一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件的制作方法
【专利摘要】一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，包括具有第一密封面的第一法兰，及具有第二密封面的第二法兰，第一、第二密封面之间设置有密封垫片，第一法兰、密封垫片和第二法兰在紧固件的作用下紧密贴合，本申请的法兰组件中的第一法兰、第二法兰及设置于法兰组件内侧的密封垫片的独特结构，使得密封垫片的密封面被压紧后能反作用施加给法兰密封面一种贴紧力，在力学行为上表现为回弹性能的提高，从而取得优良的密封性能，密封系统松弛后，密封垫片有足够的回弹继续保持与法兰密封面的紧密贴合，除此之外，本申请的法兰组件比其他结构更适用于大型结构在高温高压及其波动工况下的动态密封，同时能够作为产品整体销售，便于市场上大面积的推广。
【专利说明】-种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件
【技术领域】
[0001] 本申请涉及用于石油炼制与化工、煤化工、化肥工业、及其它各种化工、空调、空 冷、电力设施的承压设备（例如：锅炉、压力容器、换热器、压力管道、储气瓶等）开口连接的 密封技术，特别涉及一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件。
【背景技术】
[0002] 现有的承压设备开口连接的密封垫片中，环形平垫是应用最为广泛的一种，其结 构种类也很多，包括有橡胶垫、石棉垫、金属平垫、铁包垫、缠绕垫、波齿石墨复合垫等结构。
[0003] 现有配对法兰环形平垫密封副技术中典型的结构如图1所示，每个法兰一般是由 法兰盘11、安装螺栓螺母紧固件的螺栓孔12、颈部13、与承压壳体对接的端部坡口 14、环形 平垫15和圆环形平面的密封面16组成，环形平垫15上开设有螺栓穿过的螺栓穿过孔。螺 栓穿过上下两个法兰的螺栓孔12,螺栓端部上紧螺母，使两个法兰的密封面16相互靠近， 压紧环形垫片15,使法兰内部压力p的介质无法从虚线箭头方向通过环形垫片及其与法兰 之间的密封面流窜到法兰外部。
[0004] 该类传统结构普遍存在的实际问题是，当使配对法兰内部介质的压力P、温度T升 高或波动时，较高的压力在法兰的两端产生实线箭头所示的拉力F，较高的温度使螺栓受热 膨胀伸长，密封系统松弛，环形垫片15没有足够的回弹继续保持与法兰密封面16的紧密贴 合，高温高压介质通过密封面流窜到法兰外部，引发爆炸燃烧事故。由此可见，承压设备开 口连接的密封技术成为整台设备的关键。
[0005] 从技术层面分析，配对法兰内部介质泄漏的根本原因是：在密封系统松弛后，环形 垫片15没有足够的回弹继续保持与法兰密封面的紧密贴合，同时配对法兰的密封面从法 兰中心孔位置一直延伸至法兰的外端缘，其中需要跨过螺栓，该密封面从内到外贯穿不便 于法兰内部的自紧密封。
[0006] 特别是大型装置大修期间，结构简单、零件少的法兰组件能缩短一天检修时间都 能产生显著的经济效益。随着装置的大型化、环境保护意识的增强，油品质量的提升需要采 取更高温高压下的工艺，装置中起缓冲和储备作用的压力容器减少，反应器和换热器等核 心设备的操作难度增大，经常直接受到流体介质压力和温度的波动冲击，原有的设备开口 密封结构难以适应新形势的工艺和管理要求，因此，研发一种能够应用于高温高压及其波 动工况的，且密封可靠性好、结构简单，适合市场整体推广销售的法兰组件，在工程技术领 域具有极为深远和重大的意义。
【发明内容】
[0007] 本申请的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种结构简单、密封可靠性 好，且能够成为产品整体出售并具有通用性的能够应用于高温高压及其波动工况的法兰组 件。
[0008] 本申请的目的通过以下技术方案实现： 提供了一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，包括具有第一密封面的第一法 兰，以及具有第二密封面的第二法兰，所述第一密封面和所述第二密封面之间设置有密封 垫片，所述第一法兰、所述密封垫片和所述第二法兰在紧固件的作用下紧密贴合，其中：所 述第一法兰包括自所述第一法兰的法兰盘的内表面向外凸出的外凸台阶，所述外凸台阶由 依次相接的第一外凸环面、第一环形平面以及第二外凸环面组成，所述第一外凸环面和所 述第二外凸环面平行设置、且所述第一外凸环面和所述第二外凸环面均与所述第一环形平 面垂直设置；所述第二法兰包括自所述第二法兰的法兰盘的内表面向内凹进的内凹台阶， 所述内凹台阶包括由依次相接的第一内凹环面和第二环形平面组成，所述第一内凹环面和 所述第二环形平面垂直设置；所述外凸台阶的台阶面的宽度小于所述内凹台阶的台阶面的 宽度，所述外凸台阶和所述内凹台阶之间留有间隙；所述第一环形平面为所述第一法兰的 第一密封面，所述第二环形平面为所述第二法兰的第二密封面；所述密封垫片包括垫片本 体，所述垫片本体为由环形基体和设置于所述环形基体的外表面的凹槽的填料层组成的呈 碟形斜面密封面的垫片本体，所述环形基体的中心孔的截面形状为等腰梯形，所述密封垫 片邻近所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第一环形平面的内缘部，所述密封垫片 远离所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第二环形平面的外缘部。
[0009] 其中：所述碟形斜面密封面的形状包括圆锥形斜面、凸弧形斜面和凹弧形斜面。 [0010] 其中：所述环形基体为由基体单元沿周向旋转形成的封闭结构，所述基体单元的 形状为梯形、矩形和三角形中的任一种。
[0011] 其中：所述环形基体为由单层金属体组成或者为由两层以上金属体密封连接组 成，所述两层以上金属体间相邻的两层金属体在其一端沿通过焊接密封连接，其另一端沿 呈开口结构。
[0012] 其中：所述环形基体的凹槽为齿条形凹槽、弧线形凹槽、矩形凹槽和波纹线形凹槽 中的任一种凹槽或者任几种凹槽的组合。
[0013] 其中：所述环形基体的上端沿和下端沿均倒圆角设置。
[0014] 其中：所述填料层为石墨层、橡胶层、塑料层和粘胶层中的任一种填料层或者任几 种填料层的组合。
[0015] 其中：所述第一内凹环面的高度大于所述第一外凸环面的高度。
[0016] 本申请的有益效果：本申请的法兰组件中的第一法兰、第二法兰及设置于法兰组 件内侧的密封垫片的独特结构，使得密封垫片的密封面被压紧后能反作用施加给法兰密封 面一种贴紧力，在力学行为上表现为回弹性能的提高，从而取得优良的密封性能，密封系统 松弛后，密封垫片有足够的回弹继续保持与法兰密封面的紧密贴合，密封可靠性好，除此之 夕卜，本申请的法兰组件还具有结构简单、装卸简便、有利于密封，比其他结构更适用于大型 结构在高温高压及其波动工况下的动态密封，同时能够作为产品整体销售，便于市场上大 面积的推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 利用附图对本申请作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本申请的任何限 制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得 其它的附图。
[0018] 图1是现有传统技术中的配对法兰的结构示意图。
[0019] 图2是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件的整体对称剖面 结构示意图。
[0020] 图3是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫 片的整体对称剖面结构示意图。
[0021] 图4是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫 片开始被法兰密封面压紧的局部结构示意图。
[0022] 图5是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫 片被法兰密封面压平后的局部结构示意图。
[0023] 图6是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫 片的其一局部结构示意图。
[0024] 图7是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫 片的其一局部结构示意图。
[0025] 图8是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫 片的其一局部结构示意图。
[0026] 图9是本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件中的一种密封垫 片的其一局部结构示意图。
[0027] 在图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9中包括有： 11-法兰盘、12--螺栓孔、13--颈部、14--端部坡口、15--环形平垫、16-- 圆环形平面的密封面； 110--第一法兰、111--第一外凸环面、112--第一环形平面、113-第二外凸环 面、 120--第二法兰、121--第一内凹环面、122--第二环形平面、 200--密封垫片、2--垫片本体、21--环形基体、211--金属体、22--凹槽、 3--填料层、4--密封焊缝、5--碟形斜面密封面、 P--承压设备内介质的压力，F--压力介质作用在法兰端部的力，Q--法兰密封面 施加给密封垫片的力，Μ--密封垫片恢复原形的弹性扭矩，r--圆滑过渡的转角半径。
【具体实施方式】
[0028] 结合以下实施例对本申请作进一步详细描述。需要说明的是图4、图5、图6、图7、 图8和图9中的双点划线代表法兰密封面。所述第一密封面和所述第二密封面中密封面 是指与密封垫片200接触的面，本申请是对于法兰密封面以及设置于法兰内侧的密封垫片 200的改进。
[0029] 本申请的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件的【具体实施方式】，参见图 2和图3所示，包括具有第一密封面的第一法兰110,以及具有第二密封面的第二法兰120， 所述第一密封面和所述第二密封面之间设置有密封垫片200,所述第一法兰110、所述密封 垫片200和所述第二法兰120在紧固件的作用下紧密贴合，本申请的改进之处在于：所述第 一法兰110包括自所述第一法兰110的法兰盘的内表面向外凸出的外凸台阶，所述外凸台 阶由依次相接的第一外凸环面111、第一环形平面112以及第二外凸环面113组成，所述第 一外凸环面111和所述第二外凸环面113平行设置、且所述第一外凸环面111和所述第二 外凸环面113均与所述第一环形平面112垂直设置；所述第二法兰120包括自所述第二法 兰120的法兰盘的内表面向内凹进的内凹台阶，所述内凹台阶包括由依次相接的第一内凹 环面121和第二环形平面122组成，所述第一内凹环面121和所述第二环形平面122垂直 设置；所述外凸台阶的台阶面的宽度小于所述内凹台阶的台阶面的宽度，所述外凸台阶和 所述内凹台阶之间留有间隙；所述第一环形平面112为所述第一法兰110的第一密封面，所 述第二环形平面122为所述第二法兰120的第二密封面；其中：所述第一内凹环面121的高 度大于所述第一外凸环面111的高度。
[0030] 所述密封垫片200包括垫片本体，所述垫片本体为由环形基体和设置于所述环形 基体的外表面的凹槽的填料层组成的呈碟形斜面密封面的垫片本体，所述环形基体的中心 孔的截面形状为等腰梯形，所述密封垫片200邻近所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于 所述第一环形平面112的内缘部，所述密封垫片200远离所述环形基体的中心孔的最高沿 抵接于所述第二环形平面122的外缘部。
[0031] 图3中心线的左侧是法兰密封面刚接触密封垫片200时的示意图，其局部结构参 考图4,图3中心线的右侧是法兰密封面压紧密封垫片200成为平垫后的示意图，其局部结 构参考图5。如图4和图5所示，当法兰密封面与密封垫片200接触后，进一步的配合将施 加给密封垫片200 -个力对Q，这两个压力方向相反且不同轴线，在垫片内转为扭转力，使 密封垫片200产生扭转变形，形成扭矩作用M，直到密封垫片200与法兰密封面紧密贴合。 当密封系统松弛后，密封垫片200具有的反扭变形、恢复原形的趋势，要恢复原来的呈碟形 斜面的结构，从而表现出更高的回弹性，继续保持与法兰密封面的紧密贴合，始终形成有效 的密封。图1所示现有传统技术中的对焊法兰密封副中的环形垫片15是呈平面的密封面。 这种传统的平面密封垫在密封系统松弛后，只有垫片材料本身的回弹性能，弹性有限，而本 申请的呈碟形斜面密封面5的结构除了具有垫片材料本身的回弹性能外，还具有被扭转成 平垫的结构要恢复原形的结构回弹性能，且结构回弹性要大于材料回弹性，从而取得更加 优良的密封性能。该密封垫片200具有结构简单、装卸简便，比其他结构更适用于大型结构 在高温高压及其波动工况下的动态密封。
[0032] 本申请的法兰组件中的第一法兰110、第二法兰120及设置于法兰组件内侧的密 封垫片200的独特结构，使得在第一法兰110的第一密封面和第二法兰120的第二密封面 的作用下，密封垫片200的密封面被压紧后能反作用施加给法兰密封面一种贴紧力，在力 学行为上表现为回弹性能的提高，从而取得优良的密封性能，密封系统松弛后，密封垫片有 足够的回弹继续保持与法兰密封面的紧密贴合，密封可靠性好，除此之外，本申请的法兰组 件还具有结构简单、装卸简便、有利于密封，比其他结构更适用于大型结构在高温高压及其 波动工况下的动态密封，同时能够作为产品整体销售，便于市场上大面积的推广。
[0033] 具体的：所述碟形斜面密封面的形状包括圆锥形斜面、凸弧形斜面和凹弧形斜面。 只要密封垫片200的密封面是碟形斜面的，而其本体结构形状则是多种多样的，关键是这 些密封面能受压扭转变形。在同一碟形斜面的倾角下，密封垫片200越高，其被压平后的扭 转变形就越大，进而反作用于法兰密封面的贴紧力也越大，但是也有限度，密封垫片200受 扭产生的应力不能超出垫片材料的许可应力，以免密封屈服后产生塑性变形，无法回弹。 [0034] 具体的：所述环形基体为由基体单元沿周向旋转形成的封闭结构，所述基体单元 的形状为梯形、矩形和三角形中的任一种。优选，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，其结构更有利于密封垫片200的回弹，通过结构的回弹性要大于 材料本身的回弹性。
[0035] 具体的：所述环形基体为由单层金属体组成或者为由两层以上金属体密封连接组 成，所述两层以上金属体间相邻的两层金属体在其一端沿通过焊接密封连接，其另一端沿 呈开口结构。参见图6所述的环形基体21，其由两层金属体211组成，两层金属体211之 间通过外缘的密封焊缝4相连，两层金属体211之间的内缘没有密封焊缝4,而是开口的结 构，密封焊缝4应焊透，经过渗透检测合格，没有气孔和裂纹等影响密封性的缺陷；或者，如 果两层金属体211之间通过内缘的密封焊缝4相连，则两层金属体211之间的外缘就无需 再密封焊缝4,而应该是开口的结构。参见图7所述的环形基体21，其由三层金属体211组 成，第一层和第二层之间通过外缘的密封焊缝4相连，而第一层和第二层之间的内缘没有 密封焊缝4,而是开口的结构，第二层和第三层之间则通过内缘的密封焊缝相连，而第二层 和第三层之间的外缘没有密封焊缝，而是开口的结构。上述两层以上金属体211间各层金 属体211的厚度相同设置或者不相同设置。
[0036] 具体的：所述环形基体的凹槽为齿条形凹槽、弧线形凹槽、矩形凹槽和波纹线形凹 槽中的任一种凹槽或者任几种凹槽的组合。参考图8所示，环形基体21的外表面设置有矩 形凹槽22,在环形基体21的内外斜面上涂抹上一层填料，视填料的具体成分，还需压紧填 料，使其完全填满环形基体21表面的凹槽22内，并尽量消除里面的空隙。参考图9所示， 环形基体21的外表面设置有环形弧线凹槽22,环形弧线凹槽22内填充填料层3,密封面上 分布有一圈圈的纹路线，机加工密封面中通俗称为水线，在这些纹路上涂抹填料，可增大两 者的贴合面，提高贴紧度。
[0037] 具体的：参考图3所示的圆角半径r，在所述环形基体的上端沿和下端沿均倒圆角 设置。倒圆角的结构使本密封垫片200在被法兰密封面压紧的过程中容易滑动，有利于变 形和回弹，进一步提升其结构本身的回弹性。
[0038] 本申请的密封垫片200应用于法兰里边，其中一侧将要与介质接触，解决的是大 型结构在高温高压及其波动工况下的动态密封问题，不同于现有技术中只用在法兰外表面 的法兰盘上、与大气接触，需要穿进螺栓中、由螺母把它压紧到法兰盘上，去解决螺栓伸长 后的密封松弛问题。
[0039] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保 护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应 当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实 质和范围。
【权利要求】
1. 一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，包括具有第一密封面的第一法兰， 以及具有第二密封面的第二法兰，所述第一密封面和所述第二密封面之间设置有密封垫 片，所述第一法兰、所述密封垫片和所述第二法兰在紧固件的作用下紧密贴合，其特征在 于：所述第一法兰包括自所述第一法兰的法兰盘的内表面向外凸出的外凸台阶，所述外凸 台阶由依次相接的第一外凸环面、第一环形平面以及第二外凸环面组成，所述第一外凸环 面和所述第二外凸环面平行设置、且所述第一外凸环面和所述第二外凸环面均与所述第一 环形平面垂直设置；所述第二法兰包括自所述第二法兰的法兰盘的内表面向内凹进的内凹 台阶，所述内凹台阶包括由依次相接的第一内凹环面和第二环形平面组成，所述第一内凹 环面和所述第二环形平面垂直设置；所述外凸台阶的台阶面的宽度小于所述内凹台阶的台 阶面的宽度，所述外凸台阶和所述内凹台阶之间留有间隙；所述第一环形平面为所述第一 法兰的第一密封面，所述第二环形平面为所述第二法兰的第二密封面；所述密封垫片包括 垫片本体，所述垫片本体为由环形基体和设置于所述环形基体的外表面的凹槽的填料层组 成的呈碟形斜面密封面的垫片本体，所述环形基体的中心孔的截面形状为等腰梯形，所述 密封垫片邻近所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第一环形平面的内缘部，所述密 封垫片远离所述环形基体的中心孔的最高沿抵接于所述第二环形平面的外缘部。
2. 根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在 于：所述碟形斜面密封面的形状包括圆锥形斜面、凸弧形斜面和凹弧形斜面。
3. 根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在 于：所述环形基体为由基体单元沿周向旋转形成的封闭结构，所述基体单元的形状为梯形、 矩形和三角形中的任一种。
4. 根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在 于：所述环形基体为由单层金属体组成或者为由两层以上金属体密封连接组成，所述两层 以上金属体间相邻的两层金属体在其一端沿通过焊接密封连接，其另一端沿呈开口结构。
5. 根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在 于：所述环形基体的凹槽为齿条形凹槽、弧线形凹槽、矩形凹槽和波纹线形凹槽中的任一种 凹槽或者任几种凹槽的组合。
6. 根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在 于：所述环形基体的上端沿和下端沿均倒圆角设置。
7. 根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在 于：所述填料层为石墨层、橡胶层、塑料层和粘胶层中的任一种填料层或者任几种填料层的 组合。
8. 根据权利要求1所述的一种应用于高温高压及其波动工况的法兰组件，其特征在 于：所述第一内凹环面的高度大于所述第一外凸环面的高度。
【文档编号】F16L23/16GK104089119SQ201410380905
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2014年8月5日
【发明者】陈孙艺, 章兰珠 申请人:茂名重力石化机械制造有限公司