CN206973111U - 一种高压自紧式法兰 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高压自紧式法兰,涉及一种新型管道连接器,包括套节、卡套、密封环和球型螺栓,其特征在于密封环的筋部、唇部分工形成T型,两套节夹紧筋部,在卡套作用下,与管道形成强有力的整体;两套节的密封锥面与T型密封环的两唇部分别形成密封,其优点:1.卡套主要受力,代替了传统法兰的螺栓主要受力;2.在卡套、套节作用下的密封环360°方向均匀受力;3.T型密封环的唇部随压力波动而弹性波动,弹性变形,随压力增大而密封比压增大,传统法兰压力增大,密封比压降低,即自紧密封效果更好,具有抗疲劳、抗振动、抗温差的功能;4.拆装方便,密封环可以反复使用;5.连接点的强度比管道母材更高;6.球型螺栓轴线垂直于管道中心线设置。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种全新的管道连接方式,特别是一种广泛用于石油、石化、化工、煤化工、船舶、冶金、航空、航天、军事、国防、合成材料等领域的管路连接。
背景技术
法兰在工业生产装置、输送工程、航空航天、国防、军事等设备和管道上,以及设备间的连接必不可少,同时也是需求量非常大的通用件。过去一般采用传统法兰和管道连接,靠密封垫的局部塑性挤压变形来实现密封,连接的可靠性差,连接处易跑、冒、滴、漏的问题,因此事故频发,需要大量的时间去维修和保养,中断生产流程给企业带来经济损失,同时还存在安全隐患。
针对现有普通法兰改进后的管道连接器,如有美国GRAYLOC、英国VECTOR、意大利G-LOK、中国成都植源机械科技有限公司ZY-LOC,四个国家产品机理一样,但结构都不一样,不可互换。
传统法兰一般由与管道同向的螺栓拉紧,其密封垫多为透镜,八角、椭圆垫,当扭紧螺帽时,法兰本身会承受较大的弯矩,带压运行时,管内介质内压将使密封面压强降低,即:沿轴向松弛,从而降低连接处密封性能。为此,将加大安装的螺栓预紧力,当管道压力增大时,法兰承受的弯矩等外力增大,强韧性降低,刚度下降,需要法兰结构尺寸加大,重量增加。但法兰在工作状态下的密封性能仍然较预紧状态下低。由于连接螺栓轴线平行于管道轴向设置,在运行状态下所产生的管道系统附加载荷将直接由连接螺栓承担,同样会影响密封性能。密封环一般比法兰硬度更低,靠挤压局部塑性变形形成密封,没有自紧、自增强的功能,外力影响密封很易失效。
目前,在舰船管路系统中,主要采用传统法兰及螺纹接头的连接形式,但是,高压的发射系统,高压的油循环润滑系统、过热蒸汽系统、柴油机系统的管路连接,因振动、温差应力、高压的强度不够,造成连接故障多,检修频繁,精准度下降,维护保养困难,检修时间长,安全隐患长期存在,安全事故时有发生,对人员和设备造成很大的危害。
实用新型内容
针对上述存在的问题,本实用新型的目的在于:提供一种全新的管道连接器--高压自紧式法兰ZY-LOC,以达到密封性能高,强韧性好,体积小,结构简单,拆装、维护方便的目的。
ZY-LOC与国外同类产品基理相同,但结构都不一样,其技术方案是这样实现的:一种高压自紧式法兰ZY-LOC,主要由套节、卡套、T型密封环和球型螺母、螺栓组成,其特征在于:T型密封环由筋部和唇部组成,套节为两个,两套节夹紧T型密封环的筋部,卡套为上下两个,两卡套夹紧套节;在卡套作用下,与管道形成强有力的整体;两套节的密封锥面与T型密封环的两唇部分别形成密封。
作为优选,T型密封环的唇部外斜面与套节过盈配合。
作为优选,T型密封环的唇部为斜面结构,斜面的倾斜角度为β,β≥5°。
作为优选,T型密封环套于套节中时,T型密封环的筋部与套节之间存在间隙h,h>0。
作为优选,两卡套夹紧套节后,两卡套之间的间隙为δ,δ≥3mm。
作为优选,在卡套的夹环中部开有应力检测槽。
作为优选,球型螺栓的轴线垂直于套节的轴向。
本实用新型的有益效果:T型密封环两密封唇均设计为单斜面结构,加工方便,制造简单,由于设计有应力检测槽,可以很方便地通过检测槽测定初始预紧力,能够准确地根据需要设定所需预紧力,从而减小了密封环变形量,延长了使用寿命。且由于密封环与法兰端面通过锥面接触,形成一种几何弹性接触,只要弹性变量不超过屈服极限σs,无论内压P怎样波动,密封唇在套节、卡套的强有力作用下周向承受均匀压力,既能自紧密封,同时也起到了加固的作用,压力越高,自紧密封性能越好,极大地提高了法兰的抗拉、抗压、抗扭、抗弯曲、抗振动、抗疲劳、抗冲击性能,并具有结构简单,加工及维修方便的优点。由于本结构连接螺栓垂直于管道设置,只需初始预紧力即可拧紧,减小了法兰本身承受的弯矩。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的结构示意图。
图2是本实用新型实施例1的剖面结构示意图。
图3是本实用新型实施例1中的部分剖面结构示意图。
图4是本实用新型实施例1中套节的结构示意图。
图5是本实用新型实施例1中密封环的结构示意图。
图6是T型密封环T型臂屈服强度的示意图。
图7是T型密封环T型臂受力时产生如弹簧弹力的示意图。
图中标记:1.密封环;2.卡套;3.螺栓;4.套节;5.检测槽。
具体实施方式
下面结合附图,对本实用新型作详细的说明。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型技术进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
实施例1
传统管道连接通常采用法兰连接,法兰连接由于密封结构形式的要求,其结构尺寸往往较大,安装困难。本实用新型将双锥密封结构和卡箍紧固结构结合起来,利用本实用新型中的卡套在结构紧固方面的特点,以及双锥密封在轴向密封的特点,经过科学分析,并采用大型有限元分析软件,进行了力学计算工作,对本实用新型所述的高压自紧式法兰ZY-LOC进行强度分析与校验。本高压自紧式法兰应用环境:压力≤200MPa,温度:-196℃~1000℃。
另外,由于法兰应用前景非常广泛,因此根据管路实际技术要求,经科学计算后选用相应材质的金属材料定制而成。金属环是整个法兰的核心,合格的金属环应满足当管内压力越大时,金属环的密封效果越好,即是说压力越大,“自紧”效果更佳。
一、具体结构:
如图1、2、3、4、5所示,一种高压自紧式法兰,主要由套节4、卡套2、密封环1、球型螺栓3和检测槽5组成,密封环1由筋部和唇部组成,筋部和唇部分工形成T型的密封环,套节4为两个,两套节4夹紧T型密封环的筋部,卡套2为上下两个,两卡套2夹紧套节;在卡套2作用下,套节与管道形成强有力的整体;两套节4的密封锥面与T型密封环的两唇部分别形成密封。
T型密封环的唇部外斜面与套节过盈配合。套节4与T型密封环1的唇部外斜面接触处过盈配合而存在的过盈角度为α,5°≤α≤12°,在本实施例中α=8°。套节4与卡套2斜面配合,套节斜面的倾斜角度为θ,6°≤θ≤ 16°,在本实施例中θ=12°。
T型密封环的唇部为斜面结构,具体来说,T型密封环1唇部外斜面的内侧为直线段,外侧为斜面,斜面的倾斜角度为β,β≥5°,在本实施例中β=6°。
T型密封环套于套节中时,T型密封环的筋部与套节之间存在间隙h,h>0,在本实施例中h=4mm。
卡套2为上下两个,卡套2的两端分别设置两个螺纹孔,螺栓穿过螺纹孔将上、下卡套2固定连接为一整体;球型螺栓3的轴线垂直于套节4的轴向。两卡套2夹紧套节4;两卡套2夹紧套节4后,两卡套之间的间隙为δ,δ≥3mm,在本实施例中δ=5mm。
在卡套的夹环中部开有应力检测槽。
二、将该高压自紧式法兰中的密封环置于两个套节之间,采用预紧螺栓拉紧上下两个卡套,将螺栓的预紧力转化为压紧密封环与套节的轴向力,使套节与密封环形成初接触,这一过程称作“就位”;继续加大螺栓预紧力,使套节与密封环产生适当线接触力,形成密封,这个过程称作“预紧”;当管道承压后,密封环出现自紧作用,形成有效的自紧密封。
三、具体应用实施例:
以DN100型为例说明:设计温度300℃,设计压力25MPa,密封环1采用耐高温高镍洛合金A638GR660制成,螺栓3及螺帽6采用35铬钼A制成,卡套2及套节4采用20锰制成,检测槽5宽度9mm,深度5mm。
安装时,先将套节4定位,使用无研磨作用的材料清除套节4密封面上的润滑油及密封环1表面,然后将密封环1装入套节4密封面,保持密封环1肩部与套节4端面有一定的间隙。用卡套2套住套节4,在卡套2与套节4的接触部分涂上润滑剂,以减少摩擦。在卡套2的螺孔中插入螺栓3,套上拧紧螺帽6,通过检测槽5确定初始预紧力,然后拧紧螺帽6,使螺栓3与卡套2的沟槽呈十字交叉,两头露出的螺栓部分大致相等,安装完成后两套节4的端面与密封环1的筋部应紧密接触。
四、对实施例1所述的高压自紧式法兰进行力学分析:
4.1分析依据
在高压工况工作下的密封结构在介质压力会发生变形,改变密封面的接触状况,严重时会破坏密封的性能,这种变形的计算是典型的状态非线性问题,采用通常的弹性力学数学分析方程,建立数学模型,由于零件的复杂性及装配件之间相互变形的影响,会使得这些计算模型的数学公式变得复杂,计算误差也就不可避免,随着计算机技术的发展,采用有限元的方法来计算密封环力变形、温度场、热变形等越来越多地被采用,其计算结果也更加可靠。
根据《压力容器安全监察规程》(简称“容规”)重点问题说明第1款的规定:“带压密封专用固定夹具,可以采用GB150《钢制压力容器》所规定的壁厚
计算公式”。如公式(1)所示:
S——计算壁厚,mm;
pc——计算压力,MPa;
Di——内径,mm;
[σ]t——设计温度下的材料许用应力,MPa;
——焊缝系数;
计算应力,如公式(2)所示:
式中:
δe——有效厚度,mm;其他同(1)式。
上述两公式采用的是内压容器无力矩薄膜理论的分析方法,对于计算该高压自紧式法兰的套节是适用的,而对于该高压自紧式法兰的卡套则无法应用两式进行分析计算,因此需要借助其他分析手段进行分析计算。鉴于国内尚无此类产品的相关设计、制造和检验规范,建议该产品的设计,以有限元力分析作为其强度设计依据,按照GB150《钢制压力容器》和JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》的有关规定进行设计计算,本次分析中有关数据及分析依据也是GB150和JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》的有关规定进行分析计算的。
4.2载荷分析
4.2.1,用户数据:
根据XX设计院所提供的设计图,计算基础数据如下:
工作压力 | MPa |
设计压力 | 35MPa |
工作温度 | 40~150℃ |
设计温度 | 300℃ |
密封环材料 | 0Cr17Ni12Mo2 |
套节材料 | 0Cr17Ni12Mo2 |
卡套材料 | 0Cr17Ni12Mo2 |
螺栓材料 | 35CrMoA |
计算温度 | 300℃ |
计算压力 | 35MPa |
采用本实用新型实施例1中的高压自紧式法兰。
4.2.2计算条件
(1)强度计算条件:
材料在计算温度下的常熟:
材料在常温(20℃)下的常数:
管接头本体 | [σ]t=137MPa | Et=1.94x105MPa |
螺栓材料 | [σ]t=210MPa | Et=2.14x105MPa |
4.3套节与密封环结构分析
4.3.1力学模型
根据高压自紧式法兰ZY-LOC的结构特点及载荷情况,选取建立高压自紧式法兰ZY-LOC密封结构的三维有限元力分析模型。
4.3.2边界条件
位移边界条件:
密封环X=0处:△X=0,约束其X向位移,而套节可以沿X向位移;
密封环、套节Z=0处,△Z=0,约束其Z向位移;
密封环、套节Y=0处,△Y=0,约束其剖面位移,而卡套可以沿Y向位移。
(2)力边界条件:
套节和密封环内表面内压:P=35MPa;
对套节与卡套接触面处施加螺栓预紧力产生的均部压力:PF=40MPa;
4.3.3单元选择
采用大型有限元力分析提供的8节点实体元(SOLID 45)进行网格划分。
4.3.4分析结果
由套节和密封环最大等效应力(Von Mises)分布云图可知:
管道最大等效应力为66.8MPa<[σ]t=118MPa,密封环最大等效应力为 178MPa>[σ]t=118MPa,而小于密封环材料的强度极限,考虑到密封环所承受的应力主要为压应力,同时密封环正式依靠其本身部分材料的变形确保其密封性,因此密封环处的应力水平是合理的。
4.4卡套结构分析
4.4.1力学模型
根据管道卡套的结构特点及载荷情况,选取建立卡套结构的三维有限元力分析模型,卡套最大等效应力(Von Mises)分布云图。此外在分析中,还根据初步分析结果,对原结构不合理之处进行改进。
4.4.2边界条件
位移边界条件:
密封环X=0处:△X=0,约束其X向位移,而套节可以沿X向位移;
密封环、套节Z=0处,△Z=0,约束其Z向位移;
密封环、套节Y=0处,△Y=0,约束其剖面位移,而卡套可以沿Y向位移。边界条件:
紧固螺栓面施加均布压力:P=10MPa;
卡套与套节接触面处施加套节的反作用力:PF=40MPa;
4.4.3单元选择
采用大型有限元力分析提供的8节点实体元(SOLID 45)进行网络划分。
4.4.5分析结果
由卡套的变形图可以看出,卡套的整体变形均匀合理。
卡套的最大等效应力(Von Mises)分布云图可知卡套的应力分布较均匀, 卡套最大等效应力为118MPa=[σ]t=118MPa,由工程实践知只要材料的最大等效应力不大于材料的许用应力的5%就可以认为其是安全的。
由以上分析可知,卡套结构合理,可以满足功能要求。
4.5螺栓强度校核
(1)螺栓接触面面积:A=πR2=615.75mm2
(2)螺栓的预紧力:F=P*A=6157.52KN
(3)螺栓截面面积:A1=πR2=113mm2
(4)螺栓应力:σ=F/A1=54MPa<[σ]t=174MPa。
由以上螺栓强度校核可知,改螺栓的实际应力小于螺栓材料的许用应力,该螺栓在其工况下安全可靠。
由上分析可得出该结构各零件可以满足强度要求。
与现有国外的法兰相比:
将本实用新型所述高压自紧式法兰ZY-LOC与美国GRAYLOC、英国VECTOR 和意大利G-LOK相比,ZY-LOC、Grayloc、Vector、G-lok,不可以相互更换,各国的标准不一样,计算不一样;ZY-LOC具有如下特点:
1.T型密封环设计全弹性变形范围内,不允许塑性变形,而国外同类技术允许10%的塑性变形。
2.ZY-LOC的安全系数N=3=σb/[σ]b,而其他国家的N=2。
3.ZY-LOC的两卡套压紧套节后的间隙δ比国外同类更大,这样防止了高温状态下卡套相顶撞。
4.ZY-LOC防冲刷磨损保护套,一分为二,便于安装、拆卸。
5.ZY-LOC要求安装时套节要夹紧T型环筋,并过盈配合(国外同类技术要松连接),这样能形成初始密封,和管道连成刚性体,保证两套节间不形成棱角。
6.ZY-LOC的连接螺栓轴线垂直于管道轴向设置。
综上所述,本实用新型所述的高压自紧式法兰采用T型结构密封环后,其力学结构产生了根本变化,有三点划时代的意义:
一、是真正的无泄漏:随管道内压的增加,T型环的唇部与套节的密封锥面越贴越紧,即是说,密封面的密封比压增大,形成自紧而无泄漏。
二、连接强度高于管道母材,几乎是物理的方法代替了焊接:由于密封环的筋部一般直径方向都大于管道的壁厚,即径向强度高于管道强度,而被套节紧紧夹住,在卡套足够的刚度和强度的作用下(此时四套球型螺栓仅仅辅助受力)与管道形成强有力的整体。
三、使用寿命大大增长:由于T型密封环在套节和卡套的作用下,360°方向均匀受力,不受外力任何影响,而密封环的唇部受压力的波动而弹性变量,只要T型臂应力σ<[σ]s,如图6和图7所示。密封环与套节锥形密封面便形成强有力的密封。
四、本实用新型具有抗疲劳、抗振动、抗温差变化的功能,如同一弹簧受 F力作用而反复有效,因此寿命大于管道母材。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高压自紧式法兰,主要由套节、卡套、T型密封环和球型螺母、螺栓组成,其特征在于:T型密封环由筋部和唇部组成,套节为两个,两套节夹紧T型密封环的筋部,卡套为上下两个,两卡套夹紧套节,在卡套作用下,与管道形成整体;两套节的密封锥面与T型密封环的两唇部分别形成密封;两卡套夹紧套节后,两卡套之间的间隙为δ,δ≥3mm。
2.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰,其特征在于:T型密封环的唇部外斜面与套节过盈配合。
3.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰,其特征在于:T型密封环的唇部为斜面结构,斜面的倾斜角度为β,β≥5°。
4.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰,其特征在于:T型密封环套于套节中时,T型密封环的筋部与套节之间存在间隙h,h>0。
5.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰,其特征在于:在卡套的夹环中部开有应力检测槽。
6.根据权利要求1所述的高压自紧式法兰,其特征在于:球型螺栓的轴线垂直于套节的轴向。
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CN201621266581.4U CN206973111U (zh) | 2016-11-24 | 2016-11-24 | 一种高压自紧式法兰 |
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CN110725948A (zh) * | 2019-10-28 | 2020-01-24 | 中原工学院 | 一种柔性自密封自紧法兰 |
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2016
- 2016-11-24 CN CN201621266581.4U patent/CN206973111U/zh not_active Ceased
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