侧密封焊元件4外圆周端部的径向错边量，可以充分保证密封焊元件的装配质量及后续密封焊的可靠性，装配完成后，对法兰侧密封焊元件3与配对法兰侧密封焊元件4从外圆周内侧施以密封焊，形成密封元件外环焊缝，焊接完成后，在紧固件6的夹紧作用下，法兰1、配对法兰2、法兰侧密封焊元件3、配对法兰侧密封焊元件4与紧固件6共同构成一个法兰连接结构。与垫片式法兰连接结构相比，本实用新型消除了垫片式法兰连接结构的泄漏源，从根本上保证了密封的可靠性。

实施例2，参阅图2所示：实施例2与实施例1相比，调整了密封焊元件的结构形式，采用环形平板作为密封焊元件，简化了密封焊元件的加工难度与加工量，该实用新型可在高温、低压工况下得到应用。

实施例3，参阅图3所示：该实施例3与实施例1相比，调整了密封焊元件的结构形式，采用带有应力释放槽的环形元件作为密封焊元件，其加工难度较之平板有所提高但低于半Ω形，该实用新型的适用压力较环形平板式密封焊元件有所提高。

实施例4，参阅图4所示：该实施例4与实施例1相比，调整了密封焊元件的结构形式，采用带有卵形空腔的密封焊元件，与Ω形密封焊元件相比，该结构更加紧凑，该实用新型的适用范围高于平板式与焊唇式密封焊元件而略低于Ω形密封焊元件。

实施例5，参阅图5所示：该实施例5与实施例1相比，在紧固件6处增设了可以是碟簧等具备位移补偿功能元件构成的防松锁紧装置10。在操作或运输过程中，一方面，防松锁紧装置可以有效防止螺母的松动，另外一方面，当螺栓不可避免地伸长时，防松锁紧利用自身的位移补偿功能，可以有效消除螺栓的伸长，以消除法兰1与配对法兰2的端面间隙，进而避免法兰端部产生转角变形而导致密封元件外环焊缝7与内环焊缝8、9的撕裂。

实施例6，参阅图6所示：该实施例6与实施例1相比，与法兰1相邻的是平盖2，此时，定位元件端部与平盖2相连，在装配过程中插入法兰1内侧，消除法兰1与平盖2的径向间隙。

实施例7，参阅图7所示：该实施例7与实施例1相比，与法兰1相邻的是管板2，此时，定位元件端部与管板2相连，在装配过程中插入法兰1内侧，消除法兰1与管板2的径向间隙。

实施例8，参阅图8所示：该实施例8与实施例1相比，法兰侧密封焊元件3与法兰1合为一体并加工成为整体结构，法兰侧密封焊元件4与配对法兰2合为一体并加工成为整体结构。

实施例9，参阅图9a 、9b所示并结合图1，定位元件5为一块平板，平板一端通过焊缝502或螺栓与法兰1相连，另外一端插入配对法兰2中，为方便在装配过程导向定位，在定位元件5上部设置有楔形倒角501，定位元件5沿圆周方向向心布置，数量最少为4块，即0°、90°、180°、270°，当设备直径增大时，定位元件5的数量适当增加。通过定位元件在圆周方向的多点导向定位作用，可保证从径向消除法兰1与配对法兰2的径向间隙，进而控制法兰侧密封焊元件3与配对法兰侧密封焊元件4的组装间隙，并在此基础上得到性能可靠的密封焊缝7。在制造、安装、操作过程中，当法兰1与配对法兰2端部在自重或外载荷作用下可能产生转角变形时，定位元件5将对法兰1与配对法兰2起到支撑作用，提高法兰连接结构的抗弯模量，以避免出现由于法兰端部产生转角而撕裂密封元件或密封焊缝的问题。

实施例10，参阅图10a、10b所并与实施例9相比，插板503、槽板504、槽板505共同构成定位元件5，插板503一端通过焊缝502与法兰1相连，另外一端插入配对法兰3内侧并插入槽板504与槽板505构成的卡槽中，槽板504与槽板505一端与配对法兰3通过焊缝506相连，另外一端插入法兰1的内侧。与图9结构相似，卡槽板沿圆周方向向心布置多块，最少4块，即0°、90°、180°、270°各1块，装配完成后，卡槽板结构的定位元件5不仅可以消除径向间隙，同时可以消除作用于焊接元件上圆周方向的载荷，最大程度地保护密封元件与密封焊缝。

实施例11，参阅图11所示,与实施例10相比，定位元件5通过拉杆结构来实现定位与消除间隙功能，同时，通过拉杆可以从法兰内侧限制法兰端面的轴向位移。

实施例12，参阅图12a、12b、12c所示并与实施例9相比，定位元件5结构形式调整为环形板结构，以增强定位元件的抗弯模量，当需要时，可将环形板与卡槽板结合在一起，即在法兰1与配对法兰2上连接槽板，在槽板中插入环形插板已解决定位问题。

Claims (9)

1.一种采用密封焊元件的法兰连接结构，包括法兰、配对法兰及置于两者之间的密封焊元件和连接两者的紧固件；其特征在于：所述法兰（1）与配对法兰（2）上设置定位装置。

2.根据权利要求1所述的一种采用密封焊元件的法兰连接结构，其特征在于：所述定位装置包括定位元件（5），该定位元件（5）一端与所述法兰（1）连接，另外一端插入所述配对法兰（2）内侧并形成定位支撑。

3.根据权利要求2所述的一种采用密封焊元件的法兰连接结构，其特征在于：所述定位元件（5）是平板、环形板、卡槽板、拉杆中的一种。

4.根据权利要求2所述的一种采用密封焊元件的法兰连接结构，其特征在于：所述定位元件（5）与法兰（1）连接方式是焊接连接、螺栓式可拆连接中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种采用密封焊元件的法兰连接结构，其特征在于：所述紧固件（6）上设有防松锁紧装置。

6.根据权利要求1所述的一种采用密封焊元件的法兰连接结构，其特征在于：所述配对法兰（2）为法兰、管板、平盖中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种采用密封焊元件的法兰连接结构，其特征在于：所述密封焊元件包括法兰侧密封焊元件（3）和配对法兰侧密封焊元件（4）；该法兰侧密封焊元件（3）在外圆周内侧与配对法兰侧密封焊元件（4）通过密封焊形成外焊缝（7），该法兰侧密封焊元件（3）在内圆周外侧与法兰（1）通过密封焊形成内环焊缝（9），配对法兰侧密封焊元件（4）在内圆周外侧与配对法兰（2）通过密封焊形成内环焊缝（8）。

8.根据权利要求7所述的一种采用密封焊元件的法兰连接结构，其特征在于：所述法兰侧密封焊元件（3）、配对法兰侧密封焊元件（4）均是平板式垫片、唇式垫片、卵形空腔垫片及Ω形垫片中的一种。

9.根据权利要求7所述的一种采用密封焊元件的法兰连接结构，其特征在于： 所述法兰侧密封焊元件（3）与法兰（1）为整体结构；所述配对法兰侧密封焊元件（4）与配对法兰（2）为整体结构。

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