一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件的製作方法

2023-07-18 14:55:26 1

一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件的製作方法
【專利摘要】一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，包括具有第一密封面的第一法蘭，及具有第二密封面的第二法蘭，第一、第二密封面之間設置有密封墊片，第一法蘭、密封墊片和第二法蘭在緊固件的作用下緊密貼合，本申請的法蘭組件中的第一法蘭、第二法蘭及設置於法蘭組件內側的密封墊片的獨特結構，使得密封墊片的密封面被壓緊後能反作用施加給法蘭密封面一種貼緊力，在力學行為上表現為回彈性能的提高，從而取得優良的密封性能，密封系統鬆弛後，密封墊片有足夠的回彈繼續保持與法蘭密封面的緊密貼合，除此之外，本申請的法蘭組件比其他結構更適用於大型結構在高溫高壓及其波動工況下的動態密封，同時能夠作為產品整體銷售，便於市場上大面積的推廣。
【專利說明】-種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件

【技術領域】
[0001] 本申請涉及用於石油煉製與化工、煤化工、化肥工業、及其它各種化工、空調、空 冷、電力設施的承壓設備（例如：鍋爐、壓力容器、換熱器、壓力管道、儲氣瓶等）開口連接的 密封技術，特別涉及一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件。

【背景技術】
[0002] 現有的承壓設備開口連接的密封墊片中，環形平墊是應用最為廣泛的一種，其結 構種類也很多，包括有橡膠墊、石棉墊、金屬平墊、鐵包墊、纏繞墊、波齒石墨複合墊等結構。
[0003] 現有配對法蘭環形平墊密封副技術中典型的結構如圖1所示，每個法蘭一般是由 法蘭盤11、安裝螺栓螺母緊固件的螺栓孔12、頸部13、與承壓殼體對接的端部坡口 14、環形 平墊15和圓環形平面的密封面16組成，環形平墊15上開設有螺栓穿過的螺栓穿過孔。螺 栓穿過上下兩個法蘭的螺栓孔12,螺栓端部上緊螺母，使兩個法蘭的密封面16相互靠近， 壓緊環形墊片15,使法蘭內部壓力p的介質無法從虛線箭頭方向通過環形墊片及其與法蘭 之間的密封面流竄到法蘭外部。
[0004] 該類傳統結構普遍存在的實際問題是，當使配對法蘭內部介質的壓力P、溫度T升 高或波動時，較高的壓力在法蘭的兩端產生實線箭頭所示的拉力F，較高的溫度使螺栓受熱 膨脹伸長，密封系統鬆弛，環形墊片15沒有足夠的回彈繼續保持與法蘭密封面16的緊密貼 合，高溫高壓介質通過密封面流竄到法蘭外部，引發爆炸燃燒事故。由此可見，承壓設備開 口連接的密封技術成為整臺設備的關鍵。
[0005] 從技術層面分析，配對法蘭內部介質洩漏的根本原因是：在密封系統鬆弛後，環形 墊片15沒有足夠的回彈繼續保持與法蘭密封面的緊密貼合，同時配對法蘭的密封面從法 蘭中心孔位置一直延伸至法蘭的外端緣，其中需要跨過螺栓，該密封面從內到外貫穿不便 於法蘭內部的自緊密封。
[0006] 特別是大型裝置大修期間，結構簡單、零件少的法蘭組件能縮短一天檢修時間都 能產生顯著的經濟效益。隨著裝置的大型化、環境保護意識的增強，油品質量的提升需要採 取更高溫高壓下的工藝，裝置中起緩衝和儲備作用的壓力容器減少，反應器和換熱器等核 心設備的操作難度增大，經常直接受到流體介質壓力和溫度的波動衝擊，原有的設備開口 密封結構難以適應新形勢的工藝和管理要求，因此，研發一種能夠應用於高溫高壓及其波 動工況的，且密封可靠性好、結構簡單，適合市場整體推廣銷售的法蘭組件，在工程技術領 域具有極為深遠和重大的意義。


【發明內容】

[0007] 本申請的目的在於避免現有技術中的不足之處而提供一種結構簡單、密封可靠性 好，且能夠成為產品整體出售並具有通用性的能夠應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組 件。
[0008] 本申請的目的通過以下技術方案實現： 提供了一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，包括具有第一密封面的第一法 蘭，以及具有第二密封面的第二法蘭，所述第一密封面和所述第二密封面之間設置有密封 墊片，所述第一法蘭、所述密封墊片和所述第二法蘭在緊固件的作用下緊密貼合，其中：所 述第一法蘭包括自所述第一法蘭的法蘭盤的內表面向外凸出的外凸臺階，所述外凸臺階由 依次相接的第一外凸環面、第一環形平面以及第二外凸環面組成，所述第一外凸環面和所 述第二外凸環面平行設置、且所述第一外凸環面和所述第二外凸環面均與所述第一環形平 面垂直設置；所述第二法蘭包括自所述第二法蘭的法蘭盤的內表面向內凹進的內凹臺階， 所述內凹臺階包括由依次相接的第一內凹環面和第二環形平面組成，所述第一內凹環面和 所述第二環形平面垂直設置；所述外凸臺階的臺階面的寬度小於所述內凹臺階的臺階面的 寬度，所述外凸臺階和所述內凹臺階之間留有間隙；所述第一環形平面為所述第一法蘭的 第一密封面，所述第二環形平面為所述第二法蘭的第二密封面；所述密封墊片包括墊片本 體，所述墊片本體為由環形基體和設置於所述環形基體的外表面的凹槽的填料層組成的呈 碟形斜面密封面的墊片本體，所述環形基體的中心孔的截面形狀為等腰梯形，所述密封墊 片鄰近所述環形基體的中心孔的最高沿抵接於所述第一環形平面的內緣部，所述密封墊片 遠離所述環形基體的中心孔的最高沿抵接於所述第二環形平面的外緣部。
[0009] 其中：所述碟形斜面密封面的形狀包括圓錐形斜面、凸弧形斜面和凹弧形斜面。 [0010] 其中：所述環形基體為由基體單元沿周向旋轉形成的封閉結構，所述基體單元的 形狀為梯形、矩形和三角形中的任一種。
[0011] 其中：所述環形基體為由單層金屬體組成或者為由兩層以上金屬體密封連接組 成，所述兩層以上金屬體間相鄰的兩層金屬體在其一端沿通過焊接密封連接，其另一端沿 呈開口結構。
[0012] 其中：所述環形基體的凹槽為齒條形凹槽、弧線形凹槽、矩形凹槽和波紋線形凹槽 中的任一種凹槽或者任幾種凹槽的組合。
[0013] 其中：所述環形基體的上端沿和下端沿均倒圓角設置。
[0014] 其中：所述填料層為石墨層、橡膠層、塑料層和粘膠層中的任一種填料層或者任幾 種填料層的組合。
[0015] 其中：所述第一內凹環面的高度大於所述第一外凸環面的高度。
[0016] 本申請的有益效果：本申請的法蘭組件中的第一法蘭、第二法蘭及設置於法蘭組 件內側的密封墊片的獨特結構，使得密封墊片的密封面被壓緊後能反作用施加給法蘭密封 面一種貼緊力，在力學行為上表現為回彈性能的提高，從而取得優良的密封性能，密封系統 鬆弛後，密封墊片有足夠的回彈繼續保持與法蘭密封面的緊密貼合，密封可靠性好，除此之 夕卜，本申請的法蘭組件還具有結構簡單、裝卸簡便、有利於密封，比其他結構更適用於大型 結構在高溫高壓及其波動工況下的動態密封，同時能夠作為產品整體銷售，便於市場上大 面積的推廣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 利用附圖對本申請作進一步說明，但附圖中的實施例不構成對本申請的任何限 制，對於本領域的普通技術人員，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據以下附圖獲得 其它的附圖。
[0018] 圖1是現有傳統技術中的配對法蘭的結構示意圖。
[0019] 圖2是本申請的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件的整體對稱剖面 結構示意圖。
[0020] 圖3是本申請的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件中的一種密封墊 片的整體對稱剖面結構示意圖。
[0021] 圖4是本申請的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件中的一種密封墊 片開始被法蘭密封面壓緊的局部結構示意圖。
[0022] 圖5是本申請的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件中的一種密封墊 片被法蘭密封面壓平後的局部結構示意圖。
[0023] 圖6是本申請的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件中的一種密封墊 片的其一局部結構示意圖。
[0024] 圖7是本申請的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件中的一種密封墊 片的其一局部結構示意圖。
[0025] 圖8是本申請的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件中的一種密封墊 片的其一局部結構示意圖。
[0026] 圖9是本申請的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件中的一種密封墊 片的其一局部結構示意圖。
[0027] 在圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8和圖9中包括有： 11-法蘭盤、12--螺栓孔、13--頸部、14--端部坡口、15--環形平墊、16-- 圓環形平面的密封面； 110--第一法蘭、111--第一外凸環面、112--第一環形平面、113-第二外凸環 面、 120--第二法蘭、121--第一內凹環面、122--第二環形平面、 200--密封墊片、2--墊片本體、21--環形基體、211--金屬體、22--凹槽、 3--填料層、4--密封焊縫、5--碟形斜面密封面、 P--承壓設備內介質的壓力，F--壓力介質作用在法蘭端部的力，Q--法蘭密封面 施加給密封墊片的力，Μ--密封墊片恢復原形的彈性扭矩，r--圓滑過渡的轉角半徑。

【具體實施方式】
[0028] 結合以下實施例對本申請作進一步詳細描述。需要說明的是圖4、圖5、圖6、圖7、 圖8和圖9中的雙點劃線代表法蘭密封面。所述第一密封面和所述第二密封面中密封面 是指與密封墊片200接觸的面，本申請是對於法蘭密封面以及設置於法蘭內側的密封墊片 200的改進。
[0029] 本申請的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件的【具體實施方式】，參見圖 2和圖3所示，包括具有第一密封面的第一法蘭110,以及具有第二密封面的第二法蘭120， 所述第一密封面和所述第二密封面之間設置有密封墊片200,所述第一法蘭110、所述密封 墊片200和所述第二法蘭120在緊固件的作用下緊密貼合，本申請的改進之處在於：所述第 一法蘭110包括自所述第一法蘭110的法蘭盤的內表面向外凸出的外凸臺階，所述外凸臺 階由依次相接的第一外凸環面111、第一環形平面112以及第二外凸環面113組成，所述第 一外凸環面111和所述第二外凸環面113平行設置、且所述第一外凸環面111和所述第二 外凸環面113均與所述第一環形平面112垂直設置；所述第二法蘭120包括自所述第二法 蘭120的法蘭盤的內表面向內凹進的內凹臺階，所述內凹臺階包括由依次相接的第一內凹 環面121和第二環形平面122組成，所述第一內凹環面121和所述第二環形平面122垂直 設置；所述外凸臺階的臺階面的寬度小於所述內凹臺階的臺階面的寬度，所述外凸臺階和 所述內凹臺階之間留有間隙；所述第一環形平面112為所述第一法蘭110的第一密封面，所 述第二環形平面122為所述第二法蘭120的第二密封面；其中：所述第一內凹環面121的高 度大於所述第一外凸環面111的高度。
[0030] 所述密封墊片200包括墊片本體，所述墊片本體為由環形基體和設置於所述環形 基體的外表面的凹槽的填料層組成的呈碟形斜面密封面的墊片本體，所述環形基體的中心 孔的截面形狀為等腰梯形，所述密封墊片200鄰近所述環形基體的中心孔的最高沿抵接於 所述第一環形平面112的內緣部，所述密封墊片200遠離所述環形基體的中心孔的最高沿 抵接於所述第二環形平面122的外緣部。
[0031] 圖3中心線的左側是法蘭密封面剛接觸密封墊片200時的示意圖，其局部結構參 考圖4,圖3中心線的右側是法蘭密封面壓緊密封墊片200成為平墊後的示意圖，其局部結 構參考圖5。如圖4和圖5所示，當法蘭密封面與密封墊片200接觸後，進一步的配合將施 加給密封墊片200 -個力對Q，這兩個壓力方向相反且不同軸線，在墊片內轉為扭轉力，使 密封墊片200產生扭轉變形，形成扭矩作用M，直到密封墊片200與法蘭密封面緊密貼合。 當密封系統鬆弛後，密封墊片200具有的反扭變形、恢復原形的趨勢，要恢復原來的呈碟形 斜面的結構，從而表現出更高的回彈性，繼續保持與法蘭密封面的緊密貼合，始終形成有效 的密封。圖1所示現有傳統技術中的對焊法蘭密封副中的環形墊片15是呈平面的密封面。 這種傳統的平面密封墊在密封系統鬆弛後，只有墊片材料本身的回彈性能，彈性有限，而本 申請的呈碟形斜面密封面5的結構除了具有墊片材料本身的回彈性能外，還具有被扭轉成 平墊的結構要恢復原形的結構回彈性能，且結構回彈性要大於材料回彈性，從而取得更加 優良的密封性能。該密封墊片200具有結構簡單、裝卸簡便，比其他結構更適用於大型結構 在高溫高壓及其波動工況下的動態密封。
[0032] 本申請的法蘭組件中的第一法蘭110、第二法蘭120及設置於法蘭組件內側的密 封墊片200的獨特結構，使得在第一法蘭110的第一密封面和第二法蘭120的第二密封面 的作用下，密封墊片200的密封面被壓緊後能反作用施加給法蘭密封面一種貼緊力，在力 學行為上表現為回彈性能的提高，從而取得優良的密封性能，密封系統鬆弛後，密封墊片有 足夠的回彈繼續保持與法蘭密封面的緊密貼合，密封可靠性好，除此之外，本申請的法蘭組 件還具有結構簡單、裝卸簡便、有利於密封，比其他結構更適用於大型結構在高溫高壓及其 波動工況下的動態密封，同時能夠作為產品整體銷售，便於市場上大面積的推廣。
[0033] 具體的：所述碟形斜面密封面的形狀包括圓錐形斜面、凸弧形斜面和凹弧形斜面。 只要密封墊片200的密封面是碟形斜面的，而其本體結構形狀則是多種多樣的，關鍵是這 些密封面能受壓扭轉變形。在同一碟形斜面的傾角下，密封墊片200越高，其被壓平後的扭 轉變形就越大，進而反作用於法蘭密封面的貼緊力也越大，但是也有限度，密封墊片200受 扭產生的應力不能超出墊片材料的許可應力，以免密封屈服後產生塑性變形，無法回彈。 [0034] 具體的：所述環形基體為由基體單元沿周向旋轉形成的封閉結構，所述基體單元 的形狀為梯形、矩形和三角形中的任一種。優選，梯形中的直角梯形、矩形中的正方形以及 三角形中的直角三角形，其結構更有利於密封墊片200的回彈，通過結構的回彈性要大於 材料本身的回彈性。
[0035] 具體的：所述環形基體為由單層金屬體組成或者為由兩層以上金屬體密封連接組 成，所述兩層以上金屬體間相鄰的兩層金屬體在其一端沿通過焊接密封連接，其另一端沿 呈開口結構。參見圖6所述的環形基體21，其由兩層金屬體211組成，兩層金屬體211之 間通過外緣的密封焊縫4相連，兩層金屬體211之間的內緣沒有密封焊縫4,而是開口的結 構，密封焊縫4應焊透，經過滲透檢測合格，沒有氣孔和裂紋等影響密封性的缺陷；或者，如 果兩層金屬體211之間通過內緣的密封焊縫4相連，則兩層金屬體211之間的外緣就無需 再密封焊縫4,而應該是開口的結構。參見圖7所述的環形基體21，其由三層金屬體211組 成，第一層和第二層之間通過外緣的密封焊縫4相連，而第一層和第二層之間的內緣沒有 密封焊縫4,而是開口的結構，第二層和第三層之間則通過內緣的密封焊縫相連，而第二層 和第三層之間的外緣沒有密封焊縫，而是開口的結構。上述兩層以上金屬體211間各層金 屬體211的厚度相同設置或者不相同設置。
[0036] 具體的：所述環形基體的凹槽為齒條形凹槽、弧線形凹槽、矩形凹槽和波紋線形凹 槽中的任一種凹槽或者任幾種凹槽的組合。參考圖8所示，環形基體21的外表面設置有矩 形凹槽22,在環形基體21的內外斜面上塗抹上一層填料，視填料的具體成分，還需壓緊填 料，使其完全填滿環形基體21表面的凹槽22內，並儘量消除裡面的空隙。參考圖9所示， 環形基體21的外表面設置有環形弧線凹槽22,環形弧線凹槽22內填充填料層3,密封面上 分布有一圈圈的紋路線，機加工密封面中通俗稱為水線，在這些紋路上塗抹填料，可增大兩 者的貼合面，提高貼緊度。
[0037] 具體的：參考圖3所示的圓角半徑r，在所述環形基體的上端沿和下端沿均倒圓角 設置。倒圓角的結構使本密封墊片200在被法蘭密封面壓緊的過程中容易滑動，有利於變 形和回彈，進一步提升其結構本身的回彈性。
[0038] 本申請的密封墊片200應用於法蘭裡邊，其中一側將要與介質接觸，解決的是大 型結構在高溫高壓及其波動工況下的動態密封問題，不同於現有技術中只用在法蘭外表面 的法蘭盤上、與大氣接觸，需要穿進螺栓中、由螺母把它壓緊到法蘭盤上，去解決螺栓伸長 後的密封鬆弛問題。
[0039] 最後應當說明的是，以上實施例僅用以說明本申請的技術方案，而非對本申請保 護範圍的限制，儘管參照較佳實施例對本申請作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應 當理解，可以對本申請的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本申請技術方案的實 質和範圍。
【權利要求】
1. 一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，包括具有第一密封面的第一法蘭， 以及具有第二密封面的第二法蘭，所述第一密封面和所述第二密封面之間設置有密封墊 片，所述第一法蘭、所述密封墊片和所述第二法蘭在緊固件的作用下緊密貼合，其特徵在 於：所述第一法蘭包括自所述第一法蘭的法蘭盤的內表面向外凸出的外凸臺階，所述外凸 臺階由依次相接的第一外凸環面、第一環形平面以及第二外凸環面組成，所述第一外凸環 面和所述第二外凸環面平行設置、且所述第一外凸環面和所述第二外凸環面均與所述第一 環形平面垂直設置；所述第二法蘭包括自所述第二法蘭的法蘭盤的內表面向內凹進的內凹 臺階，所述內凹臺階包括由依次相接的第一內凹環面和第二環形平面組成，所述第一內凹 環面和所述第二環形平面垂直設置；所述外凸臺階的臺階面的寬度小於所述內凹臺階的臺 階面的寬度，所述外凸臺階和所述內凹臺階之間留有間隙；所述第一環形平面為所述第一 法蘭的第一密封面，所述第二環形平面為所述第二法蘭的第二密封面；所述密封墊片包括 墊片本體，所述墊片本體為由環形基體和設置於所述環形基體的外表面的凹槽的填料層組 成的呈碟形斜面密封面的墊片本體，所述環形基體的中心孔的截面形狀為等腰梯形，所述 密封墊片鄰近所述環形基體的中心孔的最高沿抵接於所述第一環形平面的內緣部，所述密 封墊片遠離所述環形基體的中心孔的最高沿抵接於所述第二環形平面的外緣部。
2. 根據權利要求1所述的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，其特徵在 於：所述碟形斜面密封面的形狀包括圓錐形斜面、凸弧形斜面和凹弧形斜面。
3. 根據權利要求1所述的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，其特徵在 於：所述環形基體為由基體單元沿周向旋轉形成的封閉結構，所述基體單元的形狀為梯形、 矩形和三角形中的任一種。
4. 根據權利要求1所述的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，其特徵在 於：所述環形基體為由單層金屬體組成或者為由兩層以上金屬體密封連接組成，所述兩層 以上金屬體間相鄰的兩層金屬體在其一端沿通過焊接密封連接，其另一端沿呈開口結構。
5. 根據權利要求1所述的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，其特徵在 於：所述環形基體的凹槽為齒條形凹槽、弧線形凹槽、矩形凹槽和波紋線形凹槽中的任一種 凹槽或者任幾種凹槽的組合。
6. 根據權利要求1所述的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，其特徵在 於：所述環形基體的上端沿和下端沿均倒圓角設置。
7. 根據權利要求1所述的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，其特徵在 於：所述填料層為石墨層、橡膠層、塑料層和粘膠層中的任一種填料層或者任幾種填料層的 組合。
8. 根據權利要求1所述的一種應用於高溫高壓及其波動工況的法蘭組件，其特徵在 於：所述第一內凹環面的高度大於所述第一外凸環面的高度。
【文檔編號】F16L23/16GK104089119SQ201410380905
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年8月5日 優先權日:2014年8月5日
【發明者】陳孫藝, 章蘭珠 申請人:茂名重力石化機械製造有限公司