一种高温高压连接用金属密封结构制造技术

高温高压连接用金属密封结构，由上封头法兰（１）、金属密封垫片（４）及筒体端部法兰（８）三部分组成，上封头法兰（１）与筒体端部法兰之间的密封面设有金属密封垫片，且金属密封垫片的截面与上封头法兰（１）与筒体端部法兰之间的密封面的截面均是具有二条边的角，其角度为７０－１１０°，二个截面的形状是吻合的；上封头法兰（１）与筒体端部法兰和金属密封垫片的接触面即角的二条边的截面构成锥形面，二条边的截面上具有齿形，上封头法兰和筒体端部法兰上设置有均匀分布的用于安装主螺栓的螺栓孔（２），上封头法兰下部和设有的托环（１１）上相应位置设置有用于安装螺栓的螺栓孔（１２），用托环将金属密封垫片固定在上封头法兰密封槽内。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种密封结构，尤其是高温高压连接用密封结构，更具体地说涉及一种可用于高温高压且温度压力均有波动的压力容器或其它过程设备的金属密封连接 结构。
技术介绍
垫片是影响连接密封性能的关键元件。随着压力容器和管道向高温、高压及大型 化方向发展，对高温高压密封提出了更高的要求。就高温高压密封元件而言，目前使用的主 要有金属平垫密封、双锥环密封、C型环密封、金属0形环密封、八角垫密封以及透镜垫密封 等。国内外许多单位和技术团体纷纷开展了金属垫片密封研究。 理论研究方面，在国外，Kollma皿依据虎克定律，对金属平垫在高压工况下的弹、 塑性应力应变进行了分析，发现在高压下，金属平垫发生显著的弹性变形且影响其密封性 能，得到了相应的应力应变公式。应力应变公式的建立为金属平垫设计提供了理论依据。 Thomas采用G_W和M-R弹性接触模型研究了表面粗糙度对金属密封表面变形的影响，研究 表明表面形貌对金属密封性能影响很大，在相同的密封程度下，使密封面的接触区产生弹 性变形所需要的接触力不一定小于产生塑性变形所需要的接触力，接触表面越粗糙这种情 况越明显。Korndorf详述了双锥环密封的计算方法，在此方法中考虑了具有摩擦力的双锥 环因内压载荷所产生的附加螺栓力，但忽略了由预紧力所产生的双锥环应力。Bertsch等推 导出了双锥环的螺栓力及密封比压和内压的关系式，从而能够较准确地计算双锥环的有效 密封力。 在国内，兰州石油化工机器厂二分厂技术组依据双锥环密封连接的变形协调条 件，用解析方法描述双锥环密封结构升压和降压的工作过程，提出了各个工作阶段的螺栓 力和密封力与压力载荷的解析关系，并试图以简化的力学图解加以直观说明。巢建伟从理 论上分析了超出标准范围的高压和大直径八角垫的受力情况，给出了预紧和操作状况下螺 栓载荷的计算公式，此公式中螺栓载荷的计算不是以m、 y值为基础，而是与预紧比压、操作 压力、螺栓和八角垫的材料尺寸、摩擦角有关，并提出了设计使用八角垫时的注意事项。梁 乃章分析了目前国内采用的透镜垫连接系统螺栓载荷计算公式中存在的问题，着重探讨了 摩擦力、介质种类及工作压力对螺栓载荷的影响，并提出了初步的改进意见。冯秀和顾伯勤 通过对不同压应力下的金属垫片密封表面轮廓曲线进行测量，依据分形几何理论研究了金 属垫片密封表面形貌的分形特征，采用结构函数法计算表面轮廓的分形维数、尺度系数和 特征尺度系数，探讨了压应力对分形参数的影响，并依据分形几何理论，结合不可压縮粘性 流体层流流动理论，建立基于分形参数的金属垫片泄漏模型，该模型揭示了泄漏率与密封 表面形貌之间的关系。 实验研究方面，在国外，Buchter对金属垫片密封进行了一系列的试验研究发现， 使金属密封面的接触区产生弹性变形的接触力不能够形成耐高压的紧密密封，只有在密封 接触力使接触面产生永久变形时，才能够形成密封，且密封接触力是垫片材料屈服强度的两倍。高压密封连接的密封元件不需要很高的表面光洁度。Bazergui对椭圆垫进行了试验 研究，结果发现随着垫片应力的增加，泄漏率降低速度很快，而达到某一垫片应力后，泄漏 率随垫片应力变化很小。Matsuzaki Yoshil等利用薄的聚碳酸酯软片观察了金属平垫接触 状态。 在国内，各种金属垫片试验研究也很活跃。合肥通用机械研究所高压密封课程组 对小1000mm的金属"0"形环进行了密封试验，探索了螺栓预紫力、压扁度、温度及径向错动 对密封性能影响，比较了各种规格"O"形环的密封性能。李压明对两种小尺寸不锈钢"O" 形环进行了力学性能和密封性能试验研究及弹性强度分析，建立了线密封比压与紧密性系 数的关系。王立业和王学文等的研究结果表明，无论是八角垫，还是椭圆垫，垫片材料的硬 度和密封面的粗糙度对密封性能均有影响，而粗糙度的影响程度比硬度的影响小得多。石 泽华等对空心金属"O"形环进行了常温定量气密性试验研究，研究表明空心金属"O"形环 在氦气介质中密封性能优良，并可以重复使用。合肥通用机械研究所高压课题组对双锥环 密封进行了试验，探索了双锥环在预紧阶段和工作阶段的密封机理，指出了影响双锥环密 封的主要因素，初步验证了双锥环密封的设计方法。钟大鸣根据大量试验，分析了加铝垫双 锥环的密封特性参数、密封面宽度和密封面接触状况等。张立权等对透镜垫密封进行了试 验研究，发现合理选取预紧力是透镜垫可靠密封的重要保证。于新奇对金属透镜垫的密封 性能作了深入的试验研究，探讨了介质压力、比压、表面粗糙度、介质种类等因素对透镜垫 密封性能的影响。胡少波等对金属八角垫的常温力学性能和密封性能进行了试验研究，提 出了压縮回弹性能和密封性能的公式表示方法，通过试验数据的回归分析得到了公式中的 系数，在此基础上，建立了一种确定八角垫预紧载荷的新方法。 尽管国内外在金属垫片的理论及实验研究方面做了大量的工作，但在工作条件比 较苛刻时，如在高温、高压且温度和压力都有较大波动情况下，金属密封发生泄漏的情况仍 发生频繁。这势必造成设备或机组被迫停机，带来较大的经济损失，甚至造成事故。针对以 上问题，设计了一种密封面具有齿形形貌，回弹性能好且具有自紧作用的金属密封连接结 构。该结构可以实现高温高压且温度和压力波动比较大的工况下压力容器和管道的有效密 封。
技术实现思路
本技术的目的在于解决在高温、高压且温度和压力波动较大的场合下压力容器和管道密封困难的问题，提供一种高温高压连接用金属密封连接结构，在预紧载荷作用下该金属垫容易发生塑性变形以形成线密封，克服了预紧作用下上锥面接触应力偏小和内压作用下下锥面接触应力偏小从而导致的密封失效的问题；内侧具有"C"型槽的双锥结构使得垫片回弹性能好，且具有自紧作用，可以实现复杂工况条件下的有效密封。本技术的技术方案如下高温高压连接用金属密封结构，包括上封头法兰、金属密封垫片及筒体端部法兰三部分组成。上封头法兰与筒体端部法兰之间的密封面设有金属密封垫片，且金属密封垫片的截面与上封头法兰与筒体端部法兰之间的密封面的截面均是具有二条边的角，其角度为70-110° ，二个截面的形状是吻合的；上封头法兰与筒体端部法兰和金属密封垫片的接触面即角的二条边构成锥形面，二条边(截面)上具有齿形，上封头法兰和筒体端部法兰上设置有均匀分布的螺栓孔，用于安装主螺栓，提供压紧力以实现密封。上封头法兰下部和托环上相应位置设置有螺栓孔，用于安装螺栓，用托环将金属密 封垫片固定在上封头法兰密封槽内。 上封头法兰1与筒体端部法兰和金属密封垫片的接触面具有相同的斜度，金属密 封垫片的上、下密封面是锥形面6、7，锥形面的二条边(截面)上具有齿形(形貌)，在预紧 力的作用下法兰和金属密封垫片接触时，金属密封垫片容易发生塑性变形以实现线密封， 可以克服预紧作用下上锥面接触应力偏小和内压作用下下锥面接触应力偏小从而导致的 密封失效的问题。 本技术的改进是金属密封连接结构的主要特征在于该金属密封不仅具有双 锥密封的优点，且金属密封垫片二条边构成角的截面中内侧开有一 "C"型槽5，其有效增加 了垫片的回弹性能，降低螺栓预紧力，为安装带来方便。该金属密封连接结构如图4所示。 本技术的有益效果是本技术的金属密封连接结构简单，加工要本文档来自技高网...

【技术保护点】
高温高压连接用金属密封结构，其特征是包括上封头法兰（１）、金属密封垫片（４）及筒体端部法兰（８）三部分组成，上封头法兰（１）与筒体端部法兰之间的密封面设有金属密封垫片，且金属密封垫片的截面与上封头法兰（１）与筒体端部法兰之间的密封面的截面均是具有二条边的角，其角度为７０－１１０°，二个截面的形状是吻合的；上封头法兰（１）与筒体端部法兰和金属密封垫片的接触面即角的二条边的截面构成锥形面，二条边的截面上具有齿形，上封头法兰和筒体端部法兰上设置有均匀分布的用于安装主螺栓的螺栓孔（２），上封头法兰下部和设有的托环（１１）上相应位置设置有用于安装螺栓的螺栓孔（１２），用托环将金属密封垫片固定在上封头法兰密封槽内。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾伯勤，戴玉林，朱瑞松，孙振国，陈晔，周剑锋，邵春雷，奚冬兴，孙正毅，王洪静，钱海燕，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石化扬子石油化工有限公司，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]