有縛自激密封環、墊及結構的製作方法

2024-01-31 16:23:15

專利名稱：有縛自激密封環、墊及結構的製作方法
技術領域：
本發明屬受壓介質的密封技術領域，涉及軸向密封結構，即涉及端面的對接密封結構，不涉及徑向密封結構，即不涉及柱面的配合密封結構，特別涉及法蘭和缸蓋等的自激密封環、自激密封墊及自激密封結構。
背景技術：
受壓介質的密封，按密封面的法線方向，分為軸向密封和徑向密封。軸向密封，靠密封環的扁平端面實施密封，可叫平面或端面密封，用於實現壓力管道或容器的端面對接密封；徑向密封，靠密封環的柱形表面實施密封，可叫柱面密封，用於實現孔/杆或缸/塞的柱面配合密封。廣泛使用的法蘭密封墊和缸蓋密封墊就是最典型的端面密封元件，其扁平密封面是預製的，其工作密封應力是靠安裝預緊力提供的，不是靠所密封的介質壓力自激提供的；不同的密封墊材和不同的應用，要求不同的密封結構和不同的安裝預緊力，致其密封設計和安裝十分繁瑣。廣泛使用的0形橡膠密封圈，既可用作平面密封元件，也可用作柱面密封元件，但其扁平密封面和柱形密封面是靠安裝或介質的壓力變形產生的而不是預製的，其工作密封應力是靠所密封的介質壓力自激提供的，不是靠安裝預緊力提供的；其安裝壓縮量、縛腔填滿係數和擠出間隙等隨溫度而變，不僅致其應用範圍有限，而且致其縛槽設計也不簡單。密封，是填平補齊對接面的凸凹不平，因此，材料越軟，實現密封越易。墊的端面自密封是將其柱面上的介質壓力全數轉換為正交端面上的密封應力，因此，用墊實現端面自密封，是使固體軟材質按液體正交傳遞壓力，顯然需要同時創新理論和結構。根據何曼君等的《高分子物理》和王金(音譯)等的美國國家實驗室報告《在高分子薄膜表面進行真正液性觀察》記載，常用固體高分子密封材料，如聚四氟乙烯和橡膠， 其分子鏈段的熱運動似管中流體紊動，其整個分子鏈似流體輸送管，既有固性又有液性。此前，無他人關注有液性的固體材料的密封應用，更無他人研究用軟材質普遍實現自密封。本發明在於創新提出並應用如下「材料的自密封機理及其應用要領」，成功用軟材質普遍實現自密封a材料的自密封機理密封墊的自密封是將其柱面上的介質壓力全數轉換為正交端面上的密封應力，或者說，是需要墊能夠正交傳遞壓力；根據泊松變形，受壓的密封料環的正交變形/應變/應力(響應)，是由泊松比值大小決定的，而密封用材料的泊松比值皆大於O和小於0. 5 ；因此，一切固體軟料環，都可通過一個叫材質液性補償角的楔角，將其受壓時的正交變形響應，補償到具有泊松比值等於0. 5的受壓液體一樣的正交變形響應或達到等同液體的壓力傳遞程度而用作自密封環。對於有液性的密封料環，只有其徑向和軸向邊界接觸同時無間隙時，才能及時靠其液性正交傳遞壓力或實現自密封；然而，環的製造誤差和材料的熱脹冷縮係數差，往往會致環邊界接觸有間隙；因此，密封料環還需要一個邊界接觸補償楔角，及時抵消其受壓時由間隙所致的與泊松比值成正比的正交變形，始終維持其密封接觸。所以，對一切固體軟材料，無論其有無液性，其自密封甚至非自密封設計，都在於楔角設計，以有效利用料的固性楔動(一種不同於剛性楔的楔動)和液性流動，而楔角越大、尖角越寬敞或越圓滑，越有利其固性楔動的變形補償和液性流動的壓力傳輸，但楔角不能大到熱脹冷縮致其脫離同補償角度面的接觸。b密封料環的正交變形與正交壓力傳遞密封料環在受到介質壓力變形時，其泊松變形(應變)比μ = ￡h/￡。高度應變/周長應變= (Ah/h)/(2Ji Ar/2Jir)周長應變=半徑應變= (rAh)/(hAr)[AhMr=PhAJ因此，如果將垂直加載方向(垂直環徑的環高)的泊松變形/應變/應力，叫正交變形/應變/應力，則密封料環在受到介質壓力變形時，其正交變形(環高變形)Ah= (yh/r) Ar = (tg θ ) Ar(a)其中，μ是密封材料的泊松比，ε。是密封料環變形時的周長應變(縱向應變或半徑應變)，ε h是密封料環變形時的高度應變(橫向應變或正交應變)，r是密封料環的內半徑，h是密封料環的高度，是密封料環的半徑變形，Ah是密封料環的正交變形，tg θ是密封料環的正交變形率。由此可知，密封材料的泊松比值越小，受壓密封料環的正交變形或應力響應越小，正交壓力傳遞性或自密封性自然越差。c密封料環的材質液性補償(正交變形的補償)材料軟，意味著易受壓變形或流動；因此，像液體一樣軟而不可壓縮的材料，可在壓力作用下及時各向相同流動或相同傳遞壓力。材料的泊松比值，一般為大於O小於0. 5， 是材料的不可壓縮性或液性指數，泊松比μ =0.5的材料完全不可壓縮，泊松比μ = 0的材料完全可壓縮。因此，一切易受壓變形的固體材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、橡膠和柔性石墨，都需要一個如圖2所示的材質液性補償角Q1，使其擁有泊松比μ =0.5時的正交變形響應或不可壓縮響應，才能完全具有液體般的正交壓力傳遞特性，滿足自激密封工作要求， 或者說，使其由大空間楔入足夠小的空間，增加其正交變形或應力響應，達到液體般的正交壓力傳遞效果。d密封料環的邊界接觸補償(正交變形的抵消)初始密封接觸，是一種在大氣溫度壓力下所實現的密封接觸，對軟材料，一般用手指頭擰緊便可實現。如圖2所示，密封料環(02)與其縛腔(Φ(12')的徑向間隙(C)，在介質壓力下，將發生環周增和環高減的泊松變形，致環脫離初始密封接觸。實際上，對於有液性的密封料環，只有其徑向和軸向接觸同時無間隙時，才能及時依託其不可壓縮性正交傳遞壓力或實現自激密封。然而，環的製造誤差和材料的熱脹冷縮係數差，往往會致環邊界接觸有間隙，因此，對軟而不可壓縮(有液性)的密封料環還需要一個邊界接觸補償角Θ。，及時抵消間隙所致的與泊松比值成正比的受壓正交變形，始終維持其軸向的初始密封接觸。e密封料環的基本泊松補償角根據前述討論，材質液性補償，是旨在補償其徑向邊界接觸無隙時由泊松比值不足0. 5所致的密封料環的正交變形的不足；邊界接觸補償，是旨在抵消其徑向邊界接觸有間隙時由間隙所致的密封料環與泊松比值成正比的正交變形。因此，如果液性補償和接觸補償分別按泊松比值為0和0. 5充分補償，則按正交變形公式(a)，任何密封材料，因其泊松比值皆大於0和小於0. 5，便都有彼此相等的一個充分液性補償角θ工和一個充分接觸補償角θ。，並可統稱為基本泊松補償角θ…tg6e= (uh)/r = h/d(b)其中h是密封料環高度，d = 2r是密封料環內徑，μ = 0.5是達到充分補償的泊松比值。f泊松補償角θ n的取值考慮如圖2所示，泊松補償角911(01或θ。)越大，密封料環在沿徑向受壓變形時，其正交變形或應力響應越大，即其自激密封性越好；但是，當補償角決定的高度隨半徑的變化率大於由環和縛腔的材料溫度係數差所致的高度隨半徑的變化率(h/r)時，在熱脹冷縮中， 泊松補償角將緻密封料環脫離密封接觸。因此，按公式(b)， 在密封設計不能避免密封料環因熱脹冷縮而脫離初始密封接觸時， 對於材質接近有液性的密封料環，其泊松補償角θ工可取(2tR9^ = )h/r > tg θ > h/d(U丄主要補償環的邊界接觸性，附帶補償材質的液性， 對於材質接近無液性的密封料環，其泊松補償角θ 2可取Iim tg θ 2 = Iim tg2 θ e = h/r( = 2tg θ J ,同時補償材質的液性和環的邊界接觸性； 在密封設計能避免密封料環因熱脹冷縮而脫離初始密封接觸時， 無論密封料質液性好與壞或泊松比值大與小，其泊松補償角θ 3可取tg θ 3 > h/r ( = 2tR θ J 0g軟金屬襯環比硬蛋殼還蛋殼，更能抗外壓而不抗內壓蛋殼能承受相當的外部壓力，但卻不能承受弱雛的出殼掙扎力。管道所能承受的極限內部壓力Pi = hs/d，是由直徑壁厚關內徑(d)比和材料的極限抗拉強度⑶ 決定的；管道所能承受的極限外部壓力P。= MS/D，是由直徑壁厚Qa)/外徑(D)比和材料的極限抗拉強度( 決定的；管道外部的均勻壓力致管道直徑縮小而致壁厚均勻增加， 管道內部的均勻壓力致管道直徑擴大而致壁厚均勻減小；因此，軟金屬料管的耐外壓能力遠大於其耐內壓的能力，並且幾乎無壓破管的外部均勻壓力極限。所以，軟金屬襯環比硬蛋殼還蛋殼，更能抗外壓而不抗內壓，乃至極薄的軟金屬襯環能有效抵抗軟質密封料環的自由收縮和束縛，而又不影響料環的自激密封性。也就是說，自激端面密封用軟質密封料環可有一個革命性的約束或控制其熱脹冷縮而又不影響其自激密封性的薄壁金屬襯環。US2007/0176373和US6708983專利提供的對非金屬密封材料的內嵌外裹束縛，是通過有形金屬帶的盤繞提供的，是多層交替、複雜和昂貴的；密封料層單薄，即使有液性也因不連續或流阻大而無用，加之最內層焊接成一體的幾層金屬帶的抗力，致其無自激密封性。US2455982專利提供的對非金屬密封材料的束縛，是通過單一外金屬縛環提供的，並僅限徑向；其密封料環是自激密封元，但僅限橡膠，致其應用規格、應用介質、應用溫度和應用壓力十分有限；其金屬縛環是承壓疆界，必須是整體的厚壁的，致其與受限制的應用極不相稱。US6739595專利所提供的自激密封不是靠軟質密封料的柔性(變形流動)實現的， 而是靠密封料環的剛性(面的著力反射和杆的受力翹動)實現的。
總之，現有墊密封技術從設計理念到具體結構都不是使固體軟材質按液體正交傳遞壓力。

發明內容
用作兩個對接端面自密封的密封料環，需要一個用作密封面的特設端面和一個用作被密封面的全平端面；密封料環，安裝在特設端面上的縛腔中後、與特設端面一道構成密封面，用於填平補齊全平端面上的凸凹不平(洩漏通道)而實現密封，或負責將其柱面上的介質壓力自動正交轉換為其端面上的密封應力。對於材質接近有液性的密封料環，如聚四氟乙烯(PTFE)和橡膠密封料環，在常溫和小規格範圍應用中，一般不需要材質液性補償， 也不需要邊界接觸補償。但是，對於大規格應用，PTFE的熱脹冷縮係數是鋼的十多倍，橡膠的熱脹冷縮係數是鋼的數十倍；溫度變化時，規格越大，密封料環直徑相對其金屬縛腔直徑變化越大，可以大得或是因過盈配合而無法安裝或是因過大徑向間隙而無法正交傳遞壓力或按自激密封工作；例如，一個IOOmm直徑的PTFE墊，溫度變化50°C，相對其鋼縛腔直徑變化0. 8mm左右；一個4000mm直徑的PTFE墊，溫度變化100°C，相對其鋼縛腔直徑變化64mm 左右ο為約束軟質密封料環相對其金屬縛腔的徑向熱脹冷縮，確保密封料環的直徑變化不至影響其可靠安裝和可靠工作，提出一種有縛自激密封環，靠密封料的正交變形實現密封，由軟質密封料環及其金屬縛環(外環)和金屬襯環(內環)組成，或由軟質密封料環及其金屬縛環(外環)組成，或由軟質密封料環及其金屬襯環(內環)組成，其特徵是所述縛環和所述襯環的壁薄，僅能約束所述料環的徑向自由熱脹冷縮。所述軟質密封料是聚四氟乙烯(PTFE)、橡膠、柔性石墨、鉛、銦等一類易變形的金屬和非金屬軟材料，所述料環的端面是密封面並呈扁平狀。在大氣溫度壓力下所實現的密封(接觸)叫初始密封(接觸)，對軟質密封料，一般由手指頭擰緊密封連接便可實現。自(激)密封，是靠所密封的介質壓力自動提供的，壓力越高，密封越好，但是，沒有初始密封就沒有自增強密封的壓力，因此，沒有初始密封就沒有自激密封。未填滿其縛腔前的密封料環的相對熱脹冷縮，叫自由熱脹冷縮；填滿其縛腔後的密封料環的相對熱脹冷縮，叫非自由熱脹冷縮。對有縛自激密封環，其外柱面受承壓疆界束縛，在其內柱面受介質壓力激勵時，其端面應自動產生密封應力。外壓致襯環應力面積增， 內壓致襯環應力面積減，因此，壁薄的軟金屬襯環，既能抵抗外部軟質密封料環的自由冷縮，又不影響料環在小壓力下的自激密封性。金屬縛環的壁，比襯環的壁稍厚，不僅能完全阻止密封料環的自由膨脹，而且還可為密封環提供一個相對縛腔不變的配合直徑，確保其既可反覆拆卸又可消除影響密封的徑向間隙。縛環和襯環能遏制密封料環的徑向自由熱脹冷縮，但卻不能遏制密封料環的徑向非自由膨脹。當密封料環填滿縛腔後再隨溫度變化脹大時，首先致襯環和縛環彈性變形，然後致襯環塑性變形。襯環和縛環的變形可使密封結構自動適應密封材料的多少變化。襯環和縛環的彈性變形可使密封料環經歷高溫後再回到常溫時，仍然能維持初始密封接觸，確保密封永不失效。當襯環塑性變形超過某個極限後再回到常溫時，密封料環將失去密封接觸而緻密封失效。也就是說，金屬縛環和襯環，無論其料環約束面是柱面還是曲母線迴轉面(本文簡稱曲面，並特指非柱形迴轉面)，除確保軟質密封環的滿足安裝要求外，還能適當擴大其工作溫度範圍。密封料環，僅在縛環和襯環的柱面約束和控制下熱脹冷縮時，一般只能沿軸向流動，不能沿徑向流動。端面有承壓腔界約束後，料環主體沿軸向的膨脹流動過程，實際上是一個環高被壓縮的過程。如果縛環或襯環的料環約束面不是全連續柱面而是兩端有直角肩腔的斷續柱面或叫矩形曲(母線迴轉)面，那麼，當料環的主體高度被壓縮得不能維持常溫密封接觸時，其肩部密封面一定還能維持常溫密封接觸，因為肩腔高度遠比料環主體高度小，冷縮變量小得多；也就是說，密封料環，以有肩腔的矩形曲面為約束面的，比以無肩腔的全連續柱面為約束面的，有更大的溫度變化適應能力。如果縛環和襯環中的一環的料環約束面是以凸伸入料環的碗形截面曲線或V形曲線為母線的迴轉面，另環的料環約束面是一個兩端有直角肩腔的矩形曲面，那麼，當料環主體沿軸向冷縮時，料環將被碗形曲面或 V形曲面的斜面，壓向對面肩腔內，加強肩部的密封接觸，進一步提高密封環的工作溫度範圍。碗形底越闊，曲面的軸向肩縛功能越強，曲面的斜向力反射功能越弱，反之亦然；碗底闊為0的V形曲面，軸向肩縛功能弱，斜向力反射功能強。以凸伸入料環的弧線為母線的迴轉面，既有足夠的斜向力反射功能，又有足夠的軸向肩縛功能，還致弓形截面環有更好的整體強度，是理想的縛環的料環約束面。因此，所述縛環和所述襯環的料環約束面最好是以沿徑向凸伸入所述料環的碗形截面曲線或V形曲線或矩形曲線(包括接近矩形的曲線)或弧線為母線的迴轉面，非矩形曲線迴轉面界定一個兩端有斜角肩的料環縛腔截面，矩形曲線迴轉面界定一個兩端有直角肩或接近直角肩的料環縛腔截面。簡而言之，所述縛環或所述襯環對所述料環的約束面形，都是致所述料環的工作截面沿軸向兩頭大中間小。對於兩頭大中間小的料環縛腔，當料環主體沿軸向縮小時，由大空間縮入小空間，致四角局部隆起而能有效維持自激密封所需的初始密封接觸，當料環主體沿軸向增大時，致兩端密封接觸全面同時增加；更準確地說，無介質壓力時，當其相對其縛腔縮小時，料環內側兩角的密封接觸首先得以加強，當其相對其縛腔增大時，料環外側兩角的密封接觸首先得以加強，都能有效維持自激密封所需的初始密封接觸條件，因此，有介質壓力時，料環能利用其固性楔動和液性流動可靠按自激密封工作。對於熱帶和亞熱帶(最低氣溫不低於0°C)的常溫應用，所述有縛自激密封環有時只需縛環而不需襯環就可滿足保管、安裝和工作要求。對於寒帶和亞寒帶(最高氣溫不高於20°C )的常溫應用，所述有縛自激密封環有時只需襯環而不需縛環就可滿足保管、安裝和工作要求。所述有縛自激密封環可以安裝在金屬承壓疆環的通腔中，同疆環一道用作平面對接的自激密封墊；此時，密封料環的縛環和襯環的高度不大於疆環高度，密封料環的高度稍大於疆環高度，以提供初始密封接觸；要輕鬆安裝，縛環與通腔間必然需要一定安裝間隙， 而該間隙可緻密封極限壓力降低。消除該間隙的有效方法是使縛環和疆環成一體，或者說， 是將縛環的環料約束面結構在通腔壁上而不再用分離縛環；而一旦如此，便是一種有縛自激密封墊，靠密封料的正交變形實現密封，由軟質密封料環及其金屬承壓疆環(外環)和金屬襯環(內環)組成，或由軟質密封料環及其金屬承壓疆環組成，其特徵是有襯環時，所述襯環僅能約束所述料環的徑向自由熱脹冷縮；無襯環時，所述疆環對所述料環的約束面是曲母線迴轉面。同樣，簡單地說，所述疆環或所述襯環對所述料環的約束面形，致所述料環的工作截面沿軸向兩頭大中間小，具體地說，所述疆環和所述襯環的料環約束面是以沿徑向凸伸入所述料環的碗形截面曲線或V形曲線或矩形曲線(包括接近矩形的曲線)或弧線為母線的迴轉面，非矩形曲線迴轉面界定一個兩端有斜角肩的料環縛腔截面，矩形曲線迴轉面界定一個兩端有直角肩或接近直角肩的料環縛腔截面。在所述疆環的兩個端面上有用作緊固支撐的宏觀鋸齒環，或有用作密封的微觀鋸齒環，或兩者皆有。所述有縛自激密封環也可安裝在對接的特設端面的縛腔中，與特設端面一道完成同對接的全平端面的密封對接；此時，密封料環的縛環和襯環的高度不大於縛腔深度，密封料環的高度稍大於縛腔深度，以提供初始密封接觸。要輕鬆安裝，縛環與縛腔間必然需要一定安裝間隙，而該間隙可緻密封極限壓力降低。消除該間隙的有效方法是使縛環和縛腔成一體，或是將縛環的環料約束面結構在縛腔壁上而不再用分離縛環；而一旦如此，便是一種有縛自激密封結構，靠密封料的正交變形實現密封，由軟質密封料環及其金屬縛腔和金屬襯環組成，或由軟質密封料環及其金屬縛腔組成，其特徵是有襯環時，所述襯環僅能約束所述料環的徑向自由熱脹冷縮；無襯環時，所述縛腔對所述料環的約束面是曲母線迴轉面。同樣，簡單地說，所述縛腔或所述襯環對所述料環的約束面形，致所述料環的工作截面沿軸向兩頭大中間小，具體地說，所述縛腔和所述襯環的料環約束面是以沿徑向凸伸入所述料環的碗形截面曲線或V形曲線或矩形曲線(包括接近矩形的曲線)或弧線為母線的迴轉面， 非矩形曲線迴轉面界定一個兩端有斜角肩的料環縛腔截面，矩形曲線迴轉面界定一個兩端有直角肩或接近直角肩的料環縛腔截面。在所述縛腔的外端面上有用作緊固支撐的宏觀鋸齒環，或有用作密封的微觀鋸齒環，或兩者皆有。依據前述密封結構相同的結構原理，還有一種有縛自激密封結構，靠密封料的正交變形實現密封，由軟質密封料環及其金屬縛腔和金屬襯環組成，或由軟質密封料環及其金屬縛腔組成，其特徵是有襯環時，所述襯環僅能約束所述料環的徑向自由熱脹冷縮；無襯環時，所述縛腔有一個泊松補償錐面底部或有一個斜角臺階或直角臺階口部，或所述縛腔同時有所述錐面底部和所述斜角臺階或直角臺階口部。在所述縛腔的外端面上有用作緊固支撐的宏觀鋸齒環，或有用作密封的微觀鋸齒環，或兩者皆有。本發明所依據的設計理念是空前的，因此，取得的技術進步與經濟效果也必定是空前的。首先，手指頭擰緊或接近手指頭擰緊本發明的密封連接螺栓或螺紋，無論是用聚四氟乙烯(PTFE)還是柔性石墨作密封材料，在材料不發生相變或分解前，無論壓力多高多低，只要承壓件不破裂，本發明的密封連接永遠都不會因密封本身失效而洩漏，在總體上， 是現有墊的端面密封技術所完全不能及的，因此，加之還有一個微觀鋸齒環的密封保護和實際密封連接不可能鬆弛到手指頭擰緊的地步，無疑，本發明的密封連接將致一個洩漏無憂時代的誕生。其次，本發明的密封環只要求一個在直徑和深度上適合其安裝的縛腔，與現有平墊密封技術相比，無需繁瑣的螺栓載荷設計和安裝保障程序，與現有0形環密封技術相比， 無需繁瑣的縛腔設計或選擇，因此，本發明密封環的設計或選用與應用成本低、風險小、可
靠性高。再其次，本發明的密封環只分尺寸規格不分壓力級別，或者說，一個尺寸規格的密封環可滿足該規格的任何壓力的密封需求，因此，與現有的平墊密封技術相比，本發明將緻密封件的系列規格和品種銳減及各單件批量劇增，顯著降低密封件的製造、庫存和應用成本。再其次，本發明的各密封環是一種只用聚四氟乙烯或柔性石墨密封材料的結構相似密封元，並且能勝任美國ASME B16. 5指定的la、lb、Ila、lib、IIIa和IIIb六組密封墊或歐洲EN1514-1 8規定的七組密封墊所能勝任的全部端面密封任務，顯著降低密封墊的設計、選用、製造、庫存、使用、維修等成本。最後，本發明使用的聚四氟乙烯和柔性石墨密封材料，幾乎耐一切腐蝕，幾乎不老化變質，可回收再利用，因此，加之可填補修復，密封環有無限壽命而無材料廢棄所致的浪費和汙染；所以，加之密封無洩漏而無洩漏所致的浪費和汙染，與現有平墊密封技術相比， 本發明技術十分節能環保。


本發明的有縛自激密封環、墊及結構都是環形結構，大都以環形的局部截面視圖表達，並以直徑尺寸符號Φ和尺寸箭頭明確表示出環形結構的軸向和徑向及環形結構的內側和外側。在所有視圖中，相同的字母符號代表功能相同或相近的元件或結構或尺寸。圖1是不符合本發明的自激密封環02，其密封料沒有徑向約束縛環和襯環，在常溫範圍內，溫度變化就可致其直徑變大而無法安裝，或致其直徑變小而出現徑向安裝間隙。圖2是不符合本發明的圖1的密封環02，在裝入工作縛腔後，有一個徑向間隙C， 以至於在介質壓力作用下，密封環02將發生如圖中虛線所示的環周增和環高減的泊松變形。圖3是符合本發明的一種只有徑向束縛的自激密封環，其密封料環02外受縛環01 約束，密封環的外徑大小不受溫度變化影響，既能確保反覆拆卸安裝，又能避免徑向安裝間隙；內受襯環03約束，料環不會冷縮致脫離縛環。圖4是符合本發明的圖3的有縛自激密封環，在裝入工作縛腔後，縛環確保無徑向安裝間隙，襯環確保自動適應密封料的多少和冷縮變化，並且不影響自激密封性。圖5是本發明的有徑向和軸向束縛的自激密封環的結構說明圖，圖6是工作原理說明圖。圖7 12是符合本發明的典型的有縛自激密封環，圖13 16是它們的縛肩的局部結構放大圖與泊松補償角θη。圖17是符合本發明的有縛自激密封墊，圖18和圖19是其密封結構部分的局部放大圖；圖18，其料環02的外約束面設在縛環01上，是分離式縛環結構；圖19，其料環02的外約束面設在疆環04上，是整體式縛環結構。圖20是符合本發明的有縛自激密封結構(結構在特設端面A上)，圖21和圖22 是其密封結構部分的局部放大圖；圖21，其料環02的外約束面設在縛環01的內壁上，是分離式縛環結構；圖22，其料環02的外約束面設在特設端A上的縛腔壁上，是整體式縛環結構。圖23是符合本發明的又一種有縛自激密封結構(結構在特設端面A上)，圖M和圖25是其密封結構部分的局部放大圖；圖M的料環02的縛腔是一個有泊松補償角θ 錐面底部和直角臺階口部的結構，圖25的料環02的縛腔是一個有粗實線所示的泊松補償角θ 錐面底部加直角口部的結構，或是一個有細線所示的直角(θ η = 0)底部加直角臺階口部的結構。
具體實施例方式圖1所示的常用聚四氟乙烯(PTFE)和橡膠密封料環02，環高度Ii1稍大於其縛腔高度h，安裝在圖2所示的特設端面A的縛腔中後，靠特設端面A和全平端面B的對接連接螺栓或螺紋的緊固提供對接端面的初始密封，靠介質在內柱面上的壓力提供對接端面的工作密封。環的介質密封作用面積(環的內柱面積)大於環的介質去密封作用面積(環的端面積)，因此，壓力越高密封越好。但是，由於環的Φ(12和Φd3柱面無約束，因此，環境溫度變化就可致預製的環外徑Od2變得大於或小於環縛腔直徑Φd2'。如果Φ(12>Φ(ν，則環無法安裝就位；如果Od2 !!>、的關係。由於襯環03的壁僅能遏制料環02的徑向自由冷縮或束縛，不能抵抗料環02的徑向非自由冷縮或束縛，因此，密封環的安裝壓縮或熱膨脹壓縮可致襯環03 發生彈性或塑性徑向縮小而使料環02可適度適應溫度變化或料多料少變化。縛環01和襯環03的彈性變形有利於料環02由高溫回到常溫後能維持初始密封接觸，因此，縛環01又不能太厚。料環02熱膨脹致襯環03徑向塑性縮小的過程，實際上是料環02被壓縮致其常溫高度發生塑性縮小的過程，因此，在某個高溫後再回到常溫時，料環的高度將不足以維持料環的初始密封接觸。也就是說，圖3所示的有縛自激密封環，對溫度變化的適應能力是有限的。密封料環的高度絕對彈性壓縮量決定其端面能否提供或維持初始密封，而高度的永久絕對熱脹變量或永久絕對冷溫縮量與高度成正比，因此，如圖5的密封環及其裝配就位工作圖6所示，當料環02熱脹致其主體冷溫高度h變小而剛好不能維持初始密封接觸時，比h小很多的局部縛肩的高度t 一定還能維持初始密封接觸。也就是說，對密封料環的軸向流動有縛肩約束的有縛自激密封環，對溫度變化有更高的適應能力。如圖5所示，縛環01的V形料環約束面是以碗底闊h4 = 0的碗形曲線(V形曲線) 為母線的迴轉曲面，襯環03的矩形料環約束面是以碗口闊Ii2 =碗底闊h4 =襯環高Ii3的碗形曲線(矩形曲線)為母線的迴轉曲面；顯然，碗口闊不變，碗形曲面的底越闊，曲面的直縛或軸向肩縛功能越強，斜縛功能越弱，反之亦然。曲面的直縛功能可提高有縛自激密封環對溫度變化的適應能力(見前述)，曲面的斜縛功能(斜面的反作用力R直指對角而)使對角的密封接觸再加強，因此，曲面可再提高有縛自激密封環對溫度變化的適應性。實際上，圖5的縛環01的V形曲面、弧形曲面和碗形曲面，是在對料環02分別提供兩個對稱的泊松補償角；儘管弧形的θ 』 η不是常數，但總體有θ 『 3> θ 『 η> 9 「 3。由於對於徑向雙向有束縛的密封料環，其徑向尺寸基本不再隨溫度變化，即其泊松補償角度面基本不會因溫度變化而脫離同其被縛面的接觸；對於軸向雙向局部有束縛的密封料環， 即使無徑向束縛，有適當長度的泊松補償角度面也不至於會因溫度變化而完全脫離同其被縛面的接觸；因此，圖5那樣四向均有束縛的密封料環的V形曲面、弧形曲面和碗形曲面泊松補償角均可按θ3取。弧形縛環既可提供一個總體較厚的壁厚以獲得穩定的安裝尺寸，又可提供一個兩端易變形的薄的壁厚以利裝配時消除端部接觸間隙。大體上，弧形曲面的弓形弦為縛腔高度h，改變弓形高可改變對料環約束或泊松補償角大小，以滿足不同的極限工作溫度或材質的需求。如圖6的襯環03的虛線截面所示，當料環02的體積變得大於其容腔的體積時， 強度弱的襯環中部被迫內曲而又致縛肩高度t變小，吞下多出的料環體積而又不致襯環端部塑性縮小；當料環的體積相對其容腔的縮小時，強度高的襯環端部迫使其兩端縛肩隆起而加強密封接觸，致其四角之外的表面出現真空間隙，因此，無論是大氣壓力還是介質壓力都可致中部彎曲的襯環伸直，吐出此前吞下的體積，或把儲存的料環體積由中部壓向端部， 特別是壓向四角肩部，緻密封接觸達到緊密又緊密的地步。也就是說，能給襯環兩端各提供一個有縛腔的等壁厚的矩形曲面的襯環，可適應料環的非自由熱脹冷縮或適應更大的極限溫度變化；縛腔可是如圖8的開放式或圖9的封閉式；開放式的縛腔更適合聚四氟乙烯 (PTFE)密封料環，封閉式的縛腔更適合柔性石墨密封料環。對密封料環的徑向和軸向約束或斜向綜合約束，表面上是在消除製造誤差和溫度變化所致的有害間隙，以便至少在料環截面的四角始終維持自激密封所需的初始密封接觸條件，實質上是在總體上使料環的約束截面在軸向呈兩頭大中間小，以便在介質壓力作用下，使料環在徑向由大空間入足夠小空間，增加料環的軸向變形/應變/應力(響應)，在完成對料環的材質液性補償和邊界接觸補償的同時，使料環充分按液體正交傳遞壓力，實現自激密封。弧形的料環約束面和矩形的料環約束面的基本排列組合，可形成6種基本不同的兩頭大中間小的環料約束截面，分別如圖7 12所示。這就是有縛自激密封環的典型結構。 圖7 9的縛環01的截面尖角結構如其局部I的放大視圖13所示。圖10 12的縛環01 的直縛肩部結構如其局部II的放大視圖14所示，可根據密封材料的不同提供一個θ工或 θ2的泊松補償角θη，提高縛肩部位的自激密封性；但當、/(13太小時，Q1* 02不大，只能要求縛環端面不外凸而或平或微凹。對於圖8、圖9、圖11和圖12的襯環03，其直縛肩結構如局部III和IV的放大視圖15和16所示，可在裝配中或工作中自動形成一個θ工或 θ 2的提高縛肩自激密封性的泊松補償角θ η，因此，製造中只要求縛肩不外凸即可。相比較而言，圖7和圖10的襯環的兩端強度弱，圖8、圖9、圖11和圖12的襯環的兩端強度高，因此，兩者有著正負相反的泊松補償角，前者有允許環料自由進出尖角的味道，後者有隻許環料進、不許環料出肩腔的味道，但都在於加強縛肩部位的自激密封性。有縛自激密封環的縛環，可如圖18和圖21那樣，是分離式的，是獨立的；也可如圖 19、圖22、圖對和25那樣，是整體式的，縛環與其縛腔成一體，不再是獨立的。分離式縛環結構在縛環和其縛腔間多出一道需要考慮自動抵消的間隙，整體式縛環結構無這道間隙影響，極限工作壓力更高。有密封環的對接端叫特設端(A)或密封端，要求與其對接的端為全平端(B)或被密封端。在特設端面上可有微觀密封鋸齒環(05是其齒面，06是其齒刃)，其齒距(Xs)/齒高(Zt) = 20 500，用於提供重複金屬密封，增加密封的結構可靠性；還可有宏觀支撐鋸齒環(05是其齒面，07是其齒刃)，用於提供連接安裝的緊固支撐，消除對接面繞接觸圓翻轉，簡化安裝緊固程序，確保密封接觸的均勻性，增加密封的可靠性。本發明的有縛自激密封環的內徑Φ(13是餘進圓整後的ΕΝ1092-1表A-I的管外徑 (ΦΑ)的圓整值，密封環壁厚(a)是按遞增至11地取EN1092-1表A-I的次最小壁厚，即有密封環外徑Od2 = Od3+2a ；特設端面A上的Φ Ι/ΦΚ/ΦΟ/η-Φ 是EN1092-1的相關規定尺寸。因此，加之有縛自激密封環是按自密封工作的，一個尺寸規格的法蘭用密封環可滿足該規格的任何壓力的密封需求，或者說，法蘭用密封環或密封元只分規格不分壓力級別， 而且其對應的金屬管壁厚值就是法蘭製造和安裝的總同軸度允差半值。本發明的法蘭用密封環的應用尺寸Φ(13/Φ(12ΑιΛ如下表所列，其中h = ka，k > l+a/d3，在於確保介質在密封環上的密封作用面積(環的內柱面積)永遠大於其去密封作用面積(環的端面積)，即確保密封環的密封維持係數m永遠大於1，能始終維持可靠密封。尺寸單位為mm
DN101520253240506580100125150200NPS3/81/23/411-1/41-1/222-1/234568管外徑17. 221. 326. 933. 742.448. 360. 376. 188. 9114. 3139. 7168. 3219. 1182227344349617789115140169220Φ 2222632. 240.449.455. 468. 284. 298124151. 2181. 6234a222. 63. 23. 23. 23. 63. 64. 54. 55. 66. 37h2. 62. 63.44. 14. 14. 14. 54. 55. 65. 66. 97. 88. 權利要求
1.一種有縛自激密封環，靠密封料的正交變形實現密封，由軟質密封料環及其金屬縛環(外環)和金屬襯環(內環)組成，或由軟質密封料環及其金屬縛環(外環)組成，或由軟質密封料環及其金屬襯環(內環)組成，其特徵是所述縛環和所述襯環的壁薄，僅能約束所述料環的徑向自由熱脹冷縮。
2.一種按權利要求1的有縛自激密封環，其特徵是所述縛環或所述襯環對所述料環的約束面形，致所述料環的工作截面沿軸向兩頭大中間小。
3.一種按權利要求1或權利要求2的有縛自激密封環，其特徵是所述縛環和所述襯環的料環約束面是以沿徑向凸伸入所述料環的碗形截面曲線或V形曲線或矩形曲線(包括接近矩形的曲線)或弧線為母線的迴轉面，非矩形曲線迴轉面界定一個兩端有斜角肩的料環縛腔截面，矩形曲線迴轉面界定一個兩端有直角肩或接近直角肩的料環縛腔截面。
4.一種有縛自激密封墊，靠密封料的正交變形實現密封，由軟質密封料環及其金屬承壓疆環(外環)和金屬襯環(內環)組成，或由軟質密封料環及其金屬承壓疆環組成，其特徵是有襯環時，所述襯環僅能約束所述料環的徑向自由熱脹冷縮；無襯環時，所述疆環對所述料環的約束面是曲母線迴轉面。
5.一種按權利要求4的有縛自激密封墊，其特徵是所述疆環或所述襯環對所述料環的約束面形，致所述料環的工作截面沿軸向兩頭大中間小。
6.一種按權利要求4或權利要求5的有縛自激密封墊，其特徵是所述疆環和所述襯環的料環約束面是以沿徑向凸伸入所述料環的碗形截面曲線或V形曲線或矩形曲線(包括接近矩形的曲線)或弧線為母線的迴轉面，非矩形曲線迴轉面界定一個兩端有斜角肩的料環縛腔截面，矩形曲線迴轉面界定一個兩端有直角肩或接近直角肩的料環縛腔截面。
7.一種按權利要求4或權利要求5的有縛自激密封墊，其特徵是所述疆環的兩個端面上有用作緊固支撐的宏觀鋸齒環，或有用作密封的微觀鋸齒環，或兩者皆有。
8.一種有縛自激密封結構，靠密封料的正交變形實現密封，由軟質密封料環及其金屬縛腔和金屬襯環組成，或由軟質密封料環及其金屬縛腔組成，其特徵是有襯環時，所述襯環僅能約束所述料環的徑向自由熱脹冷縮；無襯環時，所述縛腔對所述料環的約束面是曲母線迴轉面。
9.一種按權利要求8的有縛自激密封結構，其特徵是所述縛腔或所述襯環對所述料環的約束面形，致所述料環的工作截面沿軸向兩頭大中間小。
10.一種按權利要求8或權利要求9的有縛自激密封結構，其特徵是所述縛腔和所述襯環的料環約束面是以沿徑向凸伸入所述料環的碗形截面曲線或V形曲線或矩形曲線(包括接近矩形的曲線)或弧線為母線的迴轉面，非矩形曲線迴轉面界定一個兩端有斜角肩的料環縛腔截面，矩形曲線迴轉面界定一個兩端有直角肩或接近直角肩的料環縛腔截面。
11.一種按權利要求8或權利要求9的有縛自激密封結構，其特徵是所述縛腔的外端面上有用作緊固支撐的宏觀鋸齒環，或有用作密封的微觀鋸齒環，或兩者皆有。
12.—種有縛自激密封結構，靠密封料的正交變形實現密封，由軟質密封料環及其金屬縛腔和金屬襯環組成，或由軟質密封料環及其金屬縛腔組成，其特徵是有襯環時，所述襯環僅能約束所述料環的徑向自由熱脹冷縮；無襯環時，所述縛腔有一個泊松補償錐面底部或有一個斜角臺階或直角臺階口部，或所述縛腔同時有所述錐面底部和所述斜角臺階或直角臺階口部。
13. 一種按權利要求12的有縛自激密封結構，其特徵是所述縛腔的外端面上有用作緊固支撐的宏觀鋸齒環，或有用作密封的微觀鋸齒環，或兩者皆有。
全文摘要
一種按新的「自密封機理」設計的有縛自激密封環，由軟質密封料環(02)及其外縛環(01)和內襯環(03)組成，極薄的軟金屬襯環比蛋殼還蛋殼，更能抗外壓而不抗內壓，能有效抵抗軟質料環的自由冷縮或束縛而又不影響料環的自激密封性，可像O形橡膠圈一樣安裝在縛腔中使用。無論是聚四氟乙烯(PTFE)還是柔性石墨的料環，都能像液體一樣正交傳遞壓力，即按自密封工作，因此，手指頭擰緊或接近手指頭擰緊密封連接螺栓或螺紋，在材料不發生相變和分解的範圍內，只要承壓疆界零件不破裂，密封本身絕不會首先失效。
文檔編號F16J15/12GK102261472SQ20101019514
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月24日 優先權日2010年5月24日
發明者徐長祥 申請人:徐長祥, 浙江華夏閥門有限公司