本發(fā)明涉及密封領(lǐng)域，尤其涉及用于高溫高壓、變溫變壓流體介質(zhì)管道及設(shè)備的連接用密封連接裝置。
背景技術(shù)：
氣體或液體等流體介質(zhì)的輸送管路和儲(chǔ)存容器經(jīng)常需要通過連接器進(jìn)行密封連接?？刹鹦兜姆ㄌm密封連接因?yàn)榫哂薪Y(jié)構(gòu)簡單，便于操作的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于化工、能源和機(jī)械領(lǐng)域的管路和容器的密封連接中。傳統(tǒng)的法蘭連接方式采用緊固螺栓將需要連接的兩個(gè)端口用法蘭連接起來。在法蘭端口的密封面上放有密封元件。緊固螺栓將兩個(gè)端面連在一起的同時(shí)，也將密封元件沿法蘭軸向緊緊地壓在密封面上。
上述法蘭連接的主要問題是，管道和儲(chǔ)存容器中流體介質(zhì)壓力的升高會(huì)使作用在密封元件上的壓力減小，使密封元件松弛。這個(gè)現(xiàn)象在高壓高溫管道和容器的連接中尤為明顯，造成法蘭連接密封困難和流體介質(zhì)泄漏。在安裝時(shí)為了保證足夠的密封預(yù)壓力，需要使用足夠大的緊固螺栓。大的螺栓需要法蘭直徑相應(yīng)加大，而相同厚度的大直徑法蘭又存在剛性不夠的問題，所以法蘭在增大直徑的同時(shí)還需要增加厚度，因此常規(guī)高壓法蘭連接器結(jié)構(gòu)十分笨重。
為了解決高壓介質(zhì)引起密封緊力下降、密封件松弛的現(xiàn)象，工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)了多種密封方式，利用介質(zhì)壓力增加作用在密封件上的力，即自緊式高壓密封，如：非金屬b型環(huán)密封、伍德密封、bridgman密封及楔型環(huán)密封等。
然而，伍德密封、bridgman密封及楔型環(huán)密封僅適用于端蓋密封，無法用于管道和容器的連接；非金屬b型環(huán)受限于彈性非金屬材料的使用溫度，無法滿足高溫高壓密封連接的需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是：針對當(dāng)前高溫高壓流體介質(zhì)管道及容器的密封連接裝置由于內(nèi)部介質(zhì)壓力升高或者溫度變化引起密封緊力松弛，出現(xiàn)泄露的問題，提供一種密封性能可靠的密封連接裝置。
一種密封連接裝置，包括第一端口件、第二端口件、密封元件及鎖緊件；所述第一端口件具有第一連接端，并在所述第一連接端設(shè)置有凸緣，所述凸緣具有在軸向上間隔設(shè)置的第一表面和第二表面；所述第二端口件具有第二連接端，所述第二連接端具有端面和內(nèi)環(huán)面；在組裝狀態(tài)，所述第一連接端與所述第二連接端對接，使所述第一端口件與所述第二端口件內(nèi)部連通，所述凸緣的所述第一表面與所述第二連接端的所述端面相對設(shè)置，所述鎖緊件與所述第二端口件固定連接，將所述密封元件沿軸向壓在所述第一端口件的所述凸緣的所述第二表面與所述鎖緊件之間，并且使所述密封元件抵接在所述第二連接端的內(nèi)環(huán)面，使所述第一端口件與所述第二端口件通過所述密封元件與外界密封隔離。
可選擇的，在組裝狀態(tài)，所述鎖緊件與所述凸緣的所述第二表面之間的所述密封元件能夠沿軸向被內(nèi)部介質(zhì)壓力進(jìn)一步壓縮。
可選擇的，所述鎖緊件與所述第二端口件通過螺栓固定連接。
可選擇的，所述鎖緊件為鎖緊螺母，與所述第二端口件通過螺紋連接。
可選擇的，所述第一端口件的所述第一連接端包括相互連接的第一本體及所述凸緣，所述第二端口件的所述第二連接端包括相互連接的第二本體和固定部，在所述組裝狀態(tài)，所述固定部圍繞所述凸緣和所述第一本體設(shè)置，并與所述鎖緊件固定連接，所述鎖緊件具有遠(yuǎn)離所述第一端口件的第一端及靠近所述第一端口件的第二端，所述第一端與所述固定部固定連接，所述第二端插入所述第一本體與所述固定部之間。
可選擇的，所述鎖緊件包括從所述第二端伸出的限位腳，所述鎖緊件與所述凸緣的所述第二表面之間具有間隔距離，所述限位腳用于限制該間隔距離的最小值。
可選擇的，所述鎖緊件的第二端和/或所述凸緣的所述第二表面具有斜面，所述密封元件抵接在所述斜面上。
可選擇的，所述鎖緊件的所述第二端具有連接機(jī)構(gòu)，與所述密封元件固定連接，使所述鎖緊件與所述密封元件形成一個(gè)完整零件。
可選擇的，所述鎖緊件由多個(gè)可拆分的子組件拼接而成。
可選擇的，所述密封元件為軟金屬、石墨、聚合物或復(fù)合材料填料，或者為非金屬o型密封圈、金屬o型環(huán)密封圈或c型環(huán)密封圈。
與傳統(tǒng)的法蘭連接方式相比，本發(fā)明鎖緊件與第二端口件之間的固定連接的主要作用不再是對密封元件施加足夠的壓力，而是僅僅對抗管道或容器內(nèi)部的介質(zhì)壓力，因此，固定連接需要的載荷大幅度降低，尺寸隨之變小，使得整個(gè)連接器的總體尺寸減小，重量減輕。密封連接裝置組件能夠防止在高介質(zhì)壓力下密封緊力松弛，能夠用于高溫高壓管道和/或容器的密封連接。
附圖說明
為了清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖；
圖1是本發(fā)明采用螺栓作固定件的密封連接裝置的實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明采用螺栓作固定件的密封連接裝置的實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明具有螺紋連接的密封連接裝置的實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明具有限位腳的鎖緊件的密封連接裝置的實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明具有限位腳的鎖緊件的實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明具有斜面的鎖緊件的密封連接裝置的實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是圖6中a區(qū)域的放大示意圖；
圖8是本發(fā)明具有斜面的鎖緊件的實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9是本發(fā)明具有斜面的第一端口件的密封連接裝置的實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖10是圖9中b區(qū)域的放大示意圖；
圖11是本發(fā)明鎖緊件和密封元件為一個(gè)整體零件的密封連接裝置的實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖12是圖11中c區(qū)域的放大示意圖；
圖13是本發(fā)明具有子組件的鎖緊件的實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了清楚的說明本申請的技術(shù)方案，以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本申請技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，具體實(shí)施例并不用于限定本申請。
請參閱圖1及圖2，本申請?zhí)峁┮环N密封連接裝置10，用于在需連接的設(shè)備之間，例如管路與管路之間、管路和容器之間，或容器與容器之間，實(shí)現(xiàn)外部密封連接及內(nèi)部流體連通。密封連接裝置10包括第一端口件100、第二端口件200、密封元件400及鎖緊件300；第一端口件100具有第一連接端102，并在第一連接端102設(shè)置有凸緣110，凸緣110具有在軸向上間隔設(shè)置的第一表面112和第二表面114；第二端口件200具有第二連接端202，第二連接端202具有端面222和內(nèi)環(huán)面212。第二連接端202用于與第一連接端102對接。
密封連接裝置10為可拆卸結(jié)構(gòu)，在組裝狀態(tài)，第一連接端102與第二連接端202對接，使第一端口件100與第二端口件200內(nèi)部連通，凸緣110的第一表面112用于與第二連接端202的端面222相對設(shè)置，鎖緊件300與第二端口件200固定連接，將密封元件400沿軸向壓在第一端口件100的凸緣110的第二表面114與鎖緊件300之間，并且使密封元件400抵接在第二連接端202的內(nèi)環(huán)面212，使第一端口件100與第二端口件200通過密封元件400與外界密封隔離。
鎖緊件300與第二端口件100之間的固定連接的主要作用不再是對密封元件400施加足夠的壓力，而是僅僅對抗管道或容器內(nèi)部的介質(zhì)壓力，因此，鎖緊件300與第二端口件100之間的固定連接需要的載荷大幅度降低，尺寸隨之變小，使得整個(gè)密封連接裝置10的總體尺寸減小，重量減輕。從圖2可以看出，當(dāng)連接裝置內(nèi)部介質(zhì)壓力增大時(shí)，增大的介質(zhì)壓力會(huì)通過第一端口件100、第二端口件200及鎖緊件300作用到密封元件400上，使作用在密封元件400上的壓力隨著內(nèi)部介質(zhì)壓力的增大而增大，因此，密封連接裝置10能夠防止在高介質(zhì)壓力下密封緊力松弛，能夠用于高溫高壓管道和/或容器的密封連接。而常規(guī)法蘭連接在內(nèi)部介質(zhì)壓力增大時(shí)作用在密封元件400的壓力會(huì)減小。
在組裝狀態(tài)，密封元件400受到沿軸向壓力從而實(shí)現(xiàn)初始密封。鎖緊件300與第一端口件100的凸緣110之間具有間隔區(qū)域，用于容納密封元件400。在一些實(shí)施例中，例如圖1及圖2的實(shí)施例中，鎖緊件300與凸緣110可完全間隔，當(dāng)連接的設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)壓力增加時(shí)，介質(zhì)壓力會(huì)通過第一端口件100的凸緣110的第二表面114作用到密封元件400上，使密封元件400上的密封力隨介質(zhì)壓力的增加而增加，使密封元件400沿軸向進(jìn)一步壓縮，從而防止高介質(zhì)壓力下密封元件400上的應(yīng)力松弛，形成自緊密封方式。可以理解，在另一些實(shí)施例中，鎖緊件300與凸緣110之間可以并非完全被密封元件400所間隔，在形成間隔容納和壓縮密封元件400實(shí)現(xiàn)密封的同時(shí)，還有部分鎖緊件300與凸緣110的表面相互接觸，從而形成支撐。
具體的，第一端口件100具有第一安裝端106，用于安裝在需連接的設(shè)備上，例如管路或容器。第一端口件100可以為一體成型的管材或環(huán)狀件，具有從第一安裝端106延伸至第一連接端102的第一通孔104。第二端口件200具有第二安裝端206，用于安裝在另一需連接的設(shè)備上，例如管路或容器。第二端口件200可以為一體成型的管材或環(huán)狀件，具有從第二安裝端206延伸至第二連接端202的第二通孔204。在組裝狀態(tài)，第一通孔104與第二通孔204連通，使兩個(gè)需連接的設(shè)備之間的流體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)連通。第一連接端102的第一表面112與第二連接端202的端面222之間具有間隙，該間隙與內(nèi)部的第一通孔104和第二通孔204連通，需要密封以與外界隔離。該間隙靠近外側(cè)的邊緣即為外側(cè)邊緣12。
第一連接端102與第二連接端202優(yōu)選為直接抵靠并接觸，第二連接端202的端面222與第一連接端102的第一表面112接觸，形成環(huán)形的連接表面，連接表面靠近第一通孔104與第二通孔204的邊緣為內(nèi)側(cè)邊緣，靠近外部的邊緣為外側(cè)邊緣12，外側(cè)邊緣12為環(huán)形。
密封元件400為環(huán)形件，被鎖緊件300壓在并貼合內(nèi)環(huán)面212，優(yōu)選為貼合外側(cè)邊緣12，從而在第一端口件100與第二端口件200之間形成密封，使第一通孔104和第二通孔204與外界隔離。密封元件400為彈性件，能夠在壓力作用下發(fā)生彈性形變。密封元件400的材料可以根據(jù)具體工況選擇，例如可以為軟金屬、石墨、聚合物或復(fù)合材料等。密封元件400可以是非金屬o型密封圈、金屬o型環(huán)密封圈或金屬c型環(huán)密封圈。
在第一端口件100中，優(yōu)選的，第一連接端102包括相互連接的第一本體120及凸緣110。凸緣110為環(huán)形結(jié)構(gòu)，凸緣110環(huán)繞第一本體120設(shè)置，并從第一本體120向第一端口件100的側(cè)方凸出。
在第二端口件200中，優(yōu)選的，第二連接端202包括相互連接的第二本體220和固定部210，固定部210從第二本體220凸出，從而形成臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)。第二本體220用于與凸緣110連接，優(yōu)選的，組裝狀態(tài)中第二本體220與凸緣110的第一表面112抵靠并接觸。固定部210用于與鎖緊件300固定連接，固定部210為環(huán)形結(jié)構(gòu)，圍繞第二本體220設(shè)置，在組裝狀態(tài)時(shí)，固定部210圍繞凸緣110設(shè)置，固定部210的內(nèi)徑與凸緣110的外徑相互配合，使凸緣110能夠在軸向上運(yùn)動(dòng)。更優(yōu)選的，固定部210包括內(nèi)環(huán)面212，內(nèi)環(huán)面212與密封元件400接觸。
固定部210還圍繞第一本體120設(shè)置，并與第一本體120在徑向(即垂直于第一通孔104的延伸方向)上間隔第一距離i設(shè)置。
鎖緊件300優(yōu)選為一體的環(huán)形件，在組裝狀態(tài)，鎖緊件300套設(shè)在第一端口件100外部，通過鎖緊件300與第二端口件200固定連接，使第一端口件100在徑向上限位。在優(yōu)選的實(shí)施例中，鎖緊件300能夠插入第一本體120與固定部210之間，更優(yōu)選是插入部分在徑向具與第一距離i基本相等的尺寸，并與第一本體120與固定部210之間的尺寸配合。在本實(shí)施例中，在軸向(即第一通孔104的延伸方向)上鎖緊件300與第一端口件100能夠相對運(yùn)動(dòng)，以使第一端口件100在內(nèi)部壓力升高時(shí)對密封元件400施加的壓力增大。在優(yōu)選的實(shí)施例中，鎖緊件300具有遠(yuǎn)離第一連接端102的第一端302及靠近第一連接端102的第二端304，第一端302與第二端口件200固定連接，第二端304插入第一本體120與固定部210之間。第二端304優(yōu)選具有與第一本體120與固定部210之間配合的尺寸。在組裝狀態(tài)，鎖緊件300與凸緣110在軸向上間隔第二距離ii。優(yōu)選的，第二距離ii小于密封元件400未壓縮時(shí)的尺寸，使的密封元件400處于壓縮狀態(tài)。鎖緊件300與第二端口件200可通過固定件500連接，例如通過螺釘或螺栓連接。相應(yīng)的，鎖緊件300的第二端304具有用于螺栓穿過的通孔，第二端口件200的固定部210具有用于與螺栓連接的螺孔。
具體的，一個(gè)通徑45毫米，介質(zhì)壓力為42mpa的常規(guī)法蘭連接器尺寸為，法蘭直徑205毫米，總厚度120毫米，緊固螺栓m30x4，總重量約18公斤；采用本發(fā)明實(shí)施例，最大直徑115毫米，總厚度59毫米，緊固螺栓m8x8，總重量3.5公斤。本發(fā)明實(shí)施例與常規(guī)方案相比，尺寸減小約一半，重量減到只有1/5。
請參閱圖3，在一實(shí)施例中，為減小尺寸與重量，對于小通徑(內(nèi)徑≤26毫米)的密封連接裝置10，鎖緊件300與第二端口件200可以通過螺紋310連接。優(yōu)選的，鎖緊件300插入第一本體120與固定部210之間，第二端304與固定部210相互接觸的表面具有配合的螺紋310，例如，鎖緊件300可以為鎖緊螺母?？梢岳斫?，在其他實(shí)施例中，鎖緊件300可以環(huán)繞設(shè)置在固定部210外側(cè)(圖未示)，且與固定部210相互接觸的表面具有配合的螺紋310。通過螺紋310連接的鎖緊件300與第二端口件200無需再通過固定件500連接，從而使密封連接裝置10具有較小的尺寸和重量。
請參閱圖4及圖5，在一實(shí)施例中，管道和/或容器內(nèi)的介質(zhì)的溫度和/或壓力可能不穩(wěn)定而經(jīng)常變化。鎖緊件300可以包括限位腳320，限位腳320從第二端304伸出。在組裝后的初始密封狀態(tài)下，密封元件400被鎖緊件300壓縮了一個(gè)初始彈性變形，形成初始密封。限位腳320可以與凸緣110抵靠設(shè)置或者間隔設(shè)置，根據(jù)實(shí)際使用工況決定。在組裝后的初始密封狀態(tài)中限位腳320與凸緣110留有間隔時(shí)，當(dāng)內(nèi)部介質(zhì)壓力增高時(shí)，介質(zhì)壓力通過凸緣110作用到密封元件400上，使密封元件400上的壓力增加，同時(shí)使限位腳320與凸緣110的第二表面114之間的間隙變小，直至為零。這時(shí)，即使介質(zhì)壓力繼續(xù)增加，密封元件400的變形也基本保持不變。由于限位腳320的存在，密封元件400的最大變形量保持基本固定，避免了過量變形。當(dāng)限位腳320與凸緣110的第二表面114之間達(dá)到抵靠之后，密封元件400所受的力基本不變，避免了由內(nèi)部壓力升高或經(jīng)常劇烈變化而出現(xiàn)的密封元件400的過度變形和松弛現(xiàn)象。由于密封元件400仍然受到鎖緊件300的壓縮，即使因第一端口件100與第二端口件200之間的間隙變化而作軸向微移動(dòng)，也不會(huì)影響密封效果。相比于傳統(tǒng)的法蘭連接，減低了對固定件500及整個(gè)連接裝置10在高壓、超高壓條件下的抗變形剛度的要求。因此整個(gè)連接裝置的尺寸較小，重量減輕。
請參閱圖6至圖8，在一實(shí)施例中，鎖緊件300的第二端304具有斜面306和平面308。斜面306與凸緣110之間的間隔中設(shè)置密封元件400，例如是非金屬o型密封圈、金屬c型環(huán)密封圈或金屬o型環(huán)密封圈。當(dāng)平面308與凸緣110間隔時(shí)，介質(zhì)壓力會(huì)通過第一端口件100的凸緣110的第二表面114作用到密封元件400上，使密封元件400上的密封力隨介質(zhì)壓力的增加而增加，使密封元件400沿軸向進(jìn)一步壓縮，從而防止高介質(zhì)壓力下密封元件400上的應(yīng)力松弛，形成自緊密封方式。當(dāng)平面308與凸緣110在初始的組裝狀態(tài)就相互抵靠時(shí)，密封元件400在此后所受壓力基本不變，能夠避免由內(nèi)部壓力升高或經(jīng)常劇烈變化而使密封元件400上的受力發(fā)生變化，從而避免密封元件400出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。
請參閱圖9及圖10，在一實(shí)施例中，凸緣110的第二表面114具有斜面1142和平面1144，平面1144與鎖緊件300的第二端304可以相互間隔或抵靠。斜面1142與鎖緊件300的第二端304之間的間隔中設(shè)置密封元件400，例如是非金屬o型密封圈、金屬c型環(huán)密封圈或金屬o型環(huán)密封圈。
上述圖6至圖10的實(shí)施例可以減低零件的加工精度和裝配難度，這些密封元件400與帶斜面的凸緣110或第二端304配合使用，可以獲得簡單有效可靠的密封。
在一實(shí)施例中，鎖緊件300與密封元件400固定連接，形成一個(gè)整體零件，使密封元件400與鎖緊件300可以同時(shí)拆裝，增加組裝便利性。鎖緊件300的第二端304可以具有連接機(jī)構(gòu)，如安裝槽330，使密封元件400卡在安裝槽330中，從而與第二端304固定連接。
請參閱圖11及圖12，在一實(shí)施例中，凸緣110對應(yīng)具有斜面1142，在組裝狀態(tài)，鎖緊件300的第二端304與凸緣110的平面1144可以相互間隔或抵靠，與鎖緊件300的第二端304連接的密封元件400被凸緣110的斜面1142撐開，密封元件400壓在第二連接端202的內(nèi)環(huán)面212，使第一端口件100與第二端口件200通過密封元件400與外界密封隔離。
請參閱圖13，為增加密封連接裝置10的裝拆便利性，在一實(shí)施例中，該鎖緊件300為分塊結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)子組件360，該多個(gè)子組件360可拼接成其他實(shí)施例中的完整的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的鎖緊件300。
與傳統(tǒng)的法蘭連接方式相比，本發(fā)明實(shí)施例由于密封元件400上的壓力在高壓下主要來自內(nèi)部介質(zhì)壓力本身，或者是一個(gè)固定值，不隨介質(zhì)壓力變化而變化，所以鎖緊件300與第二端口件200之間的連接件500固定連接的主要作用不再是對密封元件400施加足夠的壓力，而是僅僅對抗管道或容器內(nèi)部的介質(zhì)壓力，因此，連接件500上的載荷大幅度降低，尺寸隨之變小，使得整個(gè)連接器10的總體尺寸減小，重量減輕。由于鋁合金的彈性模量只有鋼的約1/3，對于采用鋁質(zhì)的連接裝置，其體積縮小、重量減輕的效果將尤其顯著。本發(fā)明實(shí)施例徹底解決了傳統(tǒng)的法蘭連接由于內(nèi)部介質(zhì)壓力高引起的密封元件應(yīng)力松弛的問題，可實(shí)現(xiàn)高壓、超高壓下的可靠密封連接。采用鎖緊件300的第二端304與凸緣110之間的第二距離具有最小值的連接方式，能夠有效解決溫度、壓力變化引起密封元件400過度壓縮后出現(xiàn)的介質(zhì)泄露問題。
這種密封連接裝置10特別適用于高壓、高溫介質(zhì)，變溫、變壓介質(zhì)管道及容器之間的密封連接領(lǐng)域，例如航天和深海領(lǐng)域。
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。