CN216046099U - 一种活动弯头连接机构的高压密封圈 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种活动弯头连接机构的高压密封圈，包括密封件，该密封件装配到活动弯头的各个接头端面处，活动弯头包含相互连接的一号直接头和一号弯头，相互连接的二号直接头和二号弯头，以及两个弯头的注油嘴，所述一号直接头的一端装配有翼型螺母，且翼型螺母与一号直接头之间设置有连接套，所述密封件包含密封壳体、螺旋弹簧以及支撑件，所述螺旋弹簧设置到密封壳体内，所述支撑件设置到密封壳体的端头处，所述一号直接头与一号弯头之间形成的区域设为沟槽；其技术要点为，本实用新型的密封件从材料及密封结构方面进行有效设计，彻底解决了传统的由壬密封圈无法满足现有工况要求的局面，起到了良好的社会经济效益。

Description

一种活动弯头连接机构的高压密封圈

技术领域

本实用新型属于管道连接件及其密封件技术领域，具体是一种活动弯头连接机构的高压密封圈。

背景技术

高压活动弯头常用于石油及天然气钻采工业的高压排出管线、输入管线、临时液流管线、试井管线，以及其他的高压工况下输送液流的酸性作业环境；工作压力在42MPa至105MPa之间，具体参照图1可以看出，高压活动弯头由翼形螺母连接，具有快速上紧，下卸和耐压密封的特点；

活动弯头具有灵活、抗冲击、抗震动、流量大等特点，具有快速上紧，下泄和耐压密封的特点；具体参照图2可以看出，活动弯头通过各种不同的组合，形成不同功能用途的管路组合，各接头端面处的密封一般采用由壬密封圈；

传统的由壬密封圈的缺点为：

一是温度受限，在石油及天然气钻采时，密封材料能满足-46～+180℃的温度范围，而普通的丁腈橡胶一般耐温为-35～+100℃，氢化丁腈橡胶的耐温范围为：-30～+150摄氏度；

二是压力受限：橡胶材料在高温高压时，抗挤出能力显著下降，所以，传统的由壬密封会复合一个铜片来增强橡胶弹性体的抗挤出能力，但极限状态下，只能承受最高105MPa(15000PSI)的压力；在钻采过程中，压力从0～最高压会发生交互变化，在这种交互压力的变化下，橡胶抗疲劳性能大大衰减，密封件的寿命无法满足采油所需要的期望寿命；同时，这种交互压力的变化很容易使橡胶弹性体发生气爆，大大的缩短了密封件的使用寿命。

三是运动受限：活动弯头在安装时发生旋转运动，在工作过程中，会产生微小的频繁的旋转运动，紧配合的橡胶在同刚性件做相对运动时，如果刚性对偶件的加工光洁度达不到要求时，会很快的使橡胶弹性体磨损，并产生内生热，加速了密封效果的失效。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种活动弯头连接机构的高压密封圈，解决现有背景技术中提到的的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种活动弯头连接机构的高压密封圈，包括密封件，该密封件装配到活动弯头的各个接头端面处，活动弯头包含相互连接的一号直接头和一号弯头，相互连接的二号直接头和二号弯头，以及两个弯头的注油嘴，所述一号直接头的一端装配有翼型螺母，且翼型螺母与一号直接头之间设置有连接套，

所述密封件包含密封壳体、螺旋弹簧以及支撑件，所述螺旋弹簧设置到密封壳体内，所述支撑件设置到密封壳体的端头处，

所述一号直接头与一号弯头之间形成的区域设为沟槽，所述密封件通过两侧表面与沟槽的两个侧面接触，并形成的接触应力。

进一步的，所述密封壳体为截面呈“U”形的壳体结构，且密封壳体采用碳纤维填充特种聚四氟乙烯材料。

进一步的，所述螺旋弹簧为双层片式结构，且螺旋弹簧采用钴-铬-镍合金材料。

进一步的，所述螺旋弹簧设置到密封壳体内壁之间形成的区域内，且螺旋弹簧的两端均与密封壳体的内壁焊接。

进一步的，所述支撑件为截面呈“V”形的支撑环体结构，且支撑件采用聚醚醚酮材料，并与一号直接头内壁的顶端紧贴。

进一步的，所述支撑件与沟槽之间过盈配合，且沟槽内壁与支撑件外径之间建立初始压力，用于阻隔介质流动。

(三)有益效果

本实用新型的密封件从材料及密封结构方面进行有效设计，彻底解决了传统的由壬密封圈无法满足现有工况要求的局面，起到了良好的社会经济效益；

当管路系统建立起压力后，系统压力会在密封壳体内壁施加一定的系统压力，使密封壳体进一步张开，贴紧沟槽内壁的同时，通过密封壳体的压力传导，支承间也往沟槽底进一步的紧贴，使得密封效果得到进一步加强；随着管路系统压力的增大，各处的压应力得到进一步的提升，密封效果更佳。

附图说明

图1是现有技术中活动弯头的正剖图；

图2是现有技术中由壬密封圈截面示意图；

图3是现有技术中由壬密封圈安装沟槽及密封原理示意图；

A：表面未锁紧状态；B：表示锁紧状态；

图4是本实用新型的密封件结构示意图；

图5是本实用新型中未锁紧状态沟槽及密封件尺寸示意图；

图6是本实用新型中未锁紧状态密封件应力图；

图7是本实用新型中锁紧状态无压力时应力图；

图8是本实用新型中锁紧状态有压力时应力图。

附图标记：1、翼型螺母；2、一号直接头；3、二号直接头；4、一号弯头；5、二号弯头；6、注油嘴；7、连接套；8、由壬密封圈；801、弹性体；802、支撑环；9、密封件；901、密封壳体；902、螺旋弹簧；903、支撑件。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，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。此外，下文为了描述方便，所引用的“上”、“下”、“左”、“右”等于附图本身的上、下、左、右等方向一致，下文中的“第一”、“第二”等为描述上加以区分，并没有其他特殊含义。

对比例：

具体参照图2可以看出，由壬密封圈8由一个梯形的橡胶材质的弹性体801作为主要的密封元件，在弹性体801上复合一个支撑环802，该支撑环802为铜片结构，用来防止密封圈在承受高压时出现挤出的情况；

上述由壬密封圈8的密封原理为：

由壬密封圈8的外径设计一般会比一号直接头2的沟槽内壁稍大，通过过盈配合，起到一定的密封作用，在管路(该处的管路及下述的管路系统均为图1中形成的U形内腔通路)无压力时，当一号直接头2和一号弯头4锁紧时(如图3中B的锁紧状态)，一号直接头2和一号弯头4的端面与密封件形成挤压应力，由此起到密封作用,当压力进一步升高时，提供由壬密封圈8内壁传导各处的压应力会进一步增加，该橡胶材质的由壬密封圈8则容易发生气爆的情况。

实施例1

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种活动弯头连接机构的高压密封圈，包括密封件9，该密封件9装配到活动弯头的各个接头端面处，活动弯头包含相互连接的一号直接头2和一号弯头4，相互连接的二号直接头3和二号弯头5，以及两个弯头的注油嘴6，一号直接头2的一端装配有翼型螺母1，且翼型螺母1与一号直接头2之间设置有连接套7，

密封件9包含密封壳体901、螺旋弹簧902以及支撑件903，螺旋弹簧902设置到密封壳体901内，支撑件903设置到密封壳体901的端头处，

一号直接头2与一号弯头4之间形成的区域设为沟槽，密封件9通过两侧表面与沟槽的两个侧面接触，并形成的接触应力。

其中，密封壳体901为截面呈“U”形的壳体结构，且密封壳体901采用碳纤维填充特种聚四氟乙烯材料；螺旋弹簧902为双层片式结构，且螺旋弹簧902采用钴-铬-镍合金材料；螺旋弹簧902设置到密封壳体901内壁之间形成的区域内，且螺旋弹簧902的两端均与密封壳体901的内壁焊接；支撑件903为截面呈“V”形的支撑环体结构，且支撑件903采用聚醚醚酮材料，并与一号直接头2内壁的顶端紧贴；支撑件903与沟槽之间过盈配合，且沟槽内壁与支撑件903外径之间建立初始压力，用于阻隔介质流动。

该密封件9为GDS型超高压密封件，其各零件及材料的具体选择如下：

密封件9包含U型的密封壳体901、双层片式的螺旋弹簧902以及V型的支撑件903；

密封壳体901采用碳纤维填充特种聚四氟乙烯材料，该特种聚四氟乙烯材料具有极好的耐介质腐蚀、超强的抗蠕变、低摩擦、极好的耐磨、极宽广的耐温(-200℃～+260℃)等优异的性能，通过采用碳纤维的填充，使得该材料的机械强度，抗压能力及耐磨性都能得到了极大的提高；

螺旋弹簧902采用由埃尔吉洛伊合金材料，该钴-铬-镍合金可提供高强度、塑性和良好的机械性能，并具有时效硬化性；该合金也在许多环境中具有优异的疲劳寿命、耐腐蚀性和非磁性；适用于需要很高的抗腐蚀、耐氧化及/或在温度高达380℃时的场合；

支撑件903采用PEEK(聚醚醚酮)材料，PEEK具有机械强度高、耐高温、耐冲击、阻燃、耐酸碱、耐水解、耐磨、耐疲劳、耐辐照及良好的电性能；其负载热变形温度高达316℃，瞬时使用温度可达300℃；聚醚醚酮PEEK具有的刚性和柔性，特别是对交变应力下的抗疲劳性非常突出，可与合金材料相媲美；

同时，聚醚醚酮PEEK具有优良的滑动特性，适合于严格要求低摩擦系数和耐磨耗的场合；PEEK不溶于任何溶剂和强酸、强碱，而且耐水解，具有很高的化学稳定性。

本实施例与对比例1相比：

石油及天然气钻采时，活动弯头的密封一直需要改进，传统密封一直采用由壬密封圈8，由于橡胶材料本身的物理性能的局限，无法满足石油钻采输送时的各种工况，导致经常出现密封失效等故障；

由于当今的钻采作业(如深地表层的天然气压裂)对设备及连接管路提出了更高的要求，如压力要求达到30000PSI(210MPa)，温度要求-46～+180℃，原有的由壬密封圈8已无法满足现有钻采要求，迫切需要一种新型的密封件来替代原有方案；

本实用新型的密封件9从材料及密封结构方面进行了全新的设计，彻底解决了传统的由壬密封圈8无法满足现有工况要求的局面，起到了良好的社会经济效益。

实施例2

一种活动弯头连接机构的高压密封圈，该高压密封圈的使用方法为：S1、将密封件9设置到一号直接头2与一号弯头4之间形成的沟槽内；

S2、当一号直接头2和一号弯头4锁紧时，一号直接头2和一号弯头4的端面与密封件9形成挤压应力；

S3、通过密封壳体901的压力传导，支撑件903与沟槽内壁进一步紧贴。

上述GDS型超高压密封件密封原理为：

GDS壳体具有一定的柔软性及合理的刚性，作为主密封件，通过左右两侧表面同沟槽的两个侧面接触，形成接触应力而起到密封效果，螺旋弹簧902提供初始的弹力，双层的螺旋弹簧902施加更加稳定和更大的弹簧力，使密封壳体901两侧能够紧密地同沟槽两侧接触，形成强大的压应力，使密封效果加强，PEEK作为支承件903，防止密封件9挤进间隙；

支撑件903的外径设计一般会比一号直接头2的沟槽内壁稍微大一些，从图5(未锁紧状态的沟槽及密封件尺寸示意图)可以看出，通过过盈配合，沟槽内壁与支撑件903外径建立起初始压力(具体参照图6可以看出)，如其他地方可以阻隔介质流动，该接触处可以起到一定的密封作用；

当一号直接头2和一号弯头4锁紧时(如图7的锁紧状态)，一号直接头2和一号弯头4端面与密封件形成挤压应力，由此起到密封作用；

当管路系统建立起压力后，系统压力会在密封壳体901内壁施加一定的系统压力，使密封壳体901进一步张开，贴紧沟槽内壁的同时，通过密封壳体901的压力传导，支撑件903也往槽底进一步紧贴，密封效果进一步加强(参照图8可以看出)；

随着管路系统压力的增大，各处的压应力得到进一步的提升，密封效果更加卓越，归因于实施例1中各个材料的特性，该密封组合最大耐压可达30000PSI(210MPa)以上。

综上所述，

通过以上分析我们可以清楚地看到，GDS密封件9能承受更高的压力(通过台架测试，该密封件在30000PSI的工况下，可以长期运行)，同时选用的三种材料具有很好的耐腐蚀性性能，能耐钻采过程中的各种介质(如高浓度的H2S气体，甲烷，CO2)并可以在-100℃～+200℃的工况条件下长期运行，超过了目前采油及压裂的最高要求。

另外的，除石油高压活动弯头的端面旋转密封外，在其他行业的超高压(如等静压机，压力超过200MPa)环境中，本密封件9的使用效果也极佳。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种活动弯头连接机构的高压密封圈，包括密封件(9)，该密封件(9)装配到活动弯头的各个接头端面处，活动弯头包含相互连接的一号直接头(2)和一号弯头(4)，相互连接的二号直接头(3)和二号弯头(5)，以及两个弯头的注油嘴(6)，所述一号直接头(2)的一端装配有翼型螺母(1)，且翼型螺母(1)与一号直接头(2)之间设置有连接套(7)，其特征在于：

所述密封件(9)包含密封壳体(901)、螺旋弹簧(902)以及支撑件(903)，所述螺旋弹簧(902)设置到密封壳体(901)内，所述支撑件(903)设置到密封壳体(901)的端头处，

所述一号直接头(2)与一号弯头(4)之间形成的区域设为沟槽，所述密封件(9)通过两侧表面与沟槽的两个侧面接触，并形成的接触应力。

2.如权利要求1所述的一种活动弯头连接机构的高压密封圈，其特征在于：所述密封壳体(901)为截面呈“U”形的壳体结构，且密封壳体(901)采用碳纤维填充特种聚四氟乙烯材料。

3.如权利要求1所述的一种活动弯头连接机构的高压密封圈，其特征在于：所述螺旋弹簧(902)为双层片式结构，且螺旋弹簧(902)采用钴-铬-镍合金材料。

4.如权利要求1所述的一种活动弯头连接机构的高压密封圈，其特征在于：所述螺旋弹簧(902)设置到密封壳体(901)内壁之间形成的区域内，且螺旋弹簧(902)的两端均与密封壳体(901)的内壁焊接。

5.如权利要求1所述的一种活动弯头连接机构的高压密封圈，其特征在于：所述支撑件(903)为截面呈“V”形的支撑环体结构，且支撑件(903)采用聚醚醚酮材料，并与一号直接头(2)内壁的顶端紧贴。

6.如权利要求1所述的一种活动弯头连接机构的高压密封圈，其特征在于：所述支撑件(903)与沟槽之间过盈配合，且沟槽内壁与支撑件(903)外径之间建立初始压力，用于阻隔介质流动。

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