专利名称：大口径管道柔性内胀式密封圈及连接结构和方法
技术领域：
本发明涉及一种大口径管道柔性内胀式密封圈及连接结构和方法，属管件类(F16L)。可用于使用压力1.6Mpa以下的球墨铸铁管、不锈钢管、水泥管等。管道管径在Φ63.5-Φ3000内。
背景技术：
现有的大口径球墨铸铁管、碳钢管、塑料管、玻钢管、水泥管、不锈钢管和内衬不锈钢复合管等其接口的连接均为刚性连接。各种管道连接方式如下①球墨铸铁管接口用承插式连接，装橡胶密封后，用水泥沙浆封口固化成刚性连接。②碳钢管端口采用焊接连接。③塑料管采用承插式热熔焊工艺连接。④水泥管端口采用承插式连接，并用水泥硬化封口。⑤不锈钢接口用焊接和法兰连接。⑥内衬不锈钢复合管采用法兰连接。这些刚性连接大口径管道，在遇到地基陷落、地层错位，管道接口处均出现水不均衡的重力冲击，均由此产生漏水。此时，各种管道的状况如下①承插式球墨铸铁管接口若无卡箍，还会出现拨脱现象。②水泥管因自身太重，易出现端口拉裂。③塑料管在水的扭力作用下，热熔部位易出现裂口。④玻璃管道接口也常因应力太集中而导致漏水。⑤不锈钢管接口在焊接时应力太集中，工地现场又无法固熔处理，将造成晶间腐蚀现象。若采用法兰刚性连接，又会出现高成本风险。
综上所述，上述各种刚性连接的管道接口在地基沉降时均出现漏水和上述各种缺陷，由此市场均在呼吁廉价的可靠性高的柔性密封连接管件。
发明内容
本发明提出的大口径管道柔性内胀式密封圈及连接结构和方法，就是解决上述现有的大口径的各种管道刚性接口在地陷时的漏水问题。
其技术方案如下大口径管道柔性内胀式密封圈，其特征是该密封圈在没有装入连接结构之前，它是不充填状态的中空橡胶密封圈4.1，且在密封圈壁上开有1个或以上气料咀5；在放入连接结构内装配完之后，它是在密封圈壁上开有1个或以上气料咀5的外部为中空橡胶密封圈，中空腔内为充填物料4.2的工作密封圈4。
上述中空橡胶密封圈4.1在气压为2～6kg/cm2充气，截面形状为圆形、椭圆形；管道管径在Φ63.5-Φ3000范围，壁厚t2选择为1～20mm。在供水管道上常选用三元乙丙橡胶、或丁基类橡胶(或丁基类复合橡胶)，若用在化工管道上，一般选用聚四氟乙烯橡胶，或其它耐蚀橡胶，也可在其内加入增强的纤维织网来增加强度。
上述气料咀5用橡胶局部增厚增强接口处强度，并装有带螺纹的微型金属接口。即可作排气用，又可作充填物料用。
上述充填物料可采用固化型树脂、聚乙烯、水泥、沙浆、乳胶、水玻璃和粘土类混合物。或其内加入增强纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、岩棉类纤维。充填物料须具备易流动、易固化等特点，不能采用瞬间固化的产品，固化须有一定时间，须保证有充足操作时间，保证高压充填于未固化前。
上述工作密封圈4截面形状与连接结构内密封槽形状相配合，一般为圆形、椭圆形、长方形、正方形、异形(见
图12)或枕形(图13)。
一种大口径管道柔性连接结构，其特征是A.被连管道的一端口为单承插口1，其内孔段内有环形内凹槽1.1，另一被连管道为配管2，其端口表面设有环形外凹槽2.1，配管2插入在单承插口1内，环形内、外凹槽相配合，由此形成密封槽3；B.密封槽3中装有与密封槽截面形状相配合的上述各种工作密封圈4；C.在内、外凹槽处有气料咀的伸出空间6或伸出孔6.1。
一种大口径管道柔性连接结构，其特征是A.被连两管道均为配管2，其两端口表面均有环形外凹槽2.1，两配管2均插入在外部一个双承插接头7内，其两承插口内孔段内各有一个环形内凹槽7.1，环形内、外凹槽相配合，形成密封槽3。
B.密封槽3中装有与密封槽截面形状相配合的上述各种工作密封圈4；C.在内、外凹槽处有气料咀的伸出空间6或伸出孔6.1。
大口径管道柔性连接结构的制作方法，其特征是该方法包括如下步骤1)选用上述中空橡胶密封圈4.1，通过气料咀5抽真空，使其截面形状变为扁条形或椭圆形，成为橡胶密封圈4.1B；然后再装于内凹槽1.1或7.1内；2)将气料咀放于伸出空间6或从伸出孔6.1引出；然后将配管2插入单承插口1或双承插接头7内，并使环形内、外凹槽相配合，形成密封槽3；3)通过气料咀对橡胶密封圈4.1B进行高压注射充填物料4.2；注射压力为使用水压的1.5～2.5倍；由此便使橡胶密封圈在密封槽内充填，形成与密封槽3截面形状相配合的工作密封圈4；充填完成后再密封气料咀。
上述密封结构的参数可如下选择1)2t2≤h1，其中t2为橡胶密封圈4.1B的壁厚，h1为内凹槽1.1或7.1的深度；2)Φ1＝(1.2～1.6)d+Dw，其中Φ1为内凹槽1.1或7.1的最大内径，也是中空橡胶密封圈4.1的外径；d为中空橡胶密封圈4.1在充气成形后截面直径；Dw为配管2外径；3)h0＝(0.6～0.8)d，其中h0为密封槽3的高度；4)S0≈丌d2/4其中S0为密封槽3的面积。
本发明的有益效果i.本柔性连接结构及方法首先能满足管道使用的密封压力；同时满足管道连接后有一定的曲挠度，按日本自来水协会规定，曲挠角应在2.2度以上便能满足恶劣环境下的需要。由此柔性连接结构解决了现有刚性连接在地陷时的漏水问题。ii.设计了环形内、外凹槽，形成的密封槽内装大小相近的内胀后成型密封圈，便实现了“限位式密封”结构，若选h1+h2＝(0.6～0.8)d，S0≈丌d2/4，便成为大口径柔性管道的“限位式密封”，与一般的密封结构相比，密封圈在槽内不过度压缩或欠压缩，由此可大大延长密封圈使用寿命。iii.本发明的装配方法是用空心橡胶密封圈抽真空后放入内凹槽内后，再将配管插入和充填物料，形成与槽形相近带弹性的工作密封圈，此方法不仅可实现“限位式密封”，且避免了现有常规的将带密封圈的配管直接插入的方式所带来的费力又损伤密封橡胶的弊端，尤其是带大口径密封圈的配管是难以实现直接插入的。若参数选择2t2≤h1则配管可更轻松插入承插口。iv.从密封圈形式看，属于内胀式密封，从密封的压力等级看，当充填压力达到2.5MPa时，管道端口的极限密封力也可达到2.5MPa，从而管道可在≤1MPa的压力下长期使用。从两管道间的关系看，相当于契子型的柔性密封元件把两支大口径管道连接在一起，并满足了所需的拔脱力，尤其工作密封圈截面形状为长方形、正方形、异形或枕形，防拔脱能力更强。从柔性度来看，壁厚最厚达22mm的中空橡胶密封圈连接两种管道时，完全可以满足柔性连接空间角在2.2°～5°的曲挠度。因此这种连接方式非常适合地震多发带和地基极差的地区的使用。
图1实施例1连接结构2实施例2连接结构3实施例1连接结构用于弯头管件图4实施例1连接结构用于三通管件图5图1～图4中局部放大图A图6空心橡胶密封圈4.1图示(截面形状为圆形的O型空心橡胶密封圈)图7实施例1配管2插入前，带有空心橡胶密封圈4.1B的连接结构8空心橡胶密封圈4.1图示(截面形状为椭圆形)图9实施例3配管2插入前，带有空心橡胶密封圈4.1B的连接结构10实施例3连接结构11实施例4连接结构12工作密封圈4的异形截面形状13工作密封圈4的枕形截面形状图具体实施例方式实施例1图1、图3、图4、图5、图6、图7。
本实施例1大口径管道柔性内胀式密封圈如下构成见图6，大口径球墨铸铁管管道柔性内胀式密封圈，在没有装入连接结构之前，在气压为4kg/cm2充气，截面形状为圆形，即为O型中空橡胶密封圈4.1，材料为三元乙丙橡胶。当管道管径在Φ63.5-Φ3000范围，壁厚t2选择为1～20mm。在O型中空橡胶密封圈4.1侧壁上开有两个气料咀5，采用橡胶局部增厚以增强接口处强度和装有带螺纹的微型金属接口，一个用于排气(抽真空)，一个用于充填物料。见图1，O型中空橡胶密封圈4.1在放入连接结构装配完之后，它是在密封圈壁上开有两个气料咀5的外部为中空橡胶密封圈，中空腔内为充填物料4.2的工作密封圈4，充填的物料为固化型树脂。工作密封圈在槽内形成的截面形状为与密封槽截面形状相同的矩形。
本实施例1大口径管道柔性连接结构如下构成见图7，大口径球墨铸铁管，一个被连管道端口为单承插口1，其内有环形内凹槽1.1，另一个被连管道为配管2，其端口处开设环形外凹槽2.1。见图1，配管2插入在单承插口1内，且外凹槽2.1和外凹槽1.1配合装配为矩形密封槽3，其内装有上述矩形工作密封圈4。工作密封圈4的详细结构上面已描述，这里不再重复。见图5，在内、外凹槽间留有气料咀伸出空间6。
图3为实施例1连接结构用于大口径管道管件弯头，其单承插口为1a，配管为2a，一共两个连接接口。图4为实施例1连接结构用于大口径管道管件三通，其单承插口为1b，配管为2b，一共三个连接接口。
本实施例1的大口径柔性管道连接结构的制作方法如下见图1、图6、图7，包括如下步骤i.选用三元乙丙橡制作的O型中空橡胶密封圈4.1作原料(见图6)，通过气料咀5抽真空后，截面形状变为扁条形或椭圆形，成为橡胶密封圈4.1B，再装于环形内凹槽1.1内(见图7)。ii.将气料咀5装入伸出空间6(见图5、图7)，将配管2插入单承插口1内沿见图7中k方向插入，并使环形外凹槽2.1和内凹槽1.1相配合，形成矩形密封槽3(见图1)。iii.通过带螺纹的微型金属接口气料咀5进行高压注射充填物料固化型树脂4.2，使用带止回阀的高压注射枪注射，注射压力为使用水压的2.5倍；由此便使橡胶密封圈4.1B在密封槽内充填，形成与密封槽截面相同的矩形工作密封圈4(见图1)；在插管和高压注射充填完毕，用充填的固化型树脂4.2和石粉调和混合物密封气料咀5。
为了更好完成上述方法和获得优化密封性能，密封结构的参数如下选择1)为了轻松插入配管，取2t2≤h1，并取h1＝h2＝h0/2。式中h2为外凹槽2.1的槽深。为了实现限位密封采用2)Φ1＝1.4d+DW，3)h0＝0.7d，4)S0＝丌d2/4。
上式中的其它符号与说明书第2页说明相同。t2见图6、图8；d见图6；Φ1、Dw、h1、h2、h0见图1。
实施例2见图2，这种大口径管道柔性连接结构如下构成1)被连两管道均为配管2，其两端口表面均有环形外凹槽2.1，两配管均插入在外部的一个双承插接头7内，其两承插口内孔段内各有一个环形内凹槽7.1，环形外凹槽2.1和环形外凹槽7.1相配合，形成两个矩形工作密封槽3。本柔性连接结构的连接方法，与实施例1唯一不相同的是‘两个配管2分别从两个方向插入一个双承插接头7的两个承插口内’用此替代实施例1内‘将配管2从K方向插入单承插口1内’即可。其余的大口径管道柔性内胀式密封圈的结构、柔性连接结构和制作方法与实施例1完全相同。
实施例3见图9、图10本实施例3与实施例1相比不同之处如下i.用于大口径不锈钢管道的柔性连接结构。ii.气料咀5从内凹槽处的伸出孔6.1穿出，该孔孔径一般约为4mm。iii.内凹槽1.1和外凹槽2.1外边缘口长度X大于零，设计按需要留出一定长度。其余的与实施例1完全相同。
实施例4见图11、图8实施例4与实施例1相比不同之处如下i.用于大口径不锈钢管道的柔性连接结构。ii.气料咀5从内凹槽处的伸出孔6.1穿出，该孔孔径一般约为4mm。iii.内凹槽1.1和外凹槽2.1外边缘口长度X大于零，设计按需要留出一定长度。iv.中空橡胶密封圈4.1在充气后截面形状为椭圆形(见图8)。v.密封槽3截面形状也为椭圆形，组成密封槽的内凹槽1.1和外凹槽2.1均为半椭圆形。其余部分内容与实施例1全部相同。
权利要求
1.大口径管道柔性内胀式密封圈，其特征是该密封圈在没有装入连接结构之前，它是不充填状态的中空橡胶密封圈(4.1)，且在密封圈壁上开有1个或以上气料咀(5)；在装入连接结构内装配之后，它是在密封圈壁上开有1个或以上气料咀(5)的外部为中空橡胶密封圈、中空腔内为充填物料(4.2)的工作密封圈(4)。
2.按权利要求1所述密封圈，其特征是上述中空橡胶密封圈(4.1)，在气压为2～6kg/cm2充气，截面形状为圆形、椭圆形；管道管径在Φ63.5-Φ3000范围，壁厚t2选择为1～20mm；中空橡胶密封圈(4.1)采用三元乙丙橡胶、丁基类橡胶或聚四氟乙烯橡胶制作；或在其内加入增强的纤维织网。
3.按权利要求1所述密封圈，其特征是所述气料咀(5)处采用橡胶局部增厚和装有带螺纹的微型金属接口。
4.按权利要求1所述密封圈，其特征是所述充填物料(4.2)为固化型树脂、聚乙烯、水泥、沙浆、乳胶、水玻璃和粘土类混合物；或其内加入增强纤维材料。
5.按权利要求1所述密封圈，其特征是所述工作密封圈(4)的截面形状为与连接结构密封槽形状相配合的圆形、椭圆形、长方形、正方形、异形或枕形。
6.大口径管道柔性连接结构，其特征是A.被连管道的一端口为单承插口(1)，其内孔段内有环形内凹槽(1.1)，另一被连管道为配管(2)，其端口表面设有环形外凹槽(2.1)，配管插入在单承插口内，环形内、外凹槽相配合，由此形成密封槽(3)；B.密封槽(3)内装有权利要求1、2、3、4或5所述的工作密封圈(4)；C.在内、外凹槽处有气料咀的伸出空间(6)或伸出孔(6.1)。
7.大口径管道柔性连接结构，其特征是A.被连两管道均为配管(2)，其两端口表面均有环形外凹槽(2.1)，两配管均插入在外部一个双承插接头(7)内，其两承插口内孔段内各有一个环形内凹槽(7.1)，环形内、外凹槽相配合，形成两个密封槽(3)；B.两个密封槽(3)中装有权利要求1、2、3、4或5所述的工作密封圈(4)；C.在内、外凹槽处有气料咀的伸出空间(6)或伸出孔(6.1)。
8.按权利要求6和7所述的大口径管道柔性连接结构的制作方法，其特征是该方法包括如下步骤1)选用权利要求1或2中所述中空橡胶密封圈(4.1)，通过气料咀(5)抽真空后，放于内凹槽(1.1)或(7.1)内，使其截面形状变为扁条形或椭圆形，成为橡胶密封圈(4.1B)；2)将气料咀装于伸出空间(6)或伸出孔(6.1)，将配管(2)插入单承插口(1)或双承插接头(7)内，并使环形内、外凹槽相配合，形成密封槽(3)；3)通过气料咀(5)对橡胶密封圈(4.1B)进行高压注射充填物料(4.2)；注射压力为使用水压的1.5～2.5倍；由此便使橡胶密封圈在密封槽内充填，形成与密封槽(3)截面形状相配合的工作密封圈(4)；充填完成后再密封气料咀。
9.按权利要求8所述的制作方法，其特征是密封结构的参数如下选择1)2t2≤h1，2)Φ1＝(1.2～1.6)d+Dw，3)h0＝(0.6～0.8)d，4)S0≈πd2/4。
10.按权利要求9所述的制作方法，其特征是Φ1＝1.4d+Dw，h0＝0.7d，S0＝πd2/4。
全文摘要
大口径管道柔性内胀式密封圈及连接结构和方法。工作密封圈用侧面装有气料嘴的中空橡胶密封圈内充填物料而形成。连接结构为有外凹槽的配管插入有内凹槽的单承插口而成；或均有外凹槽的两配管插入一个双承插接头内，均形成密封槽，槽内装工作密封圈。连接方法是将带气料嘴的中空橡胶密封圈抽真空后，装于外凹槽内再插入配管后，再通过气料嘴进行高压注射充填物料而形成密封圈。为此不仅形成“限位密封”，满足密封压力、可靠性高、寿命长；且配管插入轻松方便，形成满足曲挠度的柔性接口。解决了现有大口径管道刚性接口地陷时的漏水问题。可用于压力1.6MPa以下大口径球墨铸铁管、不锈钢管、水泥管等，特别是地震多发带和地基极差地区使用。
文档编号F16L17/00GK1948809SQ20061002221
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月6日 优先权日2006年11月6日
发明者廖仲力 申请人:廖仲力