用于在可附接的成对的管道法兰之间密封的方法和设备与流程

发明背景

本发明要求于2016年1月19日提交的挪威专利申请第20160084号的公约新颖性优先权。

发明领域

本发明涉及用于在可附接的成对的管道法兰之间密封的方法和设备，包括：

-法兰中的至少一个法兰被配置成具有环形凹槽，以便至少部分地接纳密封环，该密封环具有环壁，当该管道法兰的前部面被间隔开时，如在横截面中看到的，密封环的环壁是直线的，

-凹槽的底部在凹槽的底部和径向定位的内壁之间呈现第一过渡部，并且在凹槽的底部和径向定位的外壁之间的第二过渡部，

-环在侧视图中呈现类似截锥的形状，以及

-密封环的第一轴向端部具有第一内径和第一外径，并且密封环的第二轴向端部具有分别大于该第一内径和该第一外径的第二内径和第二外径。

相关技术描述

相关的现有技术例如在us1,965,273和us1,825,962中描述。与连接管道部分有关的另外的现有技术是例如de19,503,285a1。在us4,202,556和us4,282,643中描述了描述具有类似截锥的形状的密封环的其它出版物，其涉及闸阀中的密封环。

特别地，相关的现有技术参考文献展示了用于密封的解决方案，其中管道法兰彼此不邻接，并且其中如果法兰彼此不适当地附接或者管道接头暴露于过度弯曲和/或机械应力或热应力，则可能发生泄漏。

发明的简要概述

本发明把减轻现有技术解决方案的缺陷作为目的，并且为现有技术的技术的缺陷提供简单且有效的解决方案。

根据本发明的方法：

-管道法兰彼此附接以产生：处于操作状态中的法兰被强制地保持在邻接和面部接合中，并且

-在拉紧装置拉紧以生成所述操作状态时，引起压缩力作用在所述密封环上以产生：如在横截面中看到的，密封环的壁径向地弯曲以呈现弯曲构型。

该方法的另外的实施方案从所附的子权利要求2-6中呈现。

根据本发明的设备：

-管道法兰被配置成彼此附接以产生：处于所述操作状态中的法兰被强制地保持在邻接和面部接合中，并且

-在拉紧装置拉紧以生成所述操作状态时，如在横截面中看到的并且由于来自所述拉紧的压缩力，密封环的壁径向地弯曲以呈现弯曲构型。

该设备的其它实施方案从所附的子权利要求8-16中呈现。

附图的若干视图的简要描述

图1a以轴向定向的横截面示出了彼此附接并且在其间具有现有技术密封环的现有技术管道法兰，图1b是图1a上的部分1b的放大图，并且图1c以透视图示出了现有技术密封环。

图2以分解图示出了本发明的用于接合管道法兰的密封环。

图3a示出了密封环位于一对管道法兰之间并且在管道法兰被强制地保持在邻接、面部接合中之前的呈轴向定向的横截面，每个管道法兰具有环接纳槽，并且图3b是图3a上的截面3b的放大图。

图4a示出了图3a的视图，然而，管道法兰被强制保持在邻接、面部接合中并且环壁被径向弯曲，并且图4b是图4a上的截面4b的放大图。

图5a示出了图3a的视图，然而，管道法兰被强制保持在邻接、面部接合中，并且环壁被径向弯曲并且具有适度的波形形状，并且图5b是图5a上的截面5b的放大图。

图6a是密封环从其一个轴向端部的透视图，图6b是从所述一个端部观察的密封环的平面图，并且图6c是环的轴向定向的横截面图。

图7a示出了密封环位于一对管道法兰之间并且在管道法兰被强制地保持在邻接、面部接合中之前的轴向定向的横截面图，其中该一对管道法兰中的仅一个法兰具有环接纳槽，并且图7b是图7a上的截面7b的放大图。

图8a示出了图7a的视图，其中管道法兰被强制地保持在邻接、面部接合中并且环壁被径向弯曲，并且图8b是图8a上的截面8b的放大图。

图9a是密封环从其一个轴向端部的透视图，所示的环具有比图6a-6c的密封环更小的轴向尺寸，并且将与图7a、7b、8a和8b所示的实施方案一起使用，图9b是从所述一个轴向端部观察的密封环的平面图，并且图9c是环的轴向定向的横截面图。

发明的详细描述

如引言中所述，本发明涉及用于在可附接的成对的管道法兰之间密封的方法和设备。在一种模式中，两个法兰都具有用于接纳环形密封环的至少一部分的凹槽或凹部，而在另一种模式中，两个协作法兰中的仅一个法兰设置有这样的凹槽或凹部。

为了连接例如管线、阀和/或泵的流体连通，存在常规使用的管道法兰，例如所谓的rtj型。尤其已知这种接头使用块状或实心金属环代替传统的易延展的填料作为法兰面之间的密封剂。这种现有技术的结构和技术的示例在图1a、图1b和图1c上示出。

法兰1；2通过螺栓3和螺母4彼此附接。尽管螺栓3被示出为具有使螺母4用于拧紧的螺纹杆，但是螺栓可以在一个端部处具有一体式头部以替换螺母中的一个。此外，在两个轴向端部区域设置有金属的块状或实心密封环5，环5具有与法兰1；2中的凹槽6；7的横截面形状相对应的外部形状。

为了保证环5获得足够的压力到凹槽6、7上，环5具有轴向尺寸，该轴向尺寸足以在螺栓3被螺母4适当地拉紧时在法兰1、2的相对的面之间生成间隙8。因此，该成对的法兰的前部面不邻接。

然而，对于管线安装，经常会经历倾斜或形变，并且当使用这样的环时，螺栓的拉紧操作是非常重要的，以便不损坏环5或法兰1、2中的凹槽6、7。在一定程度上，环5和凹槽6、7将通过材料金属流动相互适应，但问题是那么凹槽可能变得歪斜或倾斜。当互连被打开然后重新安装时，由于要配合的材料中的变形不再一致或对应，那么可能出现泄漏。如果凹槽在一定程度上被损坏，那么法兰1；2必须通过切除工艺移除，并且新法兰焊接到管道上。

如果法兰1、2的互连暴露于影响螺栓3中的拉力的热变化，密封环5将不表现出能够补偿螺栓3的拉紧中的任何松弛的任何弹性效果。

与法兰1、2和安装的其它操作构件相比，密封环5代表总重量的一小部分，但是环5经常被大批量地运输，并且高重量对于制造商、供应商和/或最终用户所要支付的成本那么是不利的。

如首先在图2上的分解图中呈现的，本发明实质上与图1a-1c所示的现有技术不同之处在于设置了密封环9。与现有技术的环5相比，环9是薄壁的和圆锥形的构型。在典型的侧视图中，它看起来像截锥。

在本文中，这种新颖的环9在操作上与具有凹槽6；7的熟知的法兰兼容并且环9在安装时不会损坏法兰1和2，即使一开始就存在相对较大的相互的法兰倾斜。此外，环9具有理想的弹性效果，使得法兰面能够面对面地彼此邻接并被强制地彼此压靠，产生非常稳定的法兰互连。

关于密封环9，应理解，由于环9可以由板材冲压而成，而不是必须由基础材料加工而成，因此所需的材料量及其重量都将实质上减少。更进一步，密封环9可以重复使用多次。

本发明的一个显著特征不仅仅是密封环9(其部分地从前面提到的现有技术参考文献us1,965,273和us1,825,962中已知)，而且还是使法兰面强制地邻接和接合的事实，以及在通过螺母4拧紧螺栓3时环壁弯曲的事实。

图3a和图3b示出了密封环9到法兰1；2的凹槽6；7中的安装。该安装本身以类似于图1a-1c所示的现有技术装置的方式进行，但是在期望之外的是，通过承继在安装前到凹槽6或7中的楔入动作，根据本发明的环9可以附接到法兰1；2中的一个或另一个，即引起法兰1；2被强制地彼此附接并且面对面地邻接和接合。这有利于一对管道法兰1、2的更简化的组装和附接。

应理解，图3a和图3b的视图示出了在通过螺母4使螺栓3拧紧或拉紧之前的安装的状态。注意，从密封环9的横截面看，其壁是直线的，即环壁的内侧10和外侧11是直线的(参见图6c)。注意，在法兰1、2的前部面之间存在间隙12(可与图1b上的间隙8比较)。

注意，凹槽6；7具有底部13；14、在底部13；14和相邻的凹槽壁之间的第一和内侧过渡部15；16以及在底部13；14和相邻的凹槽壁之间的第二和外过渡部17；18。

密封环9具有第一轴向端部19和第二轴向端部20，如图6c上所看到的。第一端部19处的环的外径d1和内径d2分别小于第二端部20处的外径d3和内径d4。即d1>d2和d3>d4，并且d3>d4>d1>d2。环9的厚度是(d1-d2)和/或(d3-d4)的函数。适当地，(d1-d2)＝(d3-34)。直径d3取决于过渡部17(或18)的直径并且适当地对应于过渡部17(或18)的直径，并且最小直径d2取决于过渡部16(或15)的直径并适当地对应于过渡部16(或15)的直径。

密封环9被布置成使其第二端部20与法兰中的第一法兰1中的凹槽6的第二过渡部17接触，并且被布置成使其第一端部19与法兰1、2中的第二法兰2中的凹槽7的第一过渡部16接触。

在通过螺母4使螺纹螺栓3进一步拧紧时，密封环9就会受到非常高的压缩压力。在拧紧操作中的某一点，环9将达到屈服点，并且其壁将开始弹性地弯曲成弯曲构型。在图4a和图4b上所示的示例中，这种弯曲是径向向外的，使得壁内侧10呈现凹形类似形状，而壁外侧11对应地呈现凸形类似形状。然后，环9的第一端部19和第二端部20已经在形状上适应于它们分别在凹槽过渡部16、17处安置。

取决于密封环9的壁厚或材料性能，环壁可以在所述非常高的压缩压力下替代地在横截面中呈现弯曲以及适度的波形构型，如图5a和图5b所示。

图4a、图4b、图5a和图5b清楚地示出了当法兰1，2由于所述非常高的压缩力的作用而与它们各自的前部面强制地邻接和接合时法兰附接的状态。如图3a和图3b所示的，间隙12不再存在。

环壁横截面的弯曲构型产生环9跨越在凹槽过渡部16和17之间，并且压缩力上的任何变化都由环壁中存在的弹性适当地处理。

直到螺栓3的拧紧操作中的这一点，由于一些相互的法兰倾斜，拧紧可能是不相等的。然而，从该操作时间点起，螺栓3将根据与不同的和适用的操作管道压力的等级或组相关的表格规范进一步拉紧。在这种情况下，可保证，法兰1；2的邻接面或接合面将确实保持在合适的接触中互相接合。因此，这样制造的法兰和接头的附接将处于静止状态，直到采取步骤来分离该对法兰1；2。因此，密封将不受相关管道系统中的任何外侧动态(例如，弯曲、脉动、振动和/或热波动)影响。

当观察图6a、图6b和图6c时，密封环9具有与凹槽6；7的深度h2；h3相关的轴向高度h1(见图4b和图5b)。通常h2＝h3。为了获得环壁的所需的弯曲(如横截面中所看到的)，h1>h2+h3。

环9的壁厚t取决于所需的压力等级，并且可以相应地根据所施加的压力范围而变化。此外，压力等级越高，t/d3的值变得越高。

应理解，对于大多数压力和尺寸应用，根据本发明的密封环的重量将实质上低于常规的、块状或实心金属密封环5(如图1a-1c中所示)的重量。

存在不同类型的法兰，并且不同类型的法兰可以有不同类型的用于密封环的凹槽。通过前面提到的参数(即间隙12、直径d3和d2以及壁厚t)的值的必需的调节，本发明的密封环9可以用于所有类型的凹槽。

本发明的设备和方法的功能性由重复的实验室测试支持，包括密封环的重新使用的选择。关于密封性和任何过压的出现，所解释的法兰连接还满足所有被设定要求。

也存在这样的情况，具有如图所示的凹槽6；7的法兰将要被连接到具有对应的尺寸但是其在其前部面没有凹槽的对应的法兰。

图7a、图7b、图8a、图8b和图9a-9c示出了这种构型的示例。

如首先在图2上的分解图中呈现的，本发明的这种另一种构型实质上与现有技术的不同之处在于提供了轴向较短的密封环21。与现有技术的环5相比，环21是薄壁的和圆锥形构型，如同前面讨论的环9，并且在典型的侧视图中，它也看起来像截锥。

在本文中，这种新颖的环21将在操作中与熟知的法兰兼容，其中在一对法兰中，仅一个法兰在其前部面上具有凹槽27，并且环21在安装时不会损坏法兰25和26，即使一开始时就存在相对较大的相互的法兰倾斜。此外，环21具有理想的弹性效果，使得法兰面能够面对面地彼此邻接并被强制地彼此压靠，产生非常稳定的法兰互连和附接。

关于密封环21，应理解，由于环21，类似于环9，可以由板材冲压而成，而不是必须由基础材料加工而成，因此所需材料的减少量及其重量都将实质上减少。更进一步，密封环可以重复使用多次。

本发明的一个显著特征不仅仅是密封环21(其部分地从前面提到的现有技术参考文献us1,965,273和us1,825,962中已知)，而且还是使法兰面强制地邻接和接合的事实，以及在通过螺母4使螺栓3拧紧时环壁弯曲的事实。

图7a和图7b的视图图示了通过螺母4使螺栓3拧紧或拉紧之前的安装状态。注意，从密封环21的横截面看，密封环21的壁是直线的，即环壁的内侧22和外侧23是直线的。注意，在法兰25；26的前部面之间存在间隙24(可与图3b上的间隙12比较)。

注意，凹槽27具有底部28、在底部28和相邻的凹槽壁之间的第一和内过渡部29以及在底部28和相邻的凹槽壁之间的第二和外过渡部30。

密封环21具有第一轴向端部31和第二轴向端部32，如图9c上所看到的。第一端部31处的环21的外径d1和内径d2分别小于第二端部32处的外径d3和内径d4。即d1>d2和d3>d4，并且d3>d4>d1>d2。环21的厚度是(d1-d2)和(d3-d4)的函数。适当地，(d1-d2)＝(d3-34)。直径d3取决于过渡部30的直径并且适当地对应于过渡部30的直径，并且环21使其轴向端部31邻接没有密封环凹槽的法兰25的前部面。密封环21被布置成其第二轴向端部32与法兰26中的凹槽27的第二过渡部30接触。此外，当观察图7b时，还看到，密封环21的外部区域在其第一轴向端部31的区域处接触凹槽27的嘴部的内边缘区域33。

在通过螺母4使螺纹螺栓3进一步拧紧时，密封环21就会受到非常高的压缩力。在拧紧操作的某一点，环21将达到屈服点，并且其壁将开始弹性弯曲成弯曲构型。在图8a和8b上所示的非限制性示例中，这种弯曲是径向向内的，从而产生壁内侧22呈现凸形类似形状，而壁外侧23相应地呈现凹形类似形状。然后，环21的第一端部31和第二端部32已经在形状上适应于它们分别到法兰25的前表面和凹槽过渡部30上安置。

取决于密封环21的壁厚或材料性能，环壁可以在所述非常高的压缩压力下替代地在横截面中呈现弯曲以及适度的波形构型。

当观察图9a、图9b和图9c时，密封环21具有与凹槽27的深度h5(见图7b和图8b)相关的轴向高度h4。为了获得环壁的所需的弯曲(如图8a和图8b的横截面中所看到的)，h4>h5。

环21的壁的弯曲(如在横截面中所看到的)对于确保即使在管道流体压力过大或波动、任何弯曲力和/或热变化的情况下保持合适的密封是重要的。

如从观察图3b和7b所注意的，第二过渡部17；30的径向曲率半径适于密封环9；21的第二轴向端部20；32的外径d4。此外，如从图3b所注意的，第一过渡部16的径向曲率半径适于环9在其第一轴向端部19处的内径。

关于图3a、图3b、图4a和图4b、图5a、图5b所示的实施方案，应理解，环9可以转动180度，以使其第一轴向端部19与凹槽6接合，而其第二轴向端部20与轨道7接合，即图3a、图3b、图4a和图4b所看到的镜像，并且参考标记适当地互换。

此外，根据密封环9的物理和机械特性，在压缩以封闭间隙12时，如图3a、图3b、图4a、图4b、图5a、图5b上的横截面所示，环9的壁可以径向向内弯曲。

更进一步，根据密封环21的物理和机械性能，在施加压缩力以封闭间隙24时，如图7a、图7b、图8a、图8b、图9a-9c上的横截面中所示，环21的壁可以径向向外弯曲。

尽管图7a、图7b、图8a和图8b所示的密封环21可以配置成使其第一轴向端部31接合过渡部29，并且其第二轴向端部32抵靠法兰25的前表面，但是目前优选的是具有图7a、图7b、图8a和图8b上所实际上示出的构型，以产生环21和法兰25的前部面之间的密封接合尽可能靠近穿过法兰的轴向中心线。

适当地，凹槽6；7；27具有截锥或梯形的横截面形状，其中最小的横截面尺寸在凹槽的底部，并且最大的横截面尺寸在凹槽的嘴部，即法兰1；2；26的前部面处。

当在横截面中观察，第一过渡部15；16；29和第二过渡部17；18；30可以具有钝角的或直角的形状，或者具有弯曲的形状。类似地，凹槽27的嘴部处的边缘33在横截面中可以具有弯曲的形状。实际上，当从横截面中观察时，凹槽的嘴部的内边缘和外边缘都可以具有弯曲的形状。