一种自紧式碟形法兰密封结构的制作方法

本发明涉及一种自紧式碟形法兰密封结构，适用于20k深低温至室温温度范围内使用。

背景技术：

液氢等超低温流体已在航天、新能源及其它领域得到广泛应用，由于此类流体通常具有热力学临界值小、沸点低、蒸发潜热小、渗透能力、浸润能力强、易燃易爆等特性，为其密封带来了很大困难。液氢超低温流体的密封要求密封材料在液氢环境、气氢环境下具有相容性，同时要求材料在液氢温度下具有足够的韧性和回弹性，不能发生氢脆现象。

国内外深冷密封材料研究主要向金属材料方向发展，常用的金属密封材料主要有金、银、铜、铂、铝、铟、钛、奥氏体不锈钢、低碳钢等，一般根据密封介质属性、工况(包括压力、温度等)、密封性能要求以及结构特点，选用不同的密封材料。

目前国内液氢温区的深低温密封一般使用石墨、铟丝或橡胶金属复合密封结构。石墨、铟丝密封结构更换时不利于清理，有引入多余物的风险，给系统造成安全性风险。橡胶金属复合密封结构加工工艺难度大，成本高，一般应用于直径较小的管路。且这些密封结构深低温下无压力自紧效果，随密封压力增加密封效果快速下降。针对这些问题，需开发一种可适用于液氢深低温及常温的全金属密封结构，其安装使用方便，密封件不产生多余物，结构简单，加工难度低，适用于较大口径，且具有压力自紧的效果。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对上述不足，本发明提出一种自紧式碟形法兰密封结构，其是适用于20k深低温至室温温度范围内的全金属密封结构，安装使用方便，密封件不产生多余物，结构简单，加工难度低，适用于较大口径，且具有压力自紧的效果。

(二)技术方案

一种自紧式碟形法兰密封结构，包括凸法兰、凹法兰、碟形密封圈、紧固件；所述凸法兰自其中心轴线向外依次具有中央凸台面、第一锥形面、第一安装面且高度依次递减，所述凹法兰自其中心轴线向外依次具有中央凹陷面、第二锥形面、第二安装面且高度依次递增；所述紧固件穿过第一安装面和第二安装面将所述凸法兰和所述凹法兰紧固使二者凹凸适配且具有相同的中心轴线；所述第一锥形面与所述第二锥形面相对且形成封闭的菱形空间以容置所述碟形密封圈。

其中，所述中央凸台面与所述中央凹陷面相对且具有一定的间隙；所述第一安装面与所述第二安装面相对且紧密贴合。

其中，所述紧固件为螺纹件。

其中，所述碟形密封圈的回转截面为大致长条矩形，所述碟形密封圈具有外缘密封面、内面、内缘密封面、外面，所述内面朝向所述中心轴线且为圆弧半径为r的旋转面，所述外面为锥面，所述外面与所述内面相对且背向所述中心轴线；所述内缘密封面和所述外缘密封面分别抵靠在所述菱形空间的与所述中心轴线平行的面上，所述内缘密封面较所述外缘密封面与所述中心轴线具有较近距离。

其中，所述菱形空间中，所述内面直接承载密封压力p，密封压力p方向与碟形密封圈截面弯曲变形的方向相反，使得碟形密封圈的截面趋向伸直。

其中，所述凸法兰、所述凹法兰的材质为不锈钢或铝合金。

其中，所述紧固件材质为铝合金、奥氏体不锈钢或高温合金。

其中，所述碟形密封圈的材质为奥氏体不锈钢。

其中，碟形密封圈的回转截面与所述中心轴线形成夹角α，夹角α小于凹法兰、凸法兰对接压紧后形成的菱形空间对角线与所述中心轴线的夹角。

其中，碟形密封圈的高度h高于凹法兰、凸法兰对接压紧后形成的菱形空间的高度，使得所述密封结构安装后碟形密封圈能被凹法兰、凸法兰压紧变形。

(三)有益效果

本发明的一种自紧式碟形法兰密封结构，其适用于20k深低温至室温温度范围内的全金属密封结构，安装使用方便，密封件不产生多余物，结构简单，加工难度低，适用于较大口径，且具有压力自紧的效果。

附图说明

图1本发明的一种自紧式碟形法兰密封结构应用示意图。

图2图1的局部放大图。

图3本发明的碟形密封圈剖面图。

图中，1-凸法兰，2-凹法兰，3-碟形密封圈，4-紧固件，5-中央凸台面，6-第一锥形面，7-第一安装面，8-中央凹陷面，9-第二锥形面，10-第二安装面，11-外缘密封面，12-内面，13-内缘密封面，14-外面。

具体实施方式

参见图1，本发明的一种自紧式碟形法兰密封结构，包括凸法兰1、凹法兰2、碟形密封圈3、紧固件4；其中，所述凸法兰1自其中心轴线向外依次具有中央凸台面5、第一锥形面6、第一安装面7且高度依次递减，所述凹法兰2自其中心轴线向外依次具有中央凹陷面8、第二锥形面9、第二安装面10且高度依次递增；所述紧固件4穿过第一安装面7和第二安装面10将所述凸法兰1和所述凹法兰2紧固使二者凹凸适配且具有相同的中心轴线；所述第一锥形面6与所述第二锥形面9相对且形成封闭的菱形空间以容置所述碟形密封圈3。

所述中央凸台面5与所述中央凹陷面8相对且具有一定的间隙。所述第一安装面7与所述第二安装面10相对且紧密贴合。

所述紧固件4为螺纹件。

参见图2，所述碟形密封圈3的回转截面为大致长条矩形，所述碟形密封圈3具有外缘密封面11、内面12、内缘密封面13、外面14，所述内面12朝向所述中心轴线且为圆弧半径为r的旋转面，所述外面14为锥面，所述外面14与所述内面12相对且背向所述中心轴线；所述内缘密封面13和所述外缘密封面11分别抵靠在所述菱形空间的与所述中心轴线平行的面上，所述内缘密封面13较所述外缘密封面11与所述中心轴线具有较近距离。

所述菱形空间中，所述内面12直接承载密封压力p，密封压力p方向与碟形密封圈3截面弯曲变形的方向相反，使得碟形密封圈3的截面趋向伸直。

所述凸法兰1、凹法兰2的材质为不锈钢或铝合金。

所述紧固件4其材质为铝合金、奥氏体不锈钢或高温合金。

所述碟形密封圈3的材质为奥氏体不锈钢。

碟形密封圈3的回转截面与所述中心轴线形成夹角α，夹角α小于凹法兰2、凸法兰1对接压紧后形成的菱形空间对角线与所述中心轴线的夹角。

碟形密封圈3的高度h高于凹法兰2、凸法兰1对接压紧后形成的菱形空间的高度，使得所述密封结构安装后碟形密封圈3能被凹法兰2、凸法兰1压紧变形。

碟形密封圈3的外面14为锥面，内面12为圆弧半径为r的旋转面，由于碟形密封圈3的特殊结构，其受到凹法兰2、凸法兰1的压缩发生变形，其截面弯曲变形方向朝向凹法兰2方向。密封压力为p，密封压力p方向与碟形密封圈3截面弯曲变形的方向相反，使得碟形密封圈3截面趋向伸直，以此达到了压力自紧的效果。

本发明的所述密封结构在安装压紧碟形密封圈3后，碟形密封圈3产生弯曲变形，使得其内缘密封面13和外缘密封面11分别压紧凸法兰1和凹法兰2的相应密封面。通过控制碟形密封圈3合理的压缩量，使其既具有足够的弯曲变形并且沿回转截面厚度方向材料仍保持弹性，这样，碟形密封圈3变形后既能在密封面形成足够的压紧载荷，又可以保持弯曲刚度，从而在20k深低温至常温温度范围内实现有效密封。

安装时，碟形密封圈3内缘密封面13指向凸法兰1的菱形空间的内角，外缘密封面11指向凹法兰2的菱形空间的内角。通过紧固件的轴向力将凹法兰2、凸法兰1压紧到法兰面接触，并施加一定预紧力。预紧力的施加值需保证在20k深低温至常温范围内凹法兰2、凸法兰1紧密接触。