专利名称：用于预应力的具有法兰的密封连接的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及预加应力的具有法兰的密封连接设备，所述设备包括
具有第一接触表面的第一法兰；具有第二接触表面的第二法兰，所述第二接触表面面对所述第一接触表面；接收在衬垫壳体中的密封衬垫，所述衬垫壳体形成在所述第一和第二接触表面之间；以及用于将第一
和第二法兰夹在一起的夹紧装置，所述夹紧装置被安置在衬垫壳体和第一和第二法兰的外围之间，以至少使在法兰之间的第一和第二接触表面部分互相接触。
由此本发明适用于可拆开的连接。
背景技术：
本发明涉及"止块夹头(dog-clamp)"型具有法兰的连接，其中在法兰之间存在窄接触表面以获得在衬垫附近的高接触压力，由此提高密封性能同时使衬垫壳体的变形最小化。
图8为轴向半剖视图，其示出了已知的具有法兰的连接设备的例子，所述设备具有对称轴l、分别具有止块夹头型法兰30， 40的两个管道元件IO， 20，所述法兰借助于例如螺栓的连接构件50互相组装。法兰30， 40包括位于相对于衬垫60的里面的接触止块11， 21，所述衬垫置于衬垫壳体70中。法兰30和40的其它表面31， 32以及41，42为分别互相面对且与螺栓50配准，并且在螺栓50紧固之前不接触，在这些互相面对的表面之间留有较小厚度的空置空间。
在操作中，螺栓50紧固之后，在管道10， 20内产生压力场P，在法兰30的表面31， 32以及法兰40的表面41， 42之间的空置空间縮小并且使法兰30的止块11与对应的法兰40的表面21保持接触。
以相似的方式，图9为轴向半剖视图，其示出了与图8相似的已知具有法兰的连接设备的例子，但是该设备具有法兰30， 40，所述法
4兰具有位于相对于衬垫60的外面的接触止块31a， 41a，所述衬垫置于衬垫壳体70中。首先在衬垫60的里面(表面lla， 21a)其次在连接装置50的外面(表面32a， 42a)互相面对的法兰30的其它表面lla，32a以及法兰40的其它表面21a， 42a在螺栓50紧固之前不接触，并且它们限定了较小厚度的空置空间，当螺栓50紧固时所述空间縮小以使位于法兰止块上的表面31a， 41a保持互相接触。
尽管如此，当设计该种"止块夹头"型连接时，经常发生在连接和支承表面之间的局部接触应力变得太大的现象。于是机械余量变为负值。
这是由于止块夹头型法兰的设计导致法兰弯曲。该弯曲的后果就是使在止块上的接触集中到其外围上，并由此使
力集中，使压应力集中。
这种效果的直接后果就是在组装期间和操作时使接触表面塑性形
变，而损害这些表面的质量。
这种表面的塑形形变的结果是当使用时，连接变得松散。用于对抗这种塑性形变和蠕变现象的传统设计为使法兰超尺寸。为了降低过大的局部应力，通常增加接触表面的面积以及法兰的
厚度，以减小对重量和尺寸有损害的弯曲。
发明内容
本发明寻找补救上述缺点的办法并且可以使预加应力的具有法兰的密封连接设备具有改进的质量和寿命而同时降低其成本和尺寸。
根据本发明，可以由预加应力的具有法兰的密封连接设备实现，所述设备包括具有第一接触表面的第一法兰；具有第二接触表面的第二法兰，所述第二接触表面面对所述第一接触表面；接收在衬垫壳体中的密封衬垫，所述衬垫壳体形成在所述第一和第二接触表面之间；以及用于将第一和第二法兰夹在一起的夹紧装置，所述夹紧装置被安置在衬垫壳体和第一和第二法兰的外围之间，以使第一和第二接触表面至少部分互相接触，所述设备其特征在于，第一和第二接触表面具有限定了法兰之间窄接触表面的局部支承区域，所述区域位于密封衬垫的附近并且相对于所述第一和第二接触表面的其它区域的组合构成肩部，所述肩部形成止块，并且，第一和第二接触表面的至少其中之一在所述局部支承区域中具有大致圆锥形的特定形状的表面，使得在紧固装置紧固之前，在局部支承区域中在第一和第二法兰之间的接触被限制到局部支承区域的表面的一小部分上，而在紧固装置紧固之后，所述接触均匀分布到所有局部支承区域。
在有利实施例中，特定形状的表面为圆锥形表面，其可以在紧固装置紧固之后使得互相面对的表面的接触压力均匀，所述表面构成接近理想表面的工业化解决办法。
优选地，局部支承区域的表面的所述一小部分对应于小于或者等于局部支承区域的表面的30%的值。
局部支承区域在相对于密封衬垫的内侧或者外侧构成止块。
在特殊实施例中，设备包括在所述成型支承区域中插入到第一和第二法兰之间的垫片，所述垫片具有特定形状的表面，所述特定形状的表面构成在局部支承区域中限定第一和第二法兰之间接触的所述特定形状的表面。
通过本发明推荐的方法，不必增强或者扩大构成连接设备的部分，并且，仅是在局部支承区域处接触的表面的几何形状就可以减小最大应力水平，并且使形成在法兰上的止块和对应的形成在其它法兰上的支承面之间的接触最优化。
当加工圆锥形表面时，可以以这样的方式使止块夹头型具有法兰的连接设备最优化，即，在施加夹紧力以及由此连接产生变形之后，在止块处即在局部支承区域中的接触变成几乎是完美的。因此，与现有技术设备相反，局部力的集中以及机械应力集中被消除。
通过以这种方法改进在局部支承区域的整个接触表面上的应力分布，可以使接触表面更小，这使连接的总体尺寸更小，对于止块在衬垫内侧的法兰，止块的宽度减少也可以使衬垫的直径减小，并且由此
使根状效应(root effect)最小化。这种根状效应的减小使得对紧固需求的减少并且因此减少螺钉的数量。
本发明还可以减小法兰的厚度，因为法兰的变形不再成为问题。本发明通过消除应力的集中，当紧固连接的操作时可以限制由于 塑性形变的损耗，并且由此改进密封性。
本发明还可以避免表面的恶化并且提高组件的寿命。
总之，本发明可以达到节省重量，提高机械余量和密封性的目的。
将参考附图对特定实施例进行描述，从而解释本发明的其它特征 和优点，其中
图1和图2分别为在提供预应力的螺栓紧固之前和之后，根据本 发明的预应力的具有法兰的密封连接设备的第一个例子的轴向半剖视 图3和图4分别为在提供预应力的螺栓紧固之前和之后，根据本 发明的预应力的具有法兰的密封连接设备的第二个例子的轴向半剖视 图5为根据本发明的密封连接设备在压力流体容器中应用的轴向 半剖视图6为图5的密封连接设备的详细视图7为适合于在例如图4和图5中所示的密封连接设备中应用的 垫片的轴向剖视图；并且
图8和图9为已知的止块夹头型具有法兰的密封连接设备的两个 例子的轴向半剖视图，该两个例子分别被构造成具有位于相对于密封 衬垫的内侧的止块以及被构造成具有位于相对于密封衬垫的外侧的止 块。
具体实施例方式
参考图1和图2对根据本发明的可释放的预应力的具有法兰的密 封连接设备9的第一个实施例进行描述。
在该实施例中，关于回转轴101的管道或者容器区段110， 120分 别连接至环形法兰130和140。法兰130和140具有例如螺栓、螺钉、 柱螺栓或者类似物件的连接元件150，所述连接元件通过法兰并且用于在法兰130和140上施加预应力。
图1示出了在连接元件150紧固之前的连接设备，而图2示出了 在所述连接元件150紧固之后的连接设备。
在图1中，顶部法兰130的底面131， 132在连接元件150附近为 没有任何縮进部分的连续表面(除了用于使连接元件150通过的开 口)，所述底面基本上相对于旋转轴101横向延伸。
顶部法兰130的底面131， 132在内侧连接到管道区段110的具有 底面111的部分，在螺栓150 (图1)紧固之前，所述底面111在区域 Zl中相对于与轴101垂直的方向形成a角。
在连接元件150附近，底部法兰140的顶面141， 142具有基本上 相对于回转轴101横向延伸的连续表面。在螺栓150紧固之前，法兰 140的面141, 142与法兰130的面131, 132隔开微小距离E。
然而法兰140的顶面141， 142具有縮进部分143，其用于与法兰 130的面132的一部分以及管道区段110配合形成壳体170，衬垫160 位于所述壳体中。
縮进部分143以肩部形式延伸并且向内在区域Zl中限定表面 121，在螺栓150紧固之前，所述表面121与所面对的圆锥形表面111 形成a角，因此表面121仅在局部支承区域Zl的表面的一小部分上 与表面lll接触，所述区域Z1延伸距离C (图1)。
在第一个可能的实施例中，表面121与轴101垂直，并且表面111 为圆锥形表面。在另一个可能的实施例中，表面111与轴101垂直， 表面121为圆锥形表面。
如图2中所示，在螺栓150紧固之后，在顶部法兰130的底面131， 132和底部法兰140的顶面141， 142之间的距离F减小到小于初始距 离E的值。
在法兰130的止块(其对应于局部支承区域Z1)处，可以看到管 道区段110的底面111与管道区段120的面121均匀接触。因此，在 螺栓150紧固之后，所述接触在整个局部支承区域Zl上均匀分布， 所述区域在图l和图2的实施例中位于相对于点160的内侧的止块处。
应当注意到，在本描述中使用的术语"底"和"顶"是为了当提
8到在图中的法兰的位置时的方便，但是具有法兰的连接可以容易地具 有相对于竖直的任何位置。
在本发明中，即使由于夹紧力导致止块法兰连接产生变形，但是 还是可以在止块法兰连接上获得接近完美的止块/法兰接触(在区域
Zl中)。
在这种情况中，不存在局部的力的集中和机械应力的集中。因此 接触压力可以被看做平均压力，其仅由力和接触表面的面积而定，因 此易于计算。
在组装的开始，作为面111相对于面121的斜度的结果，当还没 有施加夹紧力时，因为零件没有变形，法兰/止块的接触表面(在区域 Zl中)具有很少的接触面积。
如果组件的零件变形，在局部支承区域Zl中的负载容量随着夹 紧力的增加而增长。计算这些部件的变形从而一旦夹紧力完全施加(图 2)，在区域Z1中的接触面积达到最大。
因此本发明可以保留"止块夹头"型具有法兰的连接的所有优点， 即在密封衬垫附近的局部支承区域Zl中存在在法兰之间的窄接触表 面，所述区域相对于接触表面的所有其他区域形成肩部，以在衬垫附 近获得高接触压力，并且通过使衬垫壳体变形最小化增加密封性，而 不具备现有技术的缺陷(由于力的过度集中造成的或者由于为了降低 弯曲对质量和尺寸带来的损害而需要增加接触面积以及法兰厚度而造 成的在组装或者操作中产生的接触状况的恶化)。
在本发明中，作为在局部支承区域Zl中的互相面对的表面的初 始形状的结果，零件的变形有助于接触应力的良好分布。
使用有限元计算对角a和在表面111和121之间的初始接触面积 的限定进行优化，以使当部件由于紧固而变形时在零件之间的接触最 佳化。角a优选为在1°和10°范围内。
在紧固结束时，接触压力可以被看做平均压力，其仅由力和接触 表面的面积而定，因此易于计算。
可以通过对若干用于止块的不同的圆锥形包络表面进行建模并结 合考虑了螺钉夹紧力的迭代或者参数的逐次逼近法来得到表面111和124的特征。
可以通过分析从各种计算所得到的接触压力场而推导出要使用的 初始最佳形状。
作为例子，为了用于热气发生器(hot gas generator)和固定发动 机的涡轮机输入线之间的连接，连接被制造为包括如图l和图2所示 的构造中的第一止块。
在这个例子中，对于由Inconel合金625制成的法兰，传统止块的 塑性形变应力超过材料的弹性极限(360兆帕(MPa)的弹性极限) 的部分大约为传统止块(例如图8中所示的止块)的三分之一。相反， 如图1中所示，通过将止块加工成圆锥形，可以得到几乎均匀分布的 应力以及低于弹性极限的最大塑性形变应力(340MPa)。
关于在上述例子中的最大局部应力，在最大应力从581MPa到 340MPa的情况下，止块的圆锥形加工(表面111)还具有积极的效果。
根据本发明的最优化状态提高了连接的机械余量(margins),从 而能够减轻重量，由于可以使用传统车削技术制造圆锥形表面，所以 得到所述最优化状态并不需要任何额外的生产成本。
图3和图4示出了根据本发明的变型实施例，其适用于这样类型 的止块夹头型的具有法兰的连接，在所述连接中，止块以及局部支承 区域Zll位于衬垫160的外侧。
在图3和图4中，与图1和图2中所示相似的元件采用相同的标 号。因此可以看到两个管道区段110， 120与法兰130， 140装备在一 起，所述法兰由连接元件150组装，并且密封性由置于壳体170中的 衬垫160保证。
在图3中，该图对应于螺栓150被紧固之前的情况，顶部法兰130 的底面的部分llla， 132a， 131a对应于图1的法兰130的底面的部分 111， 132， 131，并且底部法兰140的顶面的部分121a， 143， 142a， 141a对应于图1的法兰140的顶面的部分121， 143， 142， 141。
然而，在图3中所示的实施例中，管道区段110， 120的面llla 和121a位于相对于衬垫160的内侧，所述面均垂直于轴101并且相互 限定厚度为e的空置空间。相反，在图3中所示的实施例中，局部支承区域Zll与插入到衬
垫壳体170和连接元件150之间的表面132a， 142a—样高。表面132a 为圆锥形并且形成角a ，所述角优选为相对于法兰140的表面142a在 1°到10°范围内，所述表面142a垂直于轴101。在螺栓150紧固之 前，圆锥形表面132a仅在区域Z11的表面的一小部分上与局部支承区 域Zll的表面142a接触。对于图3，位于连接元件150的外侧的顶部 法兰130的底面131a以及底部法兰140的顶面141a，具有厚度为E 的间隔。可选地，表面131a为圆锥形表面132a的延长。
在螺栓150紧固之后(图4)，在顶部法兰130的底面131a和和 底部法兰140的顶面141a之间的距离具有值F，其小于图3的初始距 离值E。
在局部支承区域Z11中，在螺栓150紧固之后，顶部法兰130的 底面132a与底部法兰140的顶面142a均匀接触。因此，接触均匀分 布在整个局部支承区域Zll上，所述区域在图3和图4的实施例中位 于相对于衬垫160的外侧止块处。
对于图3和图4中的实施例，和在图1和图2中的实施例中一样， 通过使用有限元计算对角a以及在表面132a， 142a之间的初始接触面 积的限定进行优化，当通过紧固使部件开始变形时，使得零件的接触 最优化。
图5和图6示出了本发明用于储罐的壁220和盖230之间的具有 法兰的连接的例子，所述储罐适于容纳流体，例如氢。如图5中所示， 在这种情况中，储罐220包括与盖230的外围部分配合的法兰240， 并且所述法兰通过柱螺栓250与盖组装。
图6更详细的示出了法兰240和盖230在置于壳体270中的衬垫 260附近互相配合的部分。法兰240的壁242面对盖230的壁232，并 且具有微小厚度的空置空间，而局部支承区域Zll正好位于衬垫260 的外侧，所述区域由面对法兰240和盖230的表面241， 231限定。
然而，与图3和图4中不同，在表面241和231之间的互相配合 并不是直接的，因此他们可以为平行的并且不发散的。在图5和图6 中所示的实施例中，垫片290被插入到限定局部支承区域Z11的表面231和241之间。
如图7中所示，垫片290包括用于与面231， 241的其中一个配合 的平面291以及用于与面231， 241中的另一个配合的圆锥形面292。
圆锥形面292相对于平面291倾斜ct角。
如图7中所示，环形垫片290具有外径D2，内径D1 (孔293)， 在内径Dl的内部部分处的厚度ei以及在外径D2的外部部分处小于 et的厚度e2。
垫片290的圆锥形表面292与图3的圆锥形表面132a或者图1的 圆锥形表面111具有相同的作用。
垫片的圆锥形加工可以解决如果平垫片为均匀厚度时垫片和支承 表面的塑性形变问题。
作为例子，对于由不锈钢(例如304L不锈钢)制成的垫片290， 弹性极限为180MPa。垫片可以按尺寸加工到150MPa (对应于每个柱 螺栓250九H"^ —吨的夹紧力)。
对于均匀厚度的平垫片(尺寸为上面指出的例如e:14毫米(mm)， D产542mm， D2=646mm)，不管在组装期间还是操作期间，应力场集 中在垫片的外围部分最接近的附近，并且在组装期间达到大体上大于 180MPa的弹性极限的值。这些应力主要是因为盖在紧固效果下的变 形以及边缘效应。
同样地，如果储罐由具有255MPa弹性极限的A48H合金制成， 应当注意恒定厚度e的垫片290的施加导致在储罐的法兰与垫片接触 的部分上压应力可以达到285MPa。
相反的，利用构成图7的"成型"垫片290，例如在垫片的外围 处具有厚度e^l.25mm并且在内部开口 293处具有厚度e「1.4mm，应 当注意应力的分布是平衡的。
另外，利用成型垫片290，与垫片接触的储罐的面的应力分布也 更加均匀，并且可以减小应力和避免表面留下印记。由此上述例子所 述的最大塑性形变应力285MPa可以减小到120MPa。
本发明还适用于"两个止块"型具有法兰的连接，所述连接包括 尺寸减小并且在表面131, 141 (图1和图2)之间或者表面131a， 141a
12之间充当附加配合的止块，所述止块在与衬垫160隔开的区域中，并 且相对于第一主止块在紧固装置的另一侧。
权利要求
1.一种预应力的具有法兰的密封连接设备，所述设备包括具有第一接触表面(111，131，132)的第一法兰(130；230)；具有第二接触表面(121，141，142)的第二法兰(140；240)，所述第二接触表面面对所述第一接触表面(111，131，132)；接收在衬垫壳体(170；270)中的密封衬垫(160；260)，所述衬垫壳体形成在所述第一和第二接触表面之间；以及用于将所述第一和第二法兰(130，140；230，240)夹在一起的夹紧装置(150；250)，所述夹紧装置被安置在所述衬垫壳体(170；270)和所述第一和第二法兰(130，140；230，240)的外围之间，以至少使所述第一和第二接触表面部分互相接触；所述设备其特征在于，所述第一和第二接触表面具有限定了所述法兰之间窄接触表面的局部支承区域(Z1，Z11)，所述区域位于所述密封衬垫(160；260)的附近并且相对于所述第一和第二接触表面(131，132，141，142；111a，131，121a；，141)的其它区域的组合构成肩部，所述肩部形成止块，并且，所述第一和第二接触表面的至少其中之一(111；132a；121；142a；292)在所述局部支承区域(Z1，Z11)中具有大致圆锥形的特定形状的表面，使得在所述紧固装置(150；250)紧固之前，在所述局部支承区域(Z1，Z11)中所述第一和第二法兰(130，140；230，240)之间的接触被限制到所述局部支承区域(Z1，Z11)的所述表面的一部分上，而在所述紧固装置(150；250)紧固之后，所述接触均匀分布到所有所述局部支承区域(Z1，Z11)。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述局部支承区域 (Zl， Zll)的所述表面的所述一部分对应于小于或者等于所述局部支承区域(Zl， Zll)的所述表面的30%的值。
3. 根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述局部支承 区域(Zl， Zll)在相对于所述密封衬垫(160; 260)的内侧构成止 块。
4. 根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述局部支承 区域(Zl， Zll)在相对于所述密封衬垫(160; 260)的外侧构成止 块。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述 设备包括在所述局部支承区域(Zl)中插入到所述第一和第二法兰(230， 240)之间的垫片(290)，所述垫片具有特定形状的表面(292)， 所述特定形状的表面构成了在所述局部支承区域(Zl)中限定所述第 一和第二法兰(230， 240)之间的接触的所述特定形状的表面。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述 紧固装置(150， 250)包括垂直于所述第一和第二法兰(130; 140; 230， 240)布置的紧固元件的组合。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，所述 设备适用于容纳压力流体的管道或者壳体。
全文摘要
预应力的具有法兰的密封连接设备包括具有第一接触表面(111)的第一法兰(130)；具有面对第一接触表面的第二接触表面(121)的第二法兰(140)；接收在形成于第一和第二接触表面之间的衬垫壳体(170)中的密封衬垫(160)；及将第一和第二法兰(130，140)夹在一起的夹紧装置(150)。第一和第二接触表面具有形成位于密封衬垫(160)附近的止块的局部支承区域(Z1)。第一和第二接触表面的至少其中之一(111)在局部支承区域(Z1)中具有例如圆锥形的特定形状表面，使得紧固元件(150)紧固前，在局部支承区域(Z1)中第一和第二法兰(130，140)之间的接触被限制到局部支承区域(Z1)表面的一小部分上，紧固元件(150；250)紧固后，接触均匀分布到所有局部支承区域(Z1)。
文档编号F16L23/032GK101680582SQ200880018627
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月4日 优先权日2007年4月5日
发明者C·鲁尔, I·马尼耶 申请人:斯奈克玛公司