CN203743426U - 一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫 - Google Patents

Abstract

一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，包括金属基体及设于金属基体外表面的填料层，金属基体为由两个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成，组成金属基体中的金属垫片环单体的尺寸大小特征和/或表面结构特征不完全相同，尺寸大小特征包括金属垫片环单体的厚度和宽度，表面结构特征包括设于金属垫片环单体的同心环形沟槽的径向横断面形状、宽度和深度。同心环形沟槽的径向横断面的形状为弧形、矩形和三角形中的任一种，且同心环形沟槽的径向横断面的形状大小自金属垫片环单体的外缘向内缘逐渐减小。本申请具有压力自密封特性，压缩回弹性能好，更适用于非对称的大型结构高温高压及其波动工况的动态密封。

Description

一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫

技术领域

本申请涉及装备工程中的承压设备开口连接的密封技术，特别是涉及高温高压工况下，用于石油炼制与化工、煤化工、化肥工业、及其它各种化工、空调、空冷、电力设施的承压设备(例如：锅炉、压力容器、换热器、压力管道、储气瓶等)的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫。

背景技术

现有的用于承压设备开口连接的密封垫中，环形平垫是应用最为广泛的一种，其结构种类也有很多，如：橡胶垫、石棉垫、金属平垫、铁包垫、缠绕垫、波齿石墨复合垫等结构。

现有技术中，应用于对焊法兰的环形平垫密封技术中典型的结构如图1所示，其中法兰一般包括法兰盘11、安装螺栓螺母紧固件的螺栓孔12、颈部13、与承压壳体对接的端部坡口14、环形平垫15和圆环形平面的密封面16。螺栓穿过上下两个法兰的螺栓孔12，在螺栓的端部上紧螺母，使两个法兰的密封面16相互靠近压紧环形垫片15，以使法兰内介质的压力P无法从虚线箭头方向通过环形平垫15及其与法兰之间的密封面流窜到法兰的外部。

上述传统结构的环形平垫密封技术普遍存在的实际问题是，当法兰内介质的压力P、温度T升高或波动时，较高的压力在法兰的两端产生实线箭头所示的拉力F，较高的温度T使螺栓受热膨胀伸长，导致密封系统松弛，由于环形平垫15没有足够的回弹以继续保持与法兰的密封面16的紧密贴合，从而使得高温高压介质通过密封面16流窜到法兰外部，引发爆炸燃烧事故。由此可见，承压设备开口连接的密封技术将成为整台设备的关键。

从技术层面分析上述法兰内部介质泄漏的根本原因是：密封系统松弛后，环形平垫15没有足够的回弹以继续保持与法兰密封面的紧密贴合。

长期以来，人们一直致力于对于开口连接密封结构的研究，主要目标也在于提高垫片的回弹率，例如：授权公告号为202867836U的中国实用新型专利公开了“一种弹簧复合密封垫片”，其“主要由骨架、在所述骨架四周外侧设置的金属垫层（2），以及在所述金属垫层（2）的四周外设置有包覆层（1）组成，其特征在于：所述弹簧复合密封垫片的骨架由内侧圆柱螺旋弹簧（5）、外侧圆柱螺旋弹簧（3）以及位于所述内外侧圆柱螺旋弹簧之间的限位环（4）构成；内侧圆柱螺旋弹簧（5）和外侧圆柱螺旋弹簧（3）分别设置在限位环（4）的内外凹槽内，外侧圆柱螺旋弹簧（3）、内侧圆柱螺旋弹簧（5）与限位环（4）连接成一体。”上述弹簧复合密封垫片虽然具有优异的回弹性，但是其结构复杂，而且密封系统的零部件易损，操作麻烦，不便于市场上的大面积普及与推广。除此之外，现有技术中还存在如T形槽金属垫法兰密封结构、薄壁Ω环结构的密封焊法兰密封结构、螺纹锁紧环密封结构等传统强制密封结构、石墨缠绕垫、波齿石墨复合垫；以及楔形环、卡扎里密封、Bridgman密封、双金属波齿石墨复合垫密封、膜式密封等密封结构。上述密封结构因强化效果还不够，特别是随着实践应用的深入，人们发现这些结构本身也存在一些不利的地方。主要存在的问题是：

第一，非对称结构的密封无法适应；

第二，需要高水平的焊接。如薄壁Ω环结构的密封焊；

第三，结构庞大。如普通大法兰型密封，法兰和端盖很厚，且无温度补偿调节；

第四，欠缺普适性，有些场合用得效果好，有些场合用得效果差；

第五，组装质量较差，且组装效率较低。

综上所述，研发一种结构简单、密封可靠性好、装卸效率高的密封垫片，在工程技术领域具有极为深远和重大的意义。

发明内容

本申请的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种针对非对称结构密封的、并能够提高组装质量和装卸效率，且自紧密封性能好、结构简单、具有普适性的密封垫。

本申请的目的通过以下技术方案实现：

提供一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，包括金属基体以及设置于所述金属基体外表面的填料层，其中，所述金属基体为由两个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的金属基体，组成所述金属基体中的金属垫片环单体的尺寸大小特征和/或表面结构特征不完全相同，所述尺寸大小特征包括金属垫片环单体的厚度和宽度，所述表面结构特征包括设置于所述金属垫片环单体的同心环形沟槽的径向横断面形状、宽度和深度。

其中，所述同心环形沟槽的径向横断面的形状为弧形、矩形和三角形中的任一种，且所述同心环形沟槽的径向横断面的形状大小自所述金属垫片环单体的外缘向内缘逐渐减小。

其中，所述金属基体为由两个径向横断面形状为梯形的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的径向横断面是矩形的金属基体，所述两个径向横断面形状为梯形的金属垫片环单体之间留有间隙。

其中，所述金属基体为由三个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的金属基体，位于中间的金属垫片环单体的表面沿周向设置有若干条径向连通槽，各径向连通槽之间不贯通。

其中，位于所述金属基体中的上下两个金属垫片环单体的外表面设置有同心环形沟槽，上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度与下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度均不相同；但上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征相同，或者下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征相同。

其中，位于所述金属基体中的上下两个金属垫片环单体的外表面设置有同心环形沟槽，上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度与下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度均相同；但上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征不相同，或者下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征不相同。

其中，组成所述金属基体中的各金属垫片环单体的宽度相同设置、厚度不完全相同设置；或者组成所述金属基体中的各金属垫片环单体的厚度相同设置、宽度不完全相同设置。

其中，所述填料层包括石墨层、橡胶层、塑料层、粘胶层及其任意两种以上的混合物层；或者，所述填料层包括软金属层。

其中，组成所述金属基体中的相邻的两个金属垫片环单体之间的焊接接头为柔性结构。

其中，所述金属基体为由三个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的金属基体，位于中间的金属垫片环单体设置为高弹性结构。

本申请的有益效果：本申请的密封垫专门应用于当密封垫片两侧部件的受力不同时，密封垫片和部件组成的密封系统其力学行为需要满足不同的要求，本申请就是针对上述技术问题而提出的解决方案。与现有技术相比，能够满足不能的回弹要求，同时具有结构简单、装拆简便，成本低的特点，更适用于非对称结构高温高压及其波动工况的动态密封。

附图说明

利用附图对本申请作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本申请的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是现有传统技术中的一种对焊法兰密封副和环形平垫的典型结构示意图。

图2是本申请的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫的第一种局部结构示意图。

图3是本申请的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫的第二种局部结构示意图。

图4是本申请的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫的第三种局部结构示意图。

图5是本申请的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫的第四种局部结构示意图。

图6是本申请的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫的第五种局部结构示意图。

图7是本申请的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫的第六种局部结构示意图。

图8是本申请的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫的第七种局部结构示意图。

图9是本申请的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫的第八种局部结构示意图。

在图1中包括有：

11——法兰盘、12——螺栓孔、13——颈部、14——端部坡口、15——环形平垫、16——密封面， 

在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9中包括有：

31、32——金属垫片环单体、33——密封焊缝、34——填料层，

41、42及43——金属垫片环单体、44——密封焊缝、45——填料层，

51、52——金属垫片环单体、53——O形环、54——密封焊缝、55——填料层，

61、62——金属垫片环单体、63——C形环、64——密封焊缝、65——填料层，

71、73——金属垫片环单体、72——缠绕垫、74——密封焊缝、

81、82及83——金属垫片环单体、84——密封焊缝、85——填料层，

91——金属垫片环单体、92、93及94——同心环形沟槽，

101、102——金属垫片环单体、103——密封焊缝。

具体实施方式

结合以下实施例对本申请作进一步详细描述。

本申请的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，包括金属基体以及设置于所述金属基体外表面的填料层，上述技术特征与现有技术相同。本申请的改进在于：所述金属基体为由两个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的金属基体，组成所述金属基体中的金属垫片环单体的尺寸大小特征和/或表面结构特征不完全相同，所述尺寸大小特征包括金属垫片环单体的厚度和宽度，所述表面结构特征包括设置于所述金属垫片环单体的同心环形沟槽的径向横断面形状、宽度和深度。组成金属基体的各单片金属垫片环单体不是全部相同的，或者同一单片金属垫片环单体中的细部结构是不相同设置以满足非对称结构密封对于回弹力的要求。本申请的加强型密封垫专门应用于当密封垫片两侧部件的受力不同时，密封垫片和部件组成的密封系统其力学行为需要满足不同的要求，例如，密封系统不是如图1所示的两个结构对称的法兰，而是另一侧采用平焊法兰、反向法兰、管束管板或盲板盖等时，特别是管束管板或盲板盖的内压变形较大，需要更高回弹率的填料层，即需要更高波齿高度、更大波齿半径的波形槽来填充填料层，如果密封垫片两侧都设置成如图1所示的现有技术的大结构，又会增加金属基体的厚度、宽度从而影响回弹率，还增加成本，因此，技术发展要向着个性化、专门化、特性化的方向发展，以适应具体需要，本申请就是针对上述技术问题而提出的解决方案。与现有技术相比，能够满足不能的回弹要求，同时具有结构简单、装拆简便，成本低的特点，更适用于非对称结构高温高压及其波动工况的动态密封。

本申请涉及装备工程中的承压设备开口连接的密封技术，涉及用于石油炼制与化工、煤化工、化肥工业、其他各种化工、空调、空冷、电力设施的承压设备(如锅炉、压力容器、换热器、压力管道、储气瓶)的一种新的密封技术。

具体的，所述同心环形沟槽的径向横断面的形状为弧形、矩形和三角形中的任一种，且所述同心环形沟槽的径向横断面的形状大小自所述金属垫片环单体的外缘向内缘逐渐减小。参考图8所示，左侧的同心环形沟槽92最深，靠左侧的第二条同心环形沟槽93深度次之，靠左侧的第三条同心环形沟槽94的深度再次之，其余各沟槽的深度逐渐变浅，或者其余各沟槽的深度最浅。起到更好的自紧密封的效果，具有高回弹效果的同时还减少成本，按照压力的大小调整。

另，位于金属垫片环单体最内侧和最外侧的同心环形沟槽的形状均为收弧或收齿的完整波形结构。根据金属平垫的密封原理，内压升高时法兰盘弹性偏转变形使得靠近环形平垫内径一侧的垫片压紧力有所松弛，此时靠近环形平垫外径一侧的垫片成为密封的关键。据此，单一个金属垫片环单体或金属基体上下两个外表面其最内侧和最外侧的同心环槽均设计成收弧或收齿的完整波形结构，而最内侧和最外侧的半波形或半齿形仅是一种不完整的特例，半波结构无法严密密封处于拐角的石墨，浪费了拐角空间，整波则可以更充分地利用有效密封宽度，区别于现有技术。

具体的，所述金属基体为由两个径向横断面形状为梯形的金属垫片环单体101、102相互叠合、并通过其内缘或外缘通过焊接焊缝103焊接在一起组成的径向横断面是矩形的金属基体，所述两个径向横断面形状为梯形的金属垫片环单体101、102之间留有间隙。

具体的，所述金属基体为由三个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的金属基体，位于中间的金属垫片环单体的表面沿周向设置有若干条径向连通槽，各径向连通槽之间不贯通。以适用于密封垫片两侧部件不同的受力行为，避免一刀彻同样的设置过分削弱单薄的金属基体本身。

具体的，位于所述金属基体中的上下两个金属垫片环单体的外表面设置有同心环形沟槽，上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度与下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度均不相同；但上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征相同，或者下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征相同。

具体的，位于所述金属基体中的上下两个金属垫片环单体的外表面设置有同心环形沟槽，上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度与下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度均相同；但上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征不相同，或者下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征不相同。

具体的，组成所述金属基体中的各金属垫片环单体的宽度相同设置、厚度不完全相同设置；或者组成所述金属基体中的各金属垫片环单体的厚度相同设置、宽度不完全相同设置。

参考图2所示，包括有两个金属垫片环单体31、32及其外圆周缘角的组焊密封焊缝33，两侧的填料层34，上层金属垫片环单体31厚些，下层金属垫片环单体32薄些，上下两侧外表面设置的同心环形沟槽数量不等或结构不同。如果外圆周缘角的组焊密封焊缝改为内圆周缘角的组焊密封焊缝，则适用于外压工况。介质压力升高后，介质会通过间隙进入31和32两金属垫片环单体间并向上下金属垫片环单体施压，将介质压力传递给密封垫片与法兰接触面上，同步提高了操作状态下垫片的密封比压，使垫片能始终保持其良好的密封，达到自紧密封。

参考图3所示，包括有三个金属垫片环单体41、42及43，41和42、42和43各两层外圆周缘角的组焊密封焊缝44，两侧的填料层45，上两层金属垫片环单体41、42薄些，下层金属垫片环单体43厚些，上下两侧外表面设置的同心环形沟槽数量不等或结构不同。如果外圆周缘角的组焊密封焊缝改为内圆周缘角的组焊密封焊缝，则适用于外压工况。介质压力升高后，介质会通过间隙进入41和42、42和43两金属垫片环单体间并向上下金属垫片环单体施压，将介质压力传递给密封垫片与法兰接触面上，同步提高了操作状态下密封垫片的密封比压，使垫片能始终保持其良好的密封，达到自紧密封。

参考图7所示，包括有三个金属垫片环单体81、82及83，81和82、82和83各两层外圆周缘角的组焊密封焊缝84，两侧的填料层85，上两层金属垫片环单体81、82厚些，下层金属垫片环单体83薄些，上下金属垫片环单体两侧外表面设置的同心环形沟槽数量不等或结构不同。如果外圆周缘角的组焊密封焊缝改为内圆周缘角的组焊密封焊缝，则适用于外压工况。各层金属垫片环单体的宽度是不等的，最上层的金属垫片环单体81最窄，最下层的金属垫片环单体83最宽，这样构成三层金属自密封波齿复合垫，介质压力升高后，介质会通过间隙进入81和82、82和83两金属垫片环单体间并向上下金属垫片环单体施压，将介质压力传递给密封垫片与法兰接触面上，同步提高了操作状态下垫片的密封比压，使密封垫片能始终保持其良好的密封，达到自紧密封；另一方面，上下宽度不等的垫面与不同的部件贴合，适应不同的结构密封。

具体的，所述填料层包括石墨层、橡胶层、塑料层、粘胶层及其任意两种以上的混合物层；或者，所述填料层包括低碳钢、铜、铝等软金属层。

具体的，组成所述金属基体中的相邻的两个金属垫片环单体之间的焊接接头为柔性结构。

具体的，所述金属基体为由三个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的金属基体，位于中间的金属垫片环单体设置为高弹性结构。例如图6的缠绕结构、图4的O形环、图5的C形环或B形环等。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，包括金属基体以及设置于所述金属基体外表面的填料层，其特征在于：所述金属基体为由两个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的金属基体，组成所述金属基体中的金属垫片环单体的尺寸大小特征和/或表面结构特征不完全相同，所述尺寸大小特征包括金属垫片环单体的厚度和宽度，所述表面结构特征包括设置于所述金属垫片环单体的同心环形沟槽的径向横断面形状、宽度和深度。

2.根据权利要求1所述的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，其特征在于：所述同心环形沟槽的径向横断面的形状为弧形、矩形和三角形中的任一种，且所述同心环形沟槽的径向横断面的形状大小自所述金属垫片环单体的外缘向内缘逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，其特征在于：所述金属基体为由两个径向横断面形状为梯形的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的径向横断面是矩形的金属基体，所述两个径向横断面形状为梯形的金属垫片环单体之间留有间隙。

4.根据权利要求1所述的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，其特征在于：所述金属基体为由三个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的金属基体，位于中间的金属垫片环单体的表面沿周向设置有若干条径向连通槽，各径向连通槽之间不贯通。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，其特征在于：位于所述金属基体中的上下两个金属垫片环单体的外表面设置有同心环形沟槽，上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度与下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度均不相同；但上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征相同，或者下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征相同。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，其特征在于：位于所述金属基体中的上下两个金属垫片环单体的外表面设置有同心环形沟槽，上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度与下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度均相同；但上表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征不相同，或者下表面设置的同心环形沟槽的宽度和深度中至少有一表面结构特征不相同。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，其特征在于：组成所述金属基体中的各金属垫片环单体的宽度相同设置、厚度不完全相同设置；或者组成所述金属基体中的各金属垫片环单体的厚度相同设置、宽度不完全相同设置。

8.根据权利要求1所述的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，其特征在于：所述填料层包括石墨层、橡胶层、塑料层、粘胶层及其任意两种以上的混合物层；或者，所述填料层包括软金属层。

9.根据权利要求1所述的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，其特征在于：组成所述金属基体中的相邻的两个金属垫片环单体之间的焊接接头为柔性结构。

10.根据权利要求1所述的一种针对非对称结构密封的自紧式密封垫，其特征在于：所述金属基体为由三个以上的金属垫片环单体相互叠合、并通过其内缘或外缘焊接在一起组成的金属基体，位于中间的金属垫片环单体设置为高弹性结构。