CN203656376U - 一种可承受轴向力的管端密封圈 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于管液压试验设备技术领域，涉及一种对被试管进行试压时的对接密封设备，特别是一种可承受轴向力的管端密封圈；包括密封圈体和挡块，密封圈体的外形是圆柱筒状结构，其圆周面与两端面交界处设置有环绕圆周面的端面密封唇边，大小相等的挡块是扇环形，均匀分布在密封圈体的圆柱筒状结构的内腔中形成挡块环，相邻挡块之间具有缝隙，圆柱筒状结构的底部设置有直径大于被试压管管端的串入孔，挡块较小的圆弧面不越过密封圈体底部所设置的串入孔的内孔表面，密封圈体的筒底设置有销孔，挡块与销孔相邻面上制有销子，销子插入销孔中；其结构简单，试压操作便利，试压效果好，使用寿命长。

Description

一种可承受轴向力的管端密封圈

技术领域：

本实用新型属于管液压试验设备技术领域，涉及一种对被试管进行试压时的对接密封设备，特别是一种可承受轴向力的管端密封圈。

背景技术：

目前，在石油和换热器等行业领域中使用的管在出厂时需做水压试验以检测其质量，简称试压；在试压时，通入管中用于试压的液体对管体轴向会产生推力作用，导致其有脱开密封管端而与试压装置分离的趋势，因此必须将被测管固定才能保证试压的成功，现有技术中多采用与密封圈分离的固定夹钳夹持管体以防止其脱开，中国专利2009201486168所公开的“高压U型管换热器换热管单根耐压检验装置”就是这种方式的典型实现方案，它采用高压密封体密封管端，采用夹紧油缸固定管体。采用此种技术方案，管密封端与固定夹钳之间存在一段管柱，当试压液体施加到被试压管上的轴向力与固定夹钳施加到管体上的摩擦力共同作用于这段管柱上，力的方向相对，便形成了材料力学上所谓的压杆稳定问题，容易造成管柱段失稳，从而导致试压失败，同时由于固定夹钳的夹持力较大，使得管体的被夹持端易被破坏，致使管体的夹持端至端部的管段需要锯切而造成浪费；特别是在U形管进行试压时压杆稳定问题尤为严重，由于U型管的两个管口朝向同一方向，使得试压液体作用在管体上的轴向力更大，所需要的夹持力也就更大。而传统的做法中采用的钢管端部密封圈仅能够起到密封作用，虽然有些密封圈设置了挡块，但挡块只是起到支撑密封圈体的作用，以防止密封圈被高压液体挤出，无法代替固定夹钳夹持管端。在现有技术中，中国专利2010205390167公开了一种钢管试压设备的钢管端部密封圈，利用“挡块环内径小于被试钢管处直径”的技术方案获得了强大的夹持力，在实际使用时发现其效果尚不稳定，表现夹持材质较软或壁厚较薄的管时，管端易被夹变形而导致密封失效。应用在材质较硬或壁厚较厚的管时挡块内径环不易与管端外径贴合，从而导致挡块夹持力不足以抵抗试压液体给U形管的推力，其性能不稳定从而使其适应范围和效果均不佳。

发明内容：

本实用新型的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种可承受轴向力的管密封圈管端密封圈，管密封圈能够在进行试压时对管端产生性能稳定的强大夹紧力，以替代固定夹钳来抵抗试压液体的对管产生的轴向推力。

为了实现上述目的，本实用新型中的可承受轴向力的管端密封圈包括橡塑材料的密封圈体和金属材料的挡块，还包括唇边、销子、销孔和串入孔；密封圈体的外形是圆柱筒状结构，密封圈体的外圆周面与两端面交界处设置有环绕圆周面的端面密封唇边；挡块是大小相等的扇环形，均匀分布在所述密封圈体的圆柱筒状结构的内环中，形成挡块环，密封圈体未收缩时，相邻挡块之间具有缝隙；所述圆柱筒状结构的底部设置有直径大于被试压管管端的串入孔，所述挡块较小的圆弧面不越过所述密封圈体底部所设置的串入孔的内孔表面；所述密封圈体圆柱筒状结构的筒底设置有销孔，挡块与销孔相邻面上制有销子，所述销子插入所述销孔中；其特征在于：所述挡块数量为4个以上，安装在密封圈体上的同一组挡块为同一个整体的金属圆柱环剖开，所述挡块环的外径为D，内径为d，宽度为B，挡块内表面与被试压管管端的摩擦系数为μ，被试压管管端的直径为D₁，管承受轴向液体压力的面积为S，并满足关系式：0＜D₁-d≤2mm，D×B≥S/（π×μ）；

在上述技术方案中，安装在密封圈体上的同一组挡块为同一个整体的金属圆柱环剖开后制成，使得同一组挡块的形状和材质均相同，挡块间边界的接触面平滑过渡，进而使得挡块环对管端圆周的作用力均匀；通过试验得知：满足条件0＜D₁-d≤2mm的挡块环，既不会将材质较软或壁厚较薄的管夹变形，也能够与夹持在材质较硬或壁厚较厚的管外径贴合；由于对D₁-d数值的限制，管端变形比原有技术中有所减小，挡块环对管端的压强也下降，为了保证挡块环对管端能够有足够的摩擦力，加长挡块的轴向宽度B来增加了挡块环对被试压管管端的接触面，能保证压强降低的情况下摩擦力不变；通过理论推导以及试验验证，挡块的轴向宽度B符合关系式D×B≥S/（π×μ）时，能够保证挡块环赋予管端足以克服轴向力的摩擦力；关系式D×B≥S/（π×μ）的推导过程如下：设试压压力为P，挡块环对被试压管产生的摩擦力F₁=P×D×π×B×μ，压力液体对被试压管的压力为：P×S，当F₁=P×D×π×B×μ≥P×S时，挡块环对被试压管产生的摩擦力能够克服轴向力，从而保证被试压管不脱落，公式变形得：D×B≥S/（π×μ）；

作为针对上述技术方案的进一步改进，通过反复试验，发现：0.4≤D₁-d≤0.6mm，对被试压管的管端的保护以及挡块环夹持的效果能达到最好的结合点，且适用的范围最广；

现有的行业需求中，被试压管的材质大多数是钢，试压介质是清水或乳化液，因此，进一步解决在试压介质是清水或乳化液条件下，密封圈能够夹持钢质管端不致其脱出的技术问题，能够最大程度满足现有的行业需求；

为此，在本实用新型进一步改进的技术方案中：挡块的材质为钢，μ=0.1。钢是挡块的常用材质，经过反复试验，测得摩擦系数的数值均大于或等于0.1，因此取μ=0.1能够保证F₁≥P×S，从而保证被试压管不脱落；对于其他材质或试压介质的情况，相关领域技术人员也可由试验测取摩擦系数的数值，从而确定μ的取值；

此外，现有行业中，被试压管的形状主要是直管或U型管，因此进一步解决形状是直管或U型管的被试压管时，密封圈能够夹持钢质管端不致其脱出的技术问题，能够最大程度满足现有的行业需求；

为此，在本实用新型进一步改进的技术方案中：被试压管是直管或U型管，被试压管端内径为d₁，当被试压管是直管时，S=π(D₁ ²-d₁ ²)/4；当被试压管是U型管，S=πD₁ ²/4；当被试压管是直管时，管腔液体的压力相互抵消，只有管端面承受液体压力，因此管承受轴向液体压力的面积S=π(D₁ ²-d₁ ²)/4；当被试压管是U型管时，管腔液体的压力也作用于管体上，因此管承受轴向液体压力的面积S=πD₁ ²/4；

另外，在本实用新型的技术方案中：密封圈体的外圆周面与两端面交界处设置有环绕圆周面的端面密封唇边，两唇边之间的空腔接纳预密封液体，这种结构能够使密封圈体外圆周面与预密封液体完全接触，使得密封圈体圆周面受力均匀，进而保证了密封圈体收缩均匀，但没有预密封液体通入时，两唇边之间的空腔使得密封圈体圆周面的支撑面过小，安装在试压装置上时，密封圈因为定位不足易发生位移；

为此，在对密封圈进一步的改进的技术方案中：密封圈体的外圆周面两唇边之间设置有凸起，凸起上设置纵向贯通沟槽；凸起的设置增加了密封圈体外圆周面的支撑面，有助于密封圈的定位，纵向贯通沟槽连通凸起与两唇边形成的空腔，预密封液体通过纵向贯通沟槽可以畅通的到达密封圈体的圆周面各个部分，保证了在凸起设置情况下的密封圈体外圆周面与预密封液体完全接触、密封圈体收缩均匀；

在本实用新型的技术方案中：为保证在密封圈的开合方便，密封圈体未收缩时，相邻挡块之间具有缝隙，收缩时挡块之间的缝隙消除；短期使用时相邻挡块之间的缝隙影响不大，但长期使用时，柔软的密封圈体容易被挤压进入到缝隙中，影响密封圈体的使用寿命；

为此，在对密封圈可做另外方向的改进：相邻挡块之间设置有挡片，挡片的设置遮盖了缝隙，从而防止密封圈体进入缝隙；

本实用新型涉及的管端密封圈在试压时实现密封和夹持的具体工艺步骤为：

（1）管端插入：将被试压管的管端插入密封圈的串入孔中；

（2）预密封、挡块夹持管端：向密封圈的的外圆周面通入压力为P₁的预密封液体，预密封液体压迫密封圈体带动挡块收缩，挡块之间的缝隙消失形成挡块环，挡块环的内径小于被试压管的外径，迫使被试压管的管端产生弹性形变，形变的恢复力使得挡块环内表面与被试压管的管端外径紧密接触从而由挡块环夹持住被试压管的管端；密封圈体的外圆大于挡块环的内孔，作用于压力P₁传递到管端时，对夹持管端的力起到了放大作用；

（3）管体通液试压、挡块夹持管端的力增加：向被试压管的一端通入试压液体，驱赶被试压管中的空气从另一端排出，直至被试压管内部充满试压液体，然后持续提高试压液体的压力直至达到试验要求的压力而进入试压测试；当试压液体的压力≥P₁时，预密封腔与试压液体连通，预密封液体的压力与试压液体的压力相等，挡块夹持管端的力随着试压液体的压力增大而增大，始终保证挡块对管端的可产生的摩擦力大于试压液体对管端的轴向力；

对直管试压装置的方案为：将可承受轴向力的管端密封圈安装在左右试压头上，试压头的开口方向相对，左右两个试压头上所安装的密封圈同轴，每个试压头均设置有与密封圈外圈相通的液体通道，以及与管端串入口相通的液体通道；试压时，将直管式被试压管的管端插入左右试压头，先通过与密封圈外圈相通的液体通道通入预密封液体，密封圈在预密封液体的压力作用下收缩夹紧管端，然后向管端串入口通液、排气、试压；

本实用新型的密封圈对U型管试压的方案为：将可承受轴向力管端密封圈安装在左右试压头上，试压头的开口方向相同，左右两个试压头上所安装的密封圈轴线平行，每个试压头上均设置有与密封圈外圈相通的液体通道，以及与管端串入口相通的液体通道；试压时，将U型被试压管的管端插入左右试压头，先通过与密封圈外圈相通的液体通道通入预密封液体，密封圈在预密封液体的压力作用下收缩夹紧管端，然后向管端串入口通液、排气、试压。

本实用新型与现有技术相比，克服了轴向力，取消了试压夹钳，节省了成本，减少了夹持辅助时间，提高了试压效率，从根本上消除了管端失稳的因素，减小了试压过程中失效可能，缩短试压后需被锯切管段长度；其结构简单，试压操作便利，试压效果好，使用寿命长。

附图说明：

图1和图2是本实用新型所涉及到的密封圈一种实施例的结构示意图，图1是密封圈的轴向剖视图；图2是图1中的A-A视图，图2上半部分表示密封圈周边未加压时的松弛状态，下半部分是密封圈加压后夹紧管的状态。

图3是一种安装有本实用新型的密封圈的试压头的结构示意图，用以说明本实用新型的密封圈在试压时实现密封和夹持的工艺步骤。

图4是一种安装有本实用新型的用于直管试压装置的实施例的结构原理示意图。

图5是一种安装有本实用新型的用于U型管试压装置的实施例的结构原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例中包含附图1和2，图1是本实施例的轴向剖视图。图2是图1的A-A视图，为效果对比方便，按照机械方面的制图规则，图2中的图中上半部分表示的是密封圈周边未加压时的松弛状态，下半部分是密封圈加压后夹紧管的状态；

如图1、图2所示：本实施例中的可承受轴向力的管端密封圈包括橡塑材料的密封圈体3和金属材料的挡块1，还包括唇边4、销子7、销孔12和串入孔13；所述密封圈体3外形是圆柱筒状结构，密封圈体3的外圆周面与两端面交界处设置有环绕圆周面的端面密封唇边4；挡块1是大小相等的扇环形，均匀分布在所述密封圈体3的圆柱筒状结构的内环中，密封圈体3未收缩时，相邻挡块1之间具有缝隙H；所述圆柱筒状结构的底部设置有直径大于被密封管端的串入孔13，所述挡块1较小的圆弧面不越过所述密封圈体3底部所设置的串入孔13的内孔表面；所述密封圈体3圆柱筒状结构的筒底设置有销孔12，挡块1与销孔12相邻面上具有销子7，所述销子7插入所述销孔12中；安装在密封圈体3上的挡块1为同一个整体的金属圆柱环剖开，密封圈体3收缩后，相邻挡块之间的缝隙消除，形成挡块环；所述挡块环的外径为D，内径为d，宽度为B，挡块内表面与被试压管8的管端的摩擦系数为μ，被试压管8的管端的直径为D₁，并满足关系式：0＜D₁-d≤2mm，D×B≥S/（π×μ）。

图2中上半部分绘制的是密封圈体3周边尚未加压时的状态，下半部分绘制的绘制的是密封圈体3周边加压时的状态，未加压时：所述挡块1较小的圆弧面不越过所述密封圈体3底部所设置的串入孔13的内孔表面，不会阻碍管端的插入；加压后，在压力P₁的作用下，密封圈体3收缩，挡块1形成挡块环，挡块环的d＜D₁,使得密封圈体3收缩后挡块1所组成挡块环的内圆表面能够与被试压管8表面接触，从而产生夹持力；符合关系式0＜D₁-d≤2mm，D×B≥S/（π×μ）的挡块环可以在挡块环内径d不必大幅小于被试压管8外径D₁的情况下，能够赋予管端足以克服轴向力的摩擦力，从而避免了效果不稳定、较软管易夹扁、较硬管夹不住的难题；

在大多数情况下，可以设置0.4≤D₁-d≤0.6mm，符合此关系式的挡块环对管端的保护以及夹持效果能达到最好的结合点，适用的范围最广；

当被试压管8的材质是钢、试压介质是清水或乳化液时，挡块1的材质为钢，设置μ=0.1；

本实施例在挡块环内圆表面加工有横向纹路，以使接触面更加粗糙，进而提高摩擦力，使得夹持更加可靠；具体实施时不局限于本实施例所提到的纹路形式，相关领域技术人员可以变换出其他纹路形状；

本实施例在相邻挡块之间设置挡片2，遮盖相邻挡块之间的缝隙，保证密封圈的寿命；

本实施例在密封圈体3的外圆周面设置有凸起5，凸起5增加了密封圈周边的支撑面，有助于稳定密封圈；设置凸起5后，预密封液体的通路被阻碍，在凸起5上设置纵向贯通沟槽6，有利于预密封液体流通。

实施例2：

图3是一种安装有本实用新型的密封圈的试压头的结构示意图，为表达方便，使用了实施例1中的密封圈的结构形式，实际使用时不局限于此结构；图3中，试压头包括密封圈和密封头9，所述密封圈安装在密封头9的凹槽中，密封圈体3的唇边4与密封头9凹槽形成预密封腔，密封头9设置有与密封圈同轴的管端入口、密封圈内孔相通的第一液体通道10,以及与密封圈外圆周相通的第二液体通道11；

使用本实施例中的试压头密封和夹持管端时，按照以下工艺步骤进行：

（1）管端插入：将被试压管8的管端通过密封头9上的管端入口插入密封圈的串入孔13中；

（2）预密封、挡块夹持管端：首先通过第二液体通道11向密封圈的的外圆周面通入压力为P₁的预密封液体，预密封液体压迫密封圈体3带动挡块1收缩，挡块之间的缝隙消失形成挡块环，挡块环的内径小于被试压管8的外径，迫使被试压管8的管端产生弹性形变，形变的恢复力使得挡块环内表面与被试压管8的管端外径紧密接触从而由挡块环夹持住被试压管8的管端；密封圈体3的外圆大于挡块环的内孔，作用于压力P₁传递到管端时，对夹持管端的力起到了放大作用；

（3）管体通液试压、挡块夹持管端的力增加：从第一液体通道10向被试压管8的一端通入试压液体，驱赶被试压管中的空气从另一端排出，当被试压管8内部充满试压液体后，持续提高试压液体的压力直至达到试验要求的压力而进入试压测试；当试压液体的压力≥P₁时，预密封腔与试压液体连通，预密封液体的压力与试压液体的压力相等，挡块夹持管端的力随着试压液体的压力增大而增大，始终保证挡块对管端的可产生的摩擦力大于试压液体对管端的轴向力。

实施例3：

本实施例为可承受轴向力的管端密封圈用于直管试压的状况，使用的密封圈的外形与实施例1中的相同，实际使用中可不局限于实施例1中的密封圈形式；使用的试压头形式与实施例2中的试压头结构相同，实际使用中可不局限于实施例2中的试压头形式；

图4中，将可承受轴向力管端密封圈安装在左右试压头上，试压头的开口方向相对，左右两个试压头上所安装的密封圈同轴，每个试压头上均设置有与管端串入孔13相通的第一液体通道10，以及密封圈外圈相通的第二液体通道11；试压时，将直管管端插入左右试压头，先通过与密封圈外圈相通的第二液体通道11通入预密封液体，密封圈体3在预密封液体的压力作用下收缩夹紧管端，然后向管端串入孔13中通液、排气、试压；

被试压管8的管端内径为d₁，被试压管8是直管时，管腔液体的压力相互抵消，管承受轴向液体压力的面积是S=π(D₁ ²-d₁ ²)/4；此时D×B≥(D₁ ²-d₁ ²)/（4×μ），挡块环能够对现有直管的大部分型号进行有效夹持，且不至于使管端变形过大而破坏管端；

本实施例由于密封圈能够克服轴向力，因此再设置夹钳已无必要，取消了夹钳，不仅节省了成本，而且减少了夹持辅助时间，提高了试压效率；从根本上消除了管段失稳的因素，减小了试压过程中失效可能；缩短试压后需被锯切管段长度

实施例4：

本实施例为可承受轴向力的管端密封圈用于U型管试压的状况，使用的密封圈的外形与实施例1中的相同，实际使用中可不局限于实施例1中的密封圈形式；使用的试压头形式与实施例2中的试压头结构相同，实际使用中可不局限于实施例2中的试压头形式；

图5中，将可承受轴向力管端密封圈安装在左右试压头上，试压头的开口方向相同，左右两个试压头上所安装的密封圈轴线平行，每个试压头上均设置有与管端串入孔相通的第一液体通道10，以及密封圈外圈相通的第二液体通道11；试压时，将直管式被试压管8的管端插入左右试压头，先通过与密封圈外圈相通的第二液体通道11通入预密封液体，密封圈体3在预密封液体的压力作用下收缩夹紧管端，然后向管端串入孔13中通液、排气、试压；

被试压管8是U型管时，管腔液体的压力无法相互抵消，管承受轴向液体压力的面积是S=πD₁ ²/4；此时D×B≥πD₁ ²/（4×μ），能够适应各种U型管试压；

由于密封圈体3能够克服轴向力，因此再设置夹钳已无必要，取消了夹钳的U型管试压不仅节省了夹钳的购置成本，而且减少了夹持辅助时间，提高了试压效率，,从根本上消除了管段失稳的因素，减小了试压过程中失效可能，缩短试压后需被锯切管段长度。

Claims (5)

1.一种可承受轴向力的管端密封圈，包括橡塑材料的密封圈体和金属材料的挡块，密封圈体的外形是圆柱筒状结构，还包括唇边、销子、销孔和串入孔，密封圈体的外圆周面与两端面交界处设置有环绕圆周面的端面密封唇边；挡块是大小相等的扇环形，均匀分布在所述密封圈体的圆柱筒状结构的内环中形成挡块环，密封圈体未收缩时，相邻挡块之间具有缝隙；所述圆柱筒状结构的底部设置有直径大于被密封管端的串入孔，所述挡块较小的圆弧面不越过所述密封圈体底部所设置的插入孔的内孔表面；所述密封圈体圆柱筒状结构的筒底设置有销孔，挡块与销孔相邻面上制有销子，所述销子插入所述销孔中；其特征在于：所述挡块数量为4个以上，安装在密封圈体上的同一组挡块为同一个整体的金属圆柱环剖开，所述挡块环的外径为D，内径为d，宽度为B，挡块内表面与被试压管的管端的摩擦系数为μ，被试压管管端的直径为D₁，管承受轴向液体压力的面积为S，并满足关系式：0＜D₁-d≤2mm，D×B≥S/(π×μ)。 

2.根据权利要求1所述的一种可承受轴向力的管端密封圈，其特征在于：0.4≤D₁-d≤0.6mm。 

3.根据权利要求1所述的一种可承受轴向力的管端密封圈，其特征在于：挡块的材质为钢，μ＝0.1。 

4.根据权利要求1所述的一种可承受轴向力的管端密封圈，其特征在于：密封圈体的外圆周面两唇边之间设置有凸起，凸起上设置纵向贯通沟槽。 

5.根据权利要求1所述的一种可承受轴向力的管端密封圈，其特征在于：相邻挡块之间设置有挡片。 

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