CN211008539U - 一种带曲面的金属密封结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带曲面的金属密封结构，包括法兰、钢圈、四通，所述法兰钢圈的倒角上设置有圆弧型曲面，本实用新型带曲面的金属密封结构，钢圈与法兰和四通接触面为圆弧面，法兰和四通的接触表面留有一定的间隙，圆弧面结构仅需要较小的加载载荷即可实现同样的密封效果，能够承受多种恶劣的环境影响大大提高使用时间，保证套管头整体密封稳定性；椭圆密封结构曲面的接触深度和宽度较大，其接触压力分布均匀，足以长期实现密封，可靠性高；可以保护法兰和密封槽结构，且更换方便，可实施性强，易于推广运用。

Description

一种带曲面的金属密封结构

技术领域

本实用新型属于油气田勘探开发作业井控装备领域，涉及一种带曲面的金属密封结构。

背景技术

法兰和四通是井口及采油树、油管柱工具等井口装置的关键部件，而两者之间需要利用钢圈密封件，形成一个完整的圈闭密封系统，钢圈结构和质量的好坏影响到法兰和四通的连接，常规的八角形钢圈常常因为外部载荷作用发生应力松弛和蠕变，外加井口装置长期处于恶劣环境，生产过程中难免也会发生振动，进而加剧常规八角钢圈的蠕变破坏，为了确保钢圈可靠性，国内外对钢圈结构做了大量的研究。

对国内外相关专利进行调研发现：专利CN 201856570 U的一种钢圈，包括一个圆形的圈周体和圈周体中间支持板，其支持板是一块钢板压剪而成的，支持板的面上还具有凹窝。凹窝是从支持板的中心部位向周围呈发散状态的。专利CN 104527314A包括钢制外圈，外圈外部设有加固层，外圈内设有菱形状支撑杆，所述两支撑杆之间设有螺丝固定孔。

专利CN 108081866A公开一种汽车用钢圈，包括主圈和副圈，所述主圈外侧均匀设置有多个挡水块，且主圈外侧开设有锁紧槽，所述副圈分别设置在主圈两次，且副圈外侧设置有锁紧螺栓，能解决现有技术中钢圈不能拆卸和轮胎热量不易散发的技术问题。

专利CN 108085606A涉及一种新型钢圈材料，其余为铁，解决现有技术中钢圈不易于焊接和强度不够的技术问题，能够保证冲击韧性和抗拉强度维持在一个平衡点，满足产品的需要；

专利CN 205689954 U涉及一种带外檐法兰钢圈，法兰钢圈通过设置外檐的圆周表面上的连接孔与所述法兰螺栓连接，该钢圈可以应对井口突发的井喷事故。

现有的这些专利和产品密封部位基本都处在常规密封垫环设计范围内，在法兰承受巨大载荷，容易发生钢圈的塑性变形和严重的蠕变变形，在外界各种恶劣环境下，钢圈无法恢复原来的弹性变形，大大降低钢圈密封件的可靠性，不能保证永久密封及后期的安全性，另外当下井口悬挂套管柱和油管柱发生振动，钢圈部位会受到振动影响发生松动，造成法兰和钢圈槽部位的过度磨损，影响到井口装置的密封功能，对于超深、超高压、超高温井及高含硫油气井的完井、采油、采气作业带来安全风险。

实用新型内容

针对上述现有设备的不足，本实用新型目的在于提了一种带曲面的金属密封结构，保证油气开采作业的永久性安全，防止后期密封泄漏失效事故。

为实现上述目的本实用新型采用如下技术方案：

一种带曲面的金属密封结构，由法兰、四通及设置在法兰和四通之间的钢圈构成；

所述法兰和四通配合端面中心加工有钢圈槽，所述钢圈槽中心离法兰内孔端面20mm～28mm，所述钢圈位于法兰和四通的钢圈槽内，钢圈与法兰和四通接触面为圆弧面，法兰和四通的接触表面留有一定的间隙。

优选的，所述钢圈的横截面为椭圆形，钢圈横截面上沿法兰和四通轴向分布的轴为椭圆长轴，椭圆长轴b＝6mm时，短轴a＝2～3mm；长轴b＝7mm时，短轴a＝2～4mm；长轴b＝8mm时，短轴a＝2～5mm。

优选的，所述法兰和四通的钢圈槽内堆焊有耐蚀合金材料层。

优选的，所述耐蚀合金材料层厚度为3.5-4.5mm。

优选的，所述耐蚀合金材料层硬度为28-32HRC。

优选的，所述钢圈整体喷涂有软金属层。

优选的，所述软金属层厚度为0.2～0.5mm。

优选的，所述软金属层硬度为130-156HBW。

优选的，所述钢圈基体采用耐蚀镍基合金材料制成。

本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型带曲面的金属密封结构，钢圈与法兰和四通接触面为圆弧面，法兰和四通的接触表面留有一定的间隙，圆弧面结构仅需要较小的加载载荷即可实现同样的密封效果，能够承受多种恶劣的环境影响大大提高使用时间，保证套管头整体密封稳定性。

2)与现有钢圈结构相比，所述钢圈在外载荷较小时，现有的线性结构内密封刚好开始接触，而本实用新型的椭圆内密封的接触压力已经超过较大值，并且线性密封接触面的接触压力在两端点较大中间部位较小，不是理想的密封压力分布。

3)钢圈采用复合金属密封，复合金属密封环材料，基体为高强度，表面敷焊一层一定厚度的软金属，通过螺栓螺母拧紧和外部载荷作用激发软金属塑性流动与基体弹性变形实现密封；

4)当载荷较大时时，圆弧形密封结构的内外封面接触压力分布大小明显优越于线性密封结构，是最好的密封压力分布。

5)本实用新型与现有钢圈结构相比，圆弧形密封结构曲面的接触深度和宽度较大，其接触压力分布均匀，足以长期实现密封，可靠性高；可以保护法兰和密封槽结构，且更换方便，可实施性强，易于推广运用。

附图说明

图1为一种带曲面的金属密封结构的结构示意图；

图2为一种带曲面的金属密封结构的I处放大图；

图3为一种带曲面的金属密封结构的两种倒角结构；

图4为一种带曲面的金属密封结构的椭圆型结构演化过程；

图5为一种带曲面的金属密封结构的结构设计；

图6为一种带曲面的金属密封结构的不同结构闭合间隙随载荷的变化关系；

图7为一种带曲面的金属密封结构的密封压力随载荷的变化关系(线性结构)；

图8为一种带曲面的金属密封结构的密封压力随载荷的变化关系(椭圆结构)；

图9为一种带曲面的金属密封结构的不同结构外密封压力随载荷的变化关系；

图中：1-法兰、2-钢圈、3-四通、21-线性接触面钢圈、22-椭圆接触面钢圈。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1～图5所示，本实用新型带曲面的金属密封结构，包括法兰1、钢圈2，四通3；法兰和四通配合端面加工有钢圈槽，所述钢圈槽中心离法兰内孔端面20mm～28mm，所述法兰、钢圈和四通分别位于上部、中部和下部，所述钢圈位于法兰和四通的钢圈槽内；钢圈2与法兰1和四通3接触面为圆弧面，法兰和四通的接触表面留有一定的间隙。

所述钢圈2的横截面为椭圆形，钢圈横截面上沿法兰1和四通3轴向分布的轴为椭圆长轴，椭圆长轴b＝6mm时，短轴a＝2～3mm；长轴b＝7mm时，短轴a＝2～4mm；长轴b＝8mm时，短轴a＝2～5mm。

所述法兰和四通的钢圈槽内圈堆焊一层3.5-4.5mm的耐蚀合金材料；

所述钢圈整体喷涂软金属，厚度约为0.2～0.5mm；

所述钢圈基体使用耐蚀镍基合金材料，钢圈槽堆焊合金硬度为28-32HRC，钢圈表面喷涂软金属硬度为156HBW。

图6所示，将载荷F从0逐渐增加1000t，得到的法兰与四通之间的闭合间隙随加载载荷的变化关系曲线见，随着载荷F的增加，间隙逐渐变小。当载荷到达200吨时，椭圆钢圈结构的法兰与四通接触间隙刚好为零，开始闭合。而线性密封面需要420吨才能实现闭合，表明：椭圆型结构仅需要较小的加载载荷即可实现同样的密封效果。

图7、图8中n5、n4分别为钢圈内、外接触面上的中间位置，从结果曲线中可知，加载载荷的增加，两种密封结构的密封接触压力也随之增加，最后趋于稳定(原因是法兰与四通完全接触)，且线性密封的接触压力最大约为520MPa，椭圆密封结构的接触压力最大约为660MPa。椭圆接触面的接触压力在200吨时就趋于稳定，而线性密封面需要420吨才能稳定，表明：椭圆型结构仅需要较小的加载载荷即可实现同样的密封效果。

图9为线性和椭圆结构n4处的外密封压力随载荷的变化关系，n4为钢圈外接触面上的中间位置节点。从图9分析比较可知，随着加载载荷F的增加，两种密封结构的密封接触压力增加，加载载荷约在50吨左右时，椭圆型密封结构的接触应力迅速达到最大约660MPa，此时线性密封的接触压力才约100MPa。从图9可知，在加载载荷200吨时，椭圆接触面的接触压力趋于稳定的530MPa，而线性密封面需要420吨才能趋于稳定。

图9可知，在加载载荷F在200t以内，椭圆密封接触压力远高于线性密封，分析结果表明：椭圆密封效果远优越于线性密封。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种带曲面的金属密封结构，其特征在于：由法兰(1)、四通(3)及设置在法兰(1)和四通(3)之间的钢圈(2)构成；

所述法兰(1)和四通(3)配合端面中心加工有钢圈槽，所述钢圈槽中心离法兰内孔端面20mm～28mm，所述钢圈(2)位于法兰和四通的钢圈槽内，钢圈(2)与法兰(1)和四通(3)接触面为圆弧面，法兰和四通的接触表面留有一定的间隙。

2.根据权利要求1所述的带曲面的金属密封结构，其特征在于：所述钢圈(2)的横截面为椭圆形，钢圈横截面上沿法兰(1)和四通(3)轴向分布的轴为椭圆长轴，椭圆长轴b＝6mm时，短轴a＝2～3mm；长轴b＝7mm时，短轴a＝2～4mm；长轴b＝8mm时，短轴a＝2～5mm。

3.根据权利要求1所述的带曲面的金属密封结构，其特征在于：所述法兰和四通的钢圈槽内堆焊有耐蚀合金材料层。

4.根据权利要求3所述的带曲面的金属密封结构，其特征在于：所述耐蚀合金材料层厚度为3.5-4.5mm。

5.根据权利要求4所述的带曲面的金属密封结构，其特征在于：所述耐蚀合金材料层硬度为28-32HRC。

6.根据权利要求1所述的带曲面的金属密封结构，其特征在于：所述钢圈(2)整体喷涂有软金属层。

7.根据权利要求6所述的带曲面的金属密封结构，其特征在于：所述软金属层厚度为0.2～0.5mm。

8.根据权利要求7所述的带曲面的金属密封结构，其特征在于：所述软金属层硬度为130-156HBW。

9.根据权利要求1-8任一项所述的带曲面的金属密封结构，其特征在于：所述钢圈(2)基体采用耐蚀镍基合金材料制成。

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