凸起法兰用的易定心密封垫的制作方法

专利名称：凸起法兰用的易定心密封垫的制作方法
发明的背景1.发明的领域本发明涉及如流体管道中的螺栓式法兰连接件那样的密封连接件用的密封垫，特别是有关可方便地在这种连接件中加以定中心的密封垫。
2.现有技术的说明在过去的许多系统和装置中曾推荐在螺栓式法兰上定中心环形密封垫。这些密封垫的定中心被认为是至少两个原因所需要(1)为在安装过程中通过使密封垫固定在正确的密封方位上来保证正确密封；(2)为防止在安装后流体管道内的流体流动的阻断，这些原因可产生许多不希望有的情况，例如非层流、在压力上的不必要的损失或流体污染物质的可能积聚。
两种主要几何形状已显示为商业上初步用来解决这个问题的方法-环形密封垫和全平面密封垫。两类密封垫使用若干凸缘螺栓以有助于密封垫的定位。可惜，由于这种连接件中螺栓定位上的过度公差，这些技术都不能被认为是特别精密的环形密封垫是如此设计的，即当螺栓是在凸缘的螺柱孔中定中心后，密封垫的外径(OD)可与所有螺栓接触。这种方法通过使密封垫的中心孔相对于螺栓孔成适当比例应大致把密封垫定心在适当位置上。
全平面密封垫设计有象凸缘一样的通常尺寸和几何外形的螺栓孔。接着，密封垫和连接件装配螺栓一起安装在适当位置，密封件于是安装就位。但是，为了易于安装，密封垫中的螺栓孔通常大于螺栓本身，而在安装过程中引入附加的误差(不精确度)。这个缺陷因密封垫越过装配螺栓延伸到管道的外面而在某些部分上起反作用，为密封垫的定中心的某些精确调节作准备，要注意在进行密封垫的最后安装前，需确保密封垫是完全与管道的外部对齐的。
为了改进密封垫的定中心，曾推荐一些另外的解决方法。使用装配螺栓有助于安装和/或使密封垫定心的各种装置的例子显示在1989年6月12日发布的Merwarth的美国专利605,891；1902年3月11日出版的Roller的美国专利695,174；1934年1月9日出版的Hubbard等人的美国专利1,942,704；1969年11月25日发布的Kroening的美国专利3,480,301；1973年12月25日出版的Hagmann的美国专利3,781,043；1977年1月11日出版的史密期的美国专利4,002,344；1984年3月13日出版的Sawabe等人的美国专利4,436,310；和1985年6月11日出版的Vidrine的美国专利4,522,536。
对于任一装置使用螺栓来协助密封垫定中心的缺点是因螺栓而经常可能有的过度公差。这样，因为所有标准凸缘都具有稍大于螺柱的螺孔，故实际的定中心只有使用螺栓作为导向件来加以获得。在安装期间，螺栓在螺栓孔内移动位置，因此使得实际上不可能使每一螺栓定心在其螺栓孔中来保证精确定心。密封垫制品商和使用者都认识到这种情况在新的ANSI B16.5-1988标准中已规定密封垫的内径稍微大于管子的内径(ID)以使密封垫材料甚至在密封垫不完善地定中心时不致妨碍流动。
在ANSI B16.5-1988标准中所规定的尺寸可保证密封垫的ID可通过全平面密封垫0.12英寸的最大线性位移和150磅标定凸缘(假定密封垫材料不变形)来加以错位(偏位)。这是螺栓可偏离螺栓孔内的中心的间隙(间隔)量加上密封垫可偏离螺栓中心的间隙(间隔)。当密封垫的ID是和凸缘ID一样时，达30％的管子开孔可由最小尺寸的密封垫所阻断且约48％的周边可成为裂隙(缝)。
在大多数工业企业中，一般地说，即使密封垫的ID大于凸缘的ID，在接合点产生一裂隙也不要紧。不过，在某些应用中，例如输送某些超高纯物质或需要高速层流的管道，任何裂隙和对流动的干扰都是危险的。在高纯净流体输送中，裂隙或突起部可截获细菌或污染物，之后，这些细菌和污染物被释放入主流，从而以环流方式污染系统的其余部分。因此，在高纯净流体工业中已采取很多措施来减少在管道系统内表面上的突起部和干扰，甚至对极微级别的突起部分和干扰也是如此。事实上，管子管孔尺寸在某些应用中是通过扫描电子显微镜检查法(SEM)作定期检查的，以确保最大值。
因为工艺装备的状况现在以每10亿分之几来检测污染物，极小的裂隙和突起部都能对系统的性能的关键问题。在这些系统中，对密封垫精确地定中心方式，即使得密封垫的ID完全符合凸缘的ID，是十分需要的，但直到现在都没有达到。
已尝试过的另一途径是使用外接头(接片)来协助使密封垫对准和固定在中心位置。这样的一些设备显示于1929年10月15日出版的Watherill的美国专利1,731,404以及美国专利4,522,536。尽管这些定中心方法可对宏观尺度提供一些帮助，但是它们并没有说明怎样使密封垫精确地在要求精确公差的连接件内定中心。
在高纯净液体应用等中暴露出的另一问题是在不断增加使用的凸起法兰密封垫，这些密封垫则采用与凸缘密封表面相隔开的装配螺栓。这些连接件经常使用分隔的支撑板或类似设置加以连接，这些支撑板或类似设备可使用长螺栓彼此相对地作拉引。对于这些应用而言，往往十分难于使具有和密封表面一样几何形状的环形密封垫在密封面之间保持和定中心。这种麻烦是由于支撑板之间的相当小的间隙的限制出入(接近)而引起的。这一问题是因密封表面内缺乏在最终定中心之前提供给密封垫的松动对准和稳定定位的螺栓所构成的。
目前，解决易于安装在凸起的法兰连接件的最佳可利用的方法在于使用改进的全平面密封垫，该密封垫正好越过密封面延伸，以与装配螺栓结合。尽管这对支撑板之间的密封垫的松动装配是有用的，但是因管道的外部难于用作最后定位的基准，所以精确对准大大地受到妨碍(也就是，在这种情况下，密封垫的边缘延伸出外装配螺栓(之外)，不提供与引导最终对准的密封垫直接接触的表面)。在某些凸起法兰中的另一复杂化的定中心是一些支撑板也是松动地安装的，而且提供过量间隙(公差)，妨碍密封垫精确定心。最后，这种安装的方法往往过度地浪费密封垫材料，相当大量的材料没有提供密封或其它作用。
在这些应用中的另一途径在于使用大于密封面的环形密封垫，该密封垫可作为初始密封垫布置被倚靠在下面的外装配螺栓上。虽然这个途径有助于密封垫的初始布置，但它具有与这些应用中使用全平面密封垫同样的缺点，包括难于判断精确的最终密封垫位置和不必要使用的处于密封面外的密封材料。
因此，本发明的主要目的在于提供一种可精确地和容易地在连接件内定中心的密封垫。
本发明的另一目的在于提供一种密封垫在凸起的法兰密封垫应用中便于对密封垫予以初始定位和最终对准。
本发明的这些和其它目的将从下列说明书的综述中成为明显的。发明的简要说明本发明提供一种容易地和精确地定心的密封垫，在那里密封垫通过凸缘(法兰)的凸起部分的外表面与凸起类型凸缘(法兰)加以对准，而不是通过装置的螺栓作对准的。
本发明的最佳结构采用一具有一环形密封区和一个或多个从其中突伸出的延伸部的密封垫，以允许松动地附装到末端装配螺栓上。如此，可使用装配螺栓而出现密封垫的初始松动装配，并通过使密封区的外缘与管道的外表面的定中心而形成密封垫的最终精确定位。
密封垫被切割、模制或成形，以致其密封区的内径(ID)是和凸缘的ID一样，密封区的外径(OD)正好为凸缘(法兰)的凸起部的OD。照这样，通过使密封垫的密封区的外径定位而与凸缘的凸出部分的外部对齐，密封垫的内径应该精确地和管道的内径相符(一致)。因此，可提供一方便安装和定心的密封垫，此密封垫适合需要管道内的密封垫高精度定位要求的密封应用。附图的说明本发明的实施例当与附图结合从下列说明中应成为显而易见的。


图1是所安装在凸起法兰内的本发明的密封垫第一实施例且与其配合的凸起法兰的前视图；图2是一沿图1的2-2线所作的剖视图；图3是一沿图1的3-3线所作的剖视图；图4是一本发明的密封垫的第一实施例的平面视图；图5是一本发明的密封垫的第二实施例的平面视图；图6是一本发明的密封垫的第三实施例的平面视图；图7是一本发明的密封垫的第四实施例的平面视图。
本发明是一在各种密封场合中使用的改进的密封垫，特别是在气体或流体管道的密封凸起的法兰连接件中使用的密封垫。
图1至3表示一本发明的密封垫10，它安装在凸起的法兰连接件12上。连接件包括一流体管道14，该管道含有一内表面16(或内径ID)和一外表面18(或外径OD)；两支撑板(垫板)20、22，它们适合于装配在流体管道14的凸起的法兰端24，26周围且其中具有若干螺栓孔28；以及装配螺栓30a、30b、30c、30d和一些装配螺帽32a、32b、32c、32d，它们通过螺栓孔28加以装配并彼此相对地推压支撑板20，22。当以所示方式装配在一起后，流体管道14的法兰端24、26提供两个密封表面34，36，这些表面与密封垫10构成不透流体的密封。
如已指出的那样，将密封垫10安装在这种类型的连接件上的困难在于在两块支撑板20、22之间将密封垫精确地定位。若采用一个密封垫，该封垫仅仅被安装在密封表面34、36之间，因为没有螺钉参与粗略的定位，这表明在装配连接件12的同时要使密封件保持在适当位置上是麻烦的。在另一方面，即使使用一大的环状密封垫或全平面密封垫，在组装过程中采用外螺栓30来保持初始位置情况下，螺栓30、法兰螺栓孔28、支撑板20、22它们本身和/或密封螺栓孔的过量公差也使密封件在连接件内(上)精确对准有困难。
本发明的密封垫克服了以上这些缺陷。如图4中所示的那样，本发明的密封件10包括一环形密封区38，该密封区具有一与管道14的内表面16在尺寸上接近或精确相当的内缘40并形成一中心开孔42，并且具有一外缘44，至少该外缘的弓形部分与在凸起法兰端24、26上的管道14的外表面在尺寸上接近或精确相等。这种密封垫10能通过触到支撑板20、22之间并使密封垫的外缘44与管道14的外表面均匀地对齐而易于在其中被放入连接件12内的恰当位置上对中心。
为有助于初始连接(件)装配，密封垫10还包括一个或多个延伸部46a、46b、46c、46d，它们伸出密封区38并适合于附装到使它们和连接件固定在一起的装置。在图解说明的实施例中，在各个延伸部上各自设有开孔48a、48b、48c和48d，用来把密封垫10附装到螺栓30a、30b、30c、30d上。因为螺栓30仅用于密封垫的大致的、初始的定向，在不影响密封垫的精确安置的情况下，开孔尺寸可稍微大于螺栓30的尺寸。
本发明的密封垫安装的方法从由开孔48所提供的初步对准开始。一旦用手把密封垫压紧，密封垫可通过使其外缘44与管道14的外表面18对准而进一步被对中。如果足够间隔出现在支撑板20、22之间，这可用手工来调整；如果在支撑板20、22之间空间受到限制，那么可借助于具有扁平端的细长物件来调准。小的校正量可从密封垫的所有侧面来作修正直到密封垫被精确地对中为止。密封垫一旦处于其正确位置上，连接件就可通过扭转螺栓30达到全(最大)密封压力而完全地加以密封。
因此，本发明的密封垫10在凸起的法兰密封垫应用的初始安装方便方面提供了全平面密封垫的好处，而在最终密封垫装配前使得极精确的密封垫定心成为可能。这样，可容易地提供通过管道的一平稳的、不中断的流量，使本发明的密封垫特别适用于一些灵敏密封操作。本发明的另一明显优点是关于在凸起的法兰密封应用中使用全平面密封垫，密封垫材料损失受到约束，用最小密封垫材料作为非密封应用。
本发明的密封垫可与各种不同密封垫材料一起使用。最好是密封垫由已作切割、冲压、模压、机加工，或其它加工成形到所需尺寸的连续材料所制成。另一方面，密封垫可由两种或两种以上不同材料构成，例如为密封区38提供一种材料和为延伸部46提供不同材料。某些材料可通过诸如利用粘合、连接(焊接)等的任一适用方法来加以结合成完整的密封垫10。
应该认识到因流体流动干扰对密封垫十分敏感的作用，材料应在载荷下具有极小的变形或可预测变形，以防止材料膨胀或潜伸入管道14。可供本发明使用的适宜材料包括聚四氟乙烯(PTFE)，多孔聚四氟乙烯，含有填充料、橡胶或其它合成橡胶的聚四氟乙烯或多孔聚四氟乙烯，非石棉板材、石墨板、复合板等。
本发明可以做成各种形状和尺寸供不同用途的使用。举例来说，可根据需要提供许多不同排列的延伸部46、而且在它们的数量、形状和/或尺寸上也易于作变化。在图5至7中示出了一些本发明的其它可能的实施例的例子。
在图5所示的实施例中，所述的密封垫50具有一密封区52和一单个延伸部54。当密封垫与可安装到定心的上装配螺栓上的单个延伸部54一起使用时，这个实施例可为密封垫的提供粗略定中心的基本上初始辅助，而可达到极少浪费的密封垫材料。
图6表示一利用两延伸部58a、58b的密封垫56。可以认为这个实施例在连接件组装过程中可提供比单个延伸部更好的初始支承而与螺栓位置无关。此外，在这种设计中消耗(浪费)极少密封垫材料。在本实施例中的圆形延伸部也设计成使消耗的材料减至最少。
图7表示一使用两个延伸部62a、62b的另一实施例的密封垫60。这个实施例可用于需要多个延伸部的初始支承但是得以接近的所有螺栓都受到限制。另外，在这种情况下，在密封垫密封区64和延伸部62之间有着较稳固和较宽的连接部以防止在操作和安装期间可能的损坏。此外，延伸部62a、62b通常(遵循)支撑板(垫板)20、22的同样的尺寸和几何形状以避免在极接近位置中所安装和使用的其它设备、管道、或工具可能的干涉。
在图4和7的各个实施例中，含有一个比其它的、稍长的延伸部(各为46b、62b)。这是一种标明密封垫材料及制造商标记或其它标志的方便的措施。
应该意识到尽管本发明所示的安装在具有四个螺栓的法兰连接件上，但是本发明实际上可与任一法兰连接件或类似连接结构一起使用。因此，本文中使用的术语”法兰连接件”意味着包含具有可通过密封区外的螺栓、夹具或其它机构(装置)保持在一起的任何流体连接器。其它结构的例子包括具有两个、三个、六个、八个或八个以上螺栓的结构。另外，应该了解到所采用的螺栓的数量取决于所需的支承数量和所使用的密封垫的挠性，而未必取决于用于密封任一特定连接的总的螺栓数量。
虽然本发明的特有实施例已在本文中加以图解表示和说明，但本发明将不限于这种图示和说明。应该明显地看到一些改变和变化可作为本发明的一部分被包含和归纳在下列权利要求的范围内。
权利要求
1.一种插入流体管道的法兰连接件中的密封垫，连接件上的管道包含一流体流过的内径、一形成在管道外的外径和一位于内径和外径之间的密封区，连接件可通过密封区外部并充分地与连接件隔开的装置而被保持在一起，使得有可能接近连接件的外部，密封垫包括密封区具有一内缘和一外缘，其中，内缘形成一在尺寸上精确地相当于管道的内径的中心开孔并且至少一外缘的弓形部分在尺寸上精确地相当于管道的外径；至少一延伸部，该延伸部伸出于适于附装到连接上的密封区的外缘之外，以便在初始连接件装配过程中使密封垫固定在适当位置上；其中，密封垫在连接件中定中心，以便通过使外缘的相应弓形部分与管道的外径对齐而提供经过流体管道的不中断的流量。
2.根据权利要求1所述的密封垫，其特征在于使连接件保持在一起的装置包括至少一螺栓；密封垫包含至少一延伸部，该延伸部突出于密封区的外缘以外并含有一开孔，螺栓可穿过开孔而装配。
3.根据权利要求2所述的密封垫，其特征在于密封区和延伸部由一连续材料制成。
4.根据权利要求1所述的密封垫，其特征在于使连接件保持在一起的装置包括安装在连接件两侧、相互间隔安置的支撑环和多个装配在支撑板之间的螺栓；密封垫包括多个突出于密封区的外缘之外的延伸部，每个延伸部含有一开孔，若干螺栓之一可安装在开孔中。
5.根据权利要求4所述的密封垫，其特征在于密封区和延伸部由连续材料制成。
6.根据权利要求1所述的密封垫，其特征在于密封垫包括一环形中心密封区和四个由此突出的矩形延伸部，每个延伸部包含至少一个在其内的装配孔。
7.一种密封流体管道中的连接件的密封垫，具有一内表面和一外表面，该密封垫包括一适于精确地座落在流体管道的内表面和外表面之间的密封区；至少一突出于密封区之外的延伸部，此延伸部包含一开孔，外装配螺栓可穿过开孔而安装其中，密封垫易于通过使密封区的外缘与流体管道的外表面对齐定位而便于在连接件内部定中心。
8.根据权利要求7所述的密封垫，其特征在于密封区和延伸部由一连续材料制成。
9.根据权利要求7所述的密封垫，其特征在于它包括多个突出于密封区之外的延伸部，每个延伸部包括一开孔，装配螺栓可通过开孔而安装。
10.根据权利要求9所述的密封垫，其特征在于密封区和延伸部由连续材料制成。
11.根据权利要求7所述的密封垫，其特征在于密封垫包括一环状中心密封区和至少两个由此突出的延伸部，每个延伸部包括至少一在其内的装配孔。
12.一种在管道的两段之间的法兰连接件内的密封垫定心方法，管道包含一内表面和一外表面，连接件通过至少一个在管道外的并充分地与连接件隔开的螺栓而被保持在一起，以便有可能接近管道的外表面，方法包括提供一具有连续密封面的密封垫，密封面为一种管道的内表面和外表面之间的精密配合；提供至少一个突出于密封垫的密封面之外的延伸部，延伸部包括一适宜于安装螺栓开孔以使连接件保持在一起；把密封垫宽松地安装在连接件内；在延伸件的开孔中穿过螺栓；通过把密封区的外缘与管道的外表面均衡地对齐定位使密封垫精确地在连接件内定中心；将连接件拧紧在一起以把密封垫固定在其中心位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于进一步包括在密封垫上设有多个延伸部，每个延伸部包括适宜于安装一在连接件上的多个装配螺栓之一的开孔；通过将每个延伸部与相应的装配螺栓连接而把密封垫宽松地附装到连接件内。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于形成密封垫的密封区和延伸部由连续材料构成。
全文摘要
本发明涉及易于安装和定中心的密封垫，特别是有关适于供凸起法兰连接件使用或类似应用的密封垫。本发明的密封垫采取利用外部装配螺栓的独特结构来促使在初始连接件组装和切截外缘过程中使密封垫保持在适当位置上以便为密封垫的最后精确定中心作准备。由于其在装配位置上的精度，本发明的密封垫可提供较紧的密封垫公差，因此较清洁层流可流过流体管道。
文档编号F16L23/16GK1142865SQ94194992
公开日1997年2月12日 申请日期1994年10月19日 优先权日1994年2月15日
发明者莉莲E·温纳, 罗斯·肯尼迪·赫特尔 申请人:W·L·戈尔及同仁股份有限公司