高温高压釜及其密封环套件的制作方法

本实用新型涉及机械密封领域，特别涉及一种高温高压釜及其密封环套件。

背景技术：

在进行石油地质研究时，为了认识油气从烃源岩中生成、排驱以及运移介质岩石的成岩演化过程，需要利用高温高压釜进行模拟实验。具体的，由于岩石无机反应和有机质化学反应速率受温度的影响最大，高温可以节省实验时间；加之原油裂解和甲烷高温裂解碳化研究的需要，实验温压条件要求达到700℃，同时流体压力可达到80MPa以上。釜体内外压差非常高、釜体流体产物的相态非常易于泄漏、釜体内各部件更易于变形，这给反应釜的密封提出了新要求。再加上随着模拟地层受静岩压力的研究需求，需要在釜体一端动态地对密封在釜体内的样品施加机械压力，更是让密封难上加难。因此釜体密封的好坏直接决定了实验效率、安全性及实验精度。

然而，现有技术中的釜体所使用的密封部件都存在一定的缺陷，无法完全满足严苛的实验需求。

因此，有必要针对高温高压釜提出一种可靠的密封环套件，以较好地满足高温高压的实验需要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种高温高压釜及其密封环套件，能够较好地保证釜体的密封性，以满足高温高压的实验需求。

本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种密封环套件，包括相配套的密封环和密封施压环；其中，

所述密封环整体呈圆环状，具有相对的第一端面和第二端面，在所述第一端面和第二端面向内分别形成有凹槽；所述凹槽具有光洁度满足预定标准的相对的外侧壁面和内侧壁面，所述凹槽的深度大于所述密封施压环能够潜入的深度；

所述密封施压环整体呈圆环状，其设置有与所述密封环的凹槽相配合的配合部，在所述配合部上形成有与所述外侧壁面配合的第一配合面，及与所述第一配合面相对的用于和所述内侧壁面配合的第二配合面，所述第一配合面与所述外侧壁面配合后能形成至少一道线密封和一道面密封，所述第二配合面与所述内侧壁面配合后能形成多道线密封。

在优选的实施方式中，所述凹槽的深度大于所述密封施压环能够潜入的深度的2毫米至4毫米。

在优选的实施方式中，所述密封环的内侧壁面向内倾斜，其与垂直于所述密封环的轴向的纵面之间形成有第一夹角，所述第一夹角的角度为7度至13度。

在优选的实施方式中，所述内侧壁面的光洁度为9级以上，所述外侧壁面的光洁度为7级以上。

在优选的实施方式中，所述密封施压环的配合部的截面积自内向外逐渐缩小，所述第一配合面与所述第二配合面相交于所述密封施压环的最大外径处。

在优选的实施方式中，所述第二配合面与所述密封施压环的轴向垂直的纵面之间形成有第二夹角，所述第二配合面上形成有多个直角阶梯。

在优选的实施方式中，所述第一夹角为10度时，所述第二夹角为12度。

在优选的实施方式中，所述直角阶梯的个数为3个，所述第二配合面与所述内侧壁面配合后能形成3道至5道线密封。

在优选的实施方式中，所述密封环的材料为杂质总质量分数小于0.1%的紫铜。

一种高温高压釜，包括如上述任一所述的密封环套件。

在优选的实施方式中，还包括样品腔室，所述样品腔室整体呈圆环状，所述样品腔室的外圆环位置设置有与所述密封环的凹槽相配合的配合部；

所述密封环套件包括：第一密封环和第二密封环，以及第一密封施压环第二密封施压环。

在沿着施压压力的作用方向上，所述第一密封施压环、第一密封环、样品腔室、第二密封环以及第二密封施压环依次配合分布。

本实用新型的特点和优点是：本申请提供的密封环套件包括相配套的密封环和密封施压环，使用时，密封环受到密封施压环的挤压，槽形密封环的薄壁和深槽更容易被侧向挤压变形，增加了槽壁的变形量和结合度，在高温情况下甚至还可能发生粘连，大大提高了密封环的变形性能和密封效果；设置有配合部的密封施压件与密封环槽形斜角内壁的配合，可以形成3～5道线密封，适用于样品静岩压力施压柱的反复相对密封环的运动密封；设置有配合部的密封施压件与密封环槽形直角外壁的配合，可以形成至少1到线密封和1道面密封，适用于密封环与釜体静密封；密封环双向槽的设计，进一步增加了密封的效率；进一步的，高纯度铜的材料使用，保证了在高温阶段密封面无杂质晶体析出，免除了微渗漏的可能。

附图说明

图1是本申请实施方式中一种密封环套件中密封环的俯视图；

图2是本申请实施方式中一种密封环套件中密封环的A-A剖视图；

图3是本申请实施方式中一种密封环套件中密封施压环的俯视图；

图4是本申请实施方式中一种密封环套件中密封施压环的D-D剖视图；

图5是本申请实施方式中一种密封环套件的使用示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本实用新型的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型提供一种高温高压釜及其密封环套件，能够较好地保证釜体的密封性，以满足高温高压的实验需求。

决定密封部件效果的关键包括：密封部件的材料、结构设计。从材料上来说，高温高压釜体常用密封件的材料有聚四氟乙烯、石墨、紫铜。从结构上来说，可以利用机械静、动密封的线密封原理，使得釜体构造和施压套件相应匹配。

现有技术中的密封部件存在密封不严的原因在于封环的材料选择和结构上，主要有以下几个方面：

①加工密封环的铜材料不合适。在现有的密封产品一般采用的是铜纯度不高，杂质相对较高的T3型号(杂质总质量分数0.3%，抗拉强度：200MPa，断后伸长率：45％～50％，HBS布氏硬度：35～40)紫铜，质地过硬，在低温阶段受压变形度不高，铜环与周围釜体的线密封效果难以保证。特别是在高温阶段，其紫铜中的杂质会析出和氧化，进一步增大了线密封位置存在点状泄漏点的几率。

②锥形紫铜密封环的锥角度、锥尖厚度过大，导致紫铜环锥尖变形难度大，密封效果差。

③紫铜密封环面光洁度不高，导致接触不严密。

④V形紫铜密封环的V形结构设计不合理。V形设计使紫铜V形侧面面状受力，形成的是面密封，当V形槽浅的情况下仅1道线密封，变形小，密封效果不佳。

请参阅图1至图4，本申请实施方式中提供的一种密封环套件可以包括：相配套的密封环2和密封施压环3。

其中，所述密封环2整体呈圆环状，具有相对的第一端面和第二端面，在所述第一端面和第二端面向内分别形成有凹槽；所述凹槽具有光洁度满足预定标准的相对的外侧壁面和内侧壁面205，所述凹槽的深度大于所述密封施压环3能够潜入的深度；

所述密封施压环3整体呈圆环状，其设置有与所述密封环的凹槽相配合的配合部，在所述配合部上形成有与所述外侧壁面配合的第一配合面304，与所述第一配合面304相对的用于和所述内侧壁面205配合的第二配合面305，所述第一配合面304与所述外侧壁面配合后能形成至少一道线密封和一道面密封，所述第二配合面305与所述内侧壁面205配合后能形成多道线密封。

在本实施方式中，所述密封环2外形可以呈圆环状，其截面形状呈双面槽状，大致呈H形。每面槽的深度大于密封施压环潜入深度的2～4mm(毫米)。上述潜入的深度的预留范围由紫铜在常温～600℃高温15MPa压力下的变形度、以及样品所处的空间大小确定。该样品所处的空间主要由：样品腔、密封施压环3及本身样品确定。试验表明，例如在38mm内径样品尺寸下，室温～600℃(摄氏度)不同温度下的密封，密封成功率最高。

在本实施方式中，所述密封环2的内侧壁面205向内倾斜，其与垂直于所述密封环2的轴向的纵面之间形成有第一夹角。所述第一夹角用于与密封施压环3的配合部对接，利于形成线、面密封。具体的，所述第一夹角的角度可以为10°±3°，其中10°是实际应用检验过的最好密封角度。

在一个实施方式中，所述内侧壁面205的光洁度为9级以上，所述外侧壁面的光洁度为7级以上。

其中，光洁度的依据是实际应用中，30分钟内50MPa的流体在釜内的压降小于0.01MPa决定的实验要求确定的。由于内侧壁面205的密封时的配合面积相对比外侧壁面的小，要保证一样的面密封性能，需要提高所述内侧壁面205的光洁度，而且内侧壁面205主要为线密封，相对而言光洁度对线密封的要求较高，因此内侧壁面205的光洁度需要高于外侧壁面的光洁度。

具体的，所述密封环2的凹槽内侧壁面205的光洁度可以达到GB1031-1968的9级以上，密封环2凹槽外侧壁面的光洁度，要达到GB1031-1968的7级以上。当上述密封环2的凹槽的内侧壁面205和外侧壁面满足上述光洁度要求时，其能够在于密封施压环3配合时保证较佳的密封效果。

在本实施方式中，所述密封环2的材料可以为杂质总质量分数小于0.1%的紫铜，及T2及以上的紫铜，以保证该密封环2在使用过程中，较少的杂质析出，从而保证密封位置的密封性能。

另外，所述紫铜制成的密封环2在抛光加工后要浸油放置，防止氧化，导致表面的光洁度降低，从而影响密封效果。在用之前，用二氯甲烷冲洗后即可使用。

在本实施方式中，密封施压环3外形呈圆环状，其设置有与所述密封环2的凹槽相配合的配合部，在所述配合部上形成有与所述外侧壁面配合的第一配合面304，与所述第一配合面304相对的用于和所述内侧壁面205配合的第二配合面305，所述第一配合面304与所述外侧壁面配合后能形成至少一道线密封和一道面密封，所述第二配合面305与所述内侧壁面205配合后能形成多道线密封。

具体的，所述密封施压环3的配合部的截面积自内向外逐渐缩小，所述第一配合面304与所述第二配合面305相交于所述密封施压环3的最大外径处，使得所述密封施压环3的截面形状大致呈V形。

在一个实施方式中，当所述密封环2的内侧壁面205向内倾斜，其与垂直于所述密封环2的轴向的纵面之间形成有第一夹角，所述第一夹角的角度为7度至13度时，所述第二配合面305与所述密封施压环3的轴向垂直的纵面之间形成有第二夹角。所述第二夹角的角度与所述第一夹角的角度相匹配，例如当所述第一夹角为10度时，所述第二夹角可以为12度，以保证配合位置的匹配度，进而保证配合位置的密封性。

在本实施方式中，所述第二配合面305上还可以形成有多个直角阶梯。具体的，所述直角阶梯的个数可以为3个，使得所述第二配合面305与所述内侧壁面配合后能形成3道至5道线密封，从而达到理想的密封效果、且安装和加工的难度都较低。

此外，除了在V形的密封施压环截面的第二配合面305上设置3个直角阶梯外，所述第二配合面305的具体形式还可以是其它结构，本申请在此并不作唯一限定。

在本实施方式中，所述密封施压环3可为不锈钢件，例如可以为302不锈钢。所述密封施压环3的材料以能承受密封压力为准，不局限于不锈钢单一材料。

在一个具体的实施方式中，本申请涉及的密封环2，如附图1和2所示，俯视形状呈圆环状，其中心轴线位于圆环的中心处；纵向截面形状大致为“H”形。该密封环在俯视图上包括槽底面203、内垒面204、外垒面206、内侧壁面205。该密封环截面图形状包括第一外环面201、第一内环面202、槽底面203、内垒面204、内侧壁面205、外垒面206。其中，第一外环面201的直径为44.90mm，第一内环面202的直径为38.10mm，外垒面206的内壁面直径为43.20mm，内侧壁面205的顶端直径为39.80mm。槽顶端宽1.70mm，槽底面203宽1.07mm，槽深3.60mm，内侧壁面205与垂线夹角为10°。所述第一外环面201、第二内环面202和外垒面206的光洁度为GB1031-1968的8级以上。所述槽底面203、内侧壁面205和外垒206内面的光洁度为GB1031-1968的10级以上。本申请涉及的密封环材质可为工业T2紫铜。

使用时，密封环2在所述密封施压环3的配合下，所述密封环2内侧壁面205与所述第二配合面305之间可以形成3～5道线密封，所述密封环2的外侧壁面与所述第一配合面304之间可以形成1道线密封和1道面密封，以适应动态施压的要求，即无论是加压还是减压，始终能保证形成可靠的密封。

本申请所述的密封环套件包括相配套的密封环2和密封施压环3，使用时，密封环2受到密封施压环3的挤压，槽形密封环2的薄壁和深槽更容易被侧向挤压变形，增加了槽壁的变形量和结合度，在高温情况下甚至还可能发生粘连，大大提高了密封环2的变形性能和密封效果；设置有配合部的密封施压环3与密封环2槽形斜角内壁的配合，可以形成3～5道线密封，适用于样品静岩压力施压柱的反复相对密封环2的运动密封；设置有配合部的密封施压环3与密封环2槽形直角外壁的配合，可以形成至少1到线密封和1道面密封，适用于密封环2与釜体静密封；密封环2双向槽的设计，进一步增加了密封的效率；进一步的，高纯度铜的材料使用，保证了在高温阶段密封面无杂质晶体析出，免除了微渗漏的可能。

实验表明：本申请所述的密封环套件可以在温度0～700℃、流体压力0～150MPa(兆帕)同时达到的环境下，承受20次以上的静岩压力的增减，并保持20天以上无可测微渗漏。

本申请实施方式中还提供了一种高温高压釜，其包括上述实施方式中任一所述的密封环套件。

上述高温高压釜包括的密封环套件能够达到上述密封环套件实施方式的技术效果，本申请在此不再赘述。

请参阅图5，进一步的，还包括样品腔室405，所述样品腔室405整体呈圆环状，所述样品腔室405的外圆环位置设置有与所述密封环的凹槽相配合的配合部；

所述密封环套件包括：第一密封环404和第二密封环409，以及第一密封施压环403第二密封施压环410。

在本实施方式中，所述第一密封环404与所述第二密封环409的密封环结构可以相同，即采用多道、双向线密封的结构设计，以便于提高密封环的通用性，节约成本。所述第一密封施压环403和第二密封施压环410可以为镜像对称结构。配合使用时，在沿着施压压力的作用方向上，所述第一密封施压环403、第一密封环404、样品腔室405、第二密封环409以及第二密封施压环410依次配合分布。

本申请涉及的密封环套件还包括样品腔室409，该样品腔室409整体呈圆环状，其具有密封作用的配合部与所述密封施压环的配合部相同，即所述样品腔室409与所述第一密封施压环403和第二密封施压环410可以具有相同的密封作用端。在一个具体的实施方式中，它们的密封作用端俯视图和纵向截面如图4所示。密封作用端俯视形状呈圆环状，其中心轴线位于圆环的中心处；纵向截面形状大致为“V”形。所述密封作用端纵向截面形状包括第二外环面302、第二内环面301、顶面303、密封直斜面304(即第一配合面)和密封多阶梯面305(即第二配合面)。所述顶面303在样品室上续接的是上下对称且相同的“V”形密封端口，如图5所示；所述顶面303在密封施压环上，第二内环面301、第二外环面的高度为6.00mm。顶面303在宽度为2.80mm。密封多阶梯面305外接线与垂线夹角为12°。所述密封直斜面304和密封多阶梯面305的光洁度为GB1031-1968的10级以上。所述第二外环面302、第二内环面301的光洁度为GB1031-1968的8级以上。本申请涉及的密封施压件材质为302不锈钢，以能承受密封压力为准，但不局限于不锈钢单一材料。

在38mm直径在高温高压釜体上在使用如图5所示。该图上示出了包括釜体406、样品腔室405、第一密封环404和第二密封409、第一密封施压环403和第二密封施压环410、样品414、过滤用的金属颗粒烧结板413和407、施压密封压头402和静岩压力柱体408。使用过程中，先在施压密封压头402上依次套装密封施压环403和密封环404，然后平行放入釜体406大口端，之后整体竖起，再从上端依次放入样品腔室405、烧结板413、第二密封环409、第二密封环施压环410、样品414、烧结板407，把釜体406上端空置腔擦干净后，植入静岩压力柱体408。安装好在套件植入加热加压炉腔内，通过底端401方向的密封泵压来推动施压密封压头402，以此推动整体套件上行，上部的第二密封环施压环410受到顶端411方向的反作用力，实现釜体406上、下端密封。

本申请所述的密封环套件包括相配套的密封环和密封施压环，使用时，密封环受到密封施压环的挤压，槽形密封环的薄壁和深槽更容易被侧向挤压变形，增加了槽壁的变形量和结合度，在高温情况下甚至还可能发生粘连，大大提高了密封环的变形性能和密封效果；设置有配合部的密封施压件与密封环槽形斜角内壁的配合，可以形成3～5道线密封，适用于样品静岩压力施压柱的反复相对密封环的运动密封；设置有配合部的密封施压件与密封环槽形直角外壁的配合，可以形成至少1到线密封和1道面密封，适用于密封环与釜体静密封；密封环双向槽的设计，进一步增加了密封的效率；进一步的，高纯度铜的材料使用，保证了在高温阶段密封面无杂质晶体析出，免除了微渗漏的可能。

本申请适用于实验室内各种涉及高温高压釜体及其密封，如生排烃热模拟系统、成岩模拟系统等。使用环境条件为：温度0～700℃，流体压力0～150MPa，流体相态可以是液体或气体。动密封效果可以达到20次以上的轴向位移，密封效果保持时间在20天以上，效果为压降小于1000帕。本申请的密封环及套件可以应用于任何需要密封的低温和高温、高压的腔体设备中。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本实用新型的几个实施方式，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。