弓形环密封垫圈及弓形环密封管连接件的制作方法

本发明涉及一种密封件，属于化工机械领域，尤其是涉及一种管道连接用的弓型环硬密封垫圈，一种与弓型环配套的焊接式管连接件，包括法兰、卡箍高颈法兰和活接头，管连接件的密封面为斜面(内锥面)。

背景技术：

在工业上，尤其是在化学工业上，管道连接大量使用法兰。DN65以下小口径管道，连接没有必要采用法兰，应该用活接，活接的重量只有法兰的1/5～1/3，一个活接的价格只是一对法兰价格的一半左右。管连接使用活接，不仅节省钢材，费用低，而且安装方便。水管用镀锌活接，由于丝处易漏和垫片(石棉或橡胶)易坏，现在不仅在化工上已没人用，就是在水管道上用的也不多了。焊接式活接，如《焊接式直通管接头标准》JB 970-77，公称压力32MPa，使用温度-25～80℃，采用橡胶O型环密封，由于橡胶不耐高温，易老化，在化工上也没得到普及，只在制药行业有应用。

现有的管连接件基本上都是法兰，密封件有石棉板垫片和金属缠绕石墨垫片，由于这两种密封垫片都不能做的太窄，故不宜用于活接。硬密封环垫椭圆环(包括八角环)，属于双面密封金属环垫，详见国标GB/T 9128-2003(钢制管法兰用金属环垫尺寸)，国标GB9130-2007(钢制管法兰用金属环垫技术条件)，国标GB-T 9115.4-2000(环连接面对焊钢制管法兰)，耐高温高压，但加工精度要求很高，价格很贵，故未能普及，只在石油化工高温高压的场合使用。八角形环垫与法兰槽相配，属于面接触，密封效果不如线密封，但容易加工，能再次使用。椭圆形环垫片与法兰槽是线接触，密封性较好，但加工精度要求高，而且不能重复使用。由于椭圆垫和八角环都是双面密封，故都不适应于活接。

本发明人提出的三角环密封垫，专利号为201320856527.5、20152024387.0，属于单面密封，加工容易，制造费用低，而且有自密封作用，可以用于活接和法兰。

技术实现要素：

本发明目的是，提出了一种新的单面面密封硬密封垫圈或称环垫，因截面形状为弓形，故称为弓形环。

本发明技术方案：一种弓形环硬密封垫圈，其特征是垫圈纵截面为弓形，弯弓圆弧朝外，密封线在弯弓圆弧上，弓弦直线(内侧面)与管路平行。见附图1。

所述的弓形环硬密封垫圈，纵截面的弓把位置设有凸出的环台，即弓形环硬密封垫圈的外圈中央设有凸出的环台。

所述的弓形环硬密封垫圈，纵截面是弓形纵截面的变形，即纵截面为梯形，梯形的上底朝外，梯形的底角为圆弧，密封线在圆弧上，梯形腰形成的顶角为90～150°、即底角为15～45°，最好为120～140°，即底角为20～30°。

进一步的，纵截面是弓形环纵截面的变形，纵截面为等腰三角形，三角形的顶角朝外，三角形的底角为圆弧，密封线在圆弧上，三角形的顶角为90～150°(底角为15～45°)，最好为120～140°(底角为20～30°)，顶角加工倒角也可以是大圆弧。

纵截面为等腰梯形，梯形两腰形成的顶角为30～120°(底角为30～75°)，最好为60～90°(底角为45～60°)，顶角朝外，腰的底角为锐角或圆弧，材料为聚四氟乙烯或其他塑料，线密封加辅助斜面密封。

所述的弓形环硬密封垫圈匹配的管连接件，包括法兰和活接头，管连接件与弓形环密封垫圈接触的密封面为斜面(内锥面)，斜面与管轴向的夹角为15～45°，最好为20～30°。

所述的弓形环塑料密封垫圈匹配的管连接件，包括法兰和活接头，管连接件与弓形环密封垫圈接触的密封面为斜面(内锥面)，斜面与管轴向的夹角为30～75°，最好为45～60°。

针对三角环密封体系，密封垫三角环上的密封面为斜面(外圆锥面)，承焊体(法兰，活接接头、接管)上的密封面为圆弧(内球面)，二者接触形成线密封。弓形环环密封体系，密封垫弓形环上的密封面为圆弧(外球面)，承焊体(法兰，活接接头、接管)上的密封面为斜面(内圆锥面)，二者接触形成线密封。弓形环密封体系是三角环密封体系的倒置，或曰二者相反，密封性能相当，但弓形环应用于法兰时可以省去定位台，法兰上也不需导向槽，弓形环特别适用于法兰的密封。密封面的粗糙度，同三角环和椭圆环一样，不大于1.6。

上面所描述的为弓形环基本形状，称为准弓形环，在此基础上可衍生出多种形状的弓形环，但各种弓形环的密封面都是圆弧(外球面)，对应承焊体的密封面都是斜面(内圆锥面)，都属于线密封，见附图1～6。总体上，我们将弓形环分为A、B两大类，A为准弓形环，B为类三角弓形环，A类又分为A1型(附图1)、A2型(附图2)，B类又分为B1型(附图3)、B2型(附图4)和B3型(附图5)，还可衍生更多。截面为弓形的密封环为A1型，延轴向将一部分外圆切成平面(保留密封圆弧)后为A2型弓形环(形状为半个椭圆环)，A1、A2型都是用于活接的密封，像三角环密封圈一样外面有定位环台。B1类弓形环是将A1型弓形环从外面部分切成等腰三角形(保留密封圆弧)，B2类弓形环是将A1型弓形环从外面部分切成梯形(保留密封圆弧)，B1、B2型都是用于活接的密封，像三角环密封圈一样外面有定位环台。B1、B2型弓形环，外面没有定位环台，分别称为B3、B4型，用于法兰的密封，依靠自身角度和法兰相近的斜面定位。

与弓型环配套的管连接件，包括法兰和活接的接头、接管，因管连接件与管道的连接方式一般都是焊接，故在标准中也称为承焊体，见附图7～15。与弓型环配套承焊体的密封面为斜面(内圆锥面)，斜面与管轴向的夹角称为斜角，用α表示，α为15～45°，最好为20～30°。B型弓形环三角形或梯形的底角用β表示，β比α小0.5～5°，最好小1～3°。因β小于α，两个角度又相差很小，故B型弓形环的密封是以线密封为主，面密封为辅，而且在法兰(活接)上紧的过程中密封环有自定位功能，设计中可以去掉定位环台，法兰的设计也没有导向槽，这种结构特别适用于法兰。

弓形环密封垫与三角环密封垫相比，另一个优点是死体积小，因弓形环的密封线在环端部，三角环的密封线在环中部，故采用弓形环密封的法兰(活接)液体滞留体积少，这一点对制药行业特别重要，三角环因液体滞留体积大不能用于制药行业。

从形状上看，弓形环是椭圆环(八角环)的变种，A型弓形环截面是半个椭圆环，B型弓形环截面是半个八角环，但实际上弓形环和椭圆环(八角环)有着本质的区别。一，椭圆环(八角环)是双面密封，密封环要正好放进法兰的环槽中，对加工尺寸精度要求高，弓形环是单面密封，对加工尺寸精度要求低。二，椭圆环(八角环)靠挤压变形密封，要求材料为软钢，椭圆环只能用一次，弓形环有自紧功能，依靠上紧变形后金属的回弹力和内压的张力密封，不要求材料用软钢，用普通钢材就可以，一般用于承焊体相同的材料，而且弓形环可以反复多次使用，试验证明可以使用1000次以上。三，由于弓形环有自紧功能，需要的预紧力小，通俗的说就是轻轻一上耐高压，而不像球面密封活接一样很难上紧(因此一直没能推广开)。四，B型弓形环有自定位功能，而且不像八角环一样是面密封，是以线密封为主、面密封为辅，面密封不可靠，这也是八角环不能推广的原因之一。

弓型环的材料一般为金属，一般采用与承焊体相同的材料，也可以用增强聚四氟乙烯或聚丙烯等塑料。

为了解决碳钢腐蚀后硬密封面破坏的问题，本发明还提出了一种C型弓形环，见图6，采用C型弓形环密封活接的安装图见图13，活接头密封槽斜角α为30～75°，最好为45～60°。密封环材料一般采用碳纤维增强聚四氟乙烯(黑色)，低温和低腐蚀条件也可以采用聚丙烯，医药和食品行业采用有弹性的优质聚四氟乙烯(白色)，碳钢材料的弓形环和配套管连接件须进行防锈处理。因密封环采用的塑料具有一定弹性，而且形状与平垫不一样，可以反复使用，主要适用于小口径管道。

有益效果：弓形环用于活接、法兰和卡接(卡箍管连接件)，不仅是用于管道连接上，也包括阀门的连接。现有阀门，可改为弓形环密封活接的接头(对小口径阀门)，或弓形环密封式法兰或卡接(对大口径阀门)。本发明体积小，能形成严密的面密封，成本低、安装管连接件方便。

弓形环最适应于不锈钢管道的连接，弓形环和配套管连接件都采用不锈钢。对于碳钢高压管道，弓形环密封也是最佳选择，碳钢材料的弓形环和配套管连接件须进行防锈处理，如发黑、磷化、镀锌、镀彩锌和镀镍磷等。

本发明提出单面密封硬密封垫圈-弓形环，与三角环不同的是承焊体(法兰，活接接头、接管)上的密封面为斜面，密封垫上为圆弧线密封，与梯环密封体系相反，这种结构密封性能与三角环相当，但弓形环应用于法兰时可以省去定位台，法兰上也不需定位槽，弓形环特别适用于法兰的密封。

本发明提出的弓形环密封圈，可以使活接在工业上得到普及，对小口径金属管(DN65以下)的连接可以完全替代现在普遍使用的法兰，可以节省制造管件的钢材60～70％，还可以减少安装工期。对于大口径管道的连接，弓形环密封也有优势，至少可以用于不锈钢管道和高温高压管道的连接。

附图说明

图1为A1型弓形环示意图。

图2为A2型弓形环示意图。

图3为B1型弓形环示意图。

图4为B2型弓形环示意图。

图5为B3型弓形环示意图。

图6为C型弓形环示意图。

图7为活接接管图。

图8为活接接头图。

图9为活接螺母图。

图10为A1型弓形环密封活接组装图。

图11为B1型弓形环密封活接组装图。

图12为B3型弓形环密封活接组装图。

图13为C型弓形环密封活接组装图。

图14为弓形环密封法兰组装图。

图15为弓形环密封卡接组装图。

图中各标号的意义如下：

d-弓形环内径，取管内径或接近管内径；

d₁-弓形环外径；

d₂-密封环座槽直径；

d₃-管槽直径；

d₄-螺母孔径；

D-对焊端管外径；

D₁-定位圆直径；

D₂-密封环的定位环外径；

h-弓形环高度；

h₁-定位环高度；

M-螺纹工程直径；

R-弓圆半径；

R₁-B型弓形环端部圆弧半径；

R₂-过渡圆弧半径；

S-螺母六方对边距；

α-密封环座(槽)斜角，槽内锥面与轴的夹角；

β-环斜角，B型弓形环三角形或梯形的底角，等于密封环外锥面与轴的夹角。

具体实施方式

实施例1

DN25PN63活接，密封垫为A1型弓形环，见图1、10，R＝15mm，α＝23°，h＝14mm，h1＝2mm，其余尺寸与DN25三角环活接相同，详见中国专利号201320856527.5、20152024387.0。弓形环、接头、接管的材料为不锈钢304，螺母材料为20#碳钢镀锌。接管和接头上焊0.5米φ32×3钢管，管一头接压力表，一头接φ10卡套阀。上紧压盖，用氮气瓶从卡套阀打压至10MPa，关闭卡套阀，拆掉氮气瓶与卡套阀的连管。把活接浸入水中，观察10分钟，没有气泡。放置5小时，压力没有变化。证明不漏。

实施例2

DN25PN63活接，密封垫为B1型弓形环(图3)，α＝23°，β＝21°，R₁＝1.6，R₂＝1，其余同例1，安装见图11。弓形环、接头、接管的材料为不锈钢304，螺母材料为20#碳钢镀锌。如例1连接好活接，用手动试压泵打压，进水至20MPa，关闭卡套阀。观察5小时，没有水渗出，压力也没有变化。

实施例3

DN25PN25活接，密封垫为C型弓形环(图6)，α＝60°，β＝57°，R₁＝0.5，接管、接头密封面及安装见图13。接头、接管和螺母材料为20#碳钢镀锌，弓形环材料为碳纤维增强聚四氟乙烯。如例1连接好活接，用手动试压泵打压，进水至5MPa，关闭卡套阀。观察5小时，没有水渗出，压力也没有变化。

实施例4

采用弓形环密封的法兰，见图14，法兰规格DN150DN63，材料为20#碳钢，发黑处理。采用B3型弓形环，材料为20#碳钢，发黑处理，α＝23°，β＝21°，环外径φ164mm，h＝15mm，R₁＝1.6mm。试验压力20Mpa，介质为氮气，气密24h无泄漏。