CN109882672B - 一种可曲挠、耐高压的短臂法兰 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可曲挠、耐高压的短臂法兰。传统法兰称之为长臂法兰。短臂法兰与长臂法兰在法兰片的圆周上同样设置有用于锁紧法兰片的螺栓。不同之处是短臂法兰片的力臂更短，厚度更小。考虑到密封原件需要足够的空间，本专利把1/2确定为短臂法兰的最小临界值，也是一种优化值。在此基础上设计O形橡胶密封圈结构和带金属挡圈的密封元件结构。由于短臂法兰采用抗曲挠的限位密封结构，抗曲挠角不小于|±2.2°|，橡胶元件不欠压缩，也不过压缩。不仅是免维护的结构，还几乎具有终生不维修性能和半永久性的寿命，这是未来的智能型管道不可或缺的连接管件。我们的专利技术优化了法兰管件的设计，并把它推向了新的历史高度。

Description

一种可曲挠、耐高压的短臂法兰

技术领域

本发明属于管件的连接件，具体涉及一种可曲挠、耐高压的短臂法兰。

背景技术

法兰是管道的主要连接件。中国的法兰标准GB/T9112系列和化工管道法兰标准HG系列其理论依据源于英国的皇家工程院BS和美国材料与试验协会ASTM。中国的法兰标准GB/T9112和HG是在上述两家机构制定标准的基础上照搬和修改后颁发的。

我们将法兰标准GB/T9112系列和化工管道法兰标准HG系列中规定的技术产品称之为长臂法兰。长臂法兰的设计以存在严重缺陷的片式密封作为设计依据，而片式密封需要较宽的力臂和法兰厚度，导致了所有长臂法兰傻、大、笨的现状。长臂法兰因为属于不耐曲挠的密封结构，因此需要每年进行维护，与现代社会所需要的智能管道、百年免维护管道相去甚远。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可曲挠、耐高压的短臂法兰。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可曲挠、耐高压的短臂法兰，包含两法兰片，被连接的管件置于法兰片内孔内，所述法兰片的圆周上设置有用于固定的螺栓，其特征在于，其中一个法兰片的端面上设置有向另一法兰片端面延伸的外挡圈，该外挡圈、管件壁以及法兰片之间构造一个相对于法兰连接端面外置的限位密封槽，该限位密封槽中设置有弹性橡胶密封圈，该限位密封槽与弹性橡胶密封圈的配合关系为，V1＝(1.03-1.08)V2，其中，V2为所述弹性橡胶密封圈的体积，V1为所述限位密封槽的容积；该短臂法兰连接时，弹性橡胶密封圈始终处于受压状态，所述限位密封槽和受压的弹性橡胶密封圈形成一个可曲挠的限位密封结构；所述的短臂法兰满足：

其中，h2为该短臂法兰的法兰片厚度，L2为该短臂法兰的力臂，h1为采用现有标准时连接同等规格管件的长臂法兰的法兰片厚度，L1为采用现有标准的连接同等规格管件的长臂法兰的力臂长度。

进一步的，所述的法兰为板式法兰，该法兰的端面即为法兰连接端面，所述管件的端头与短臂法兰焊接，在其中一个法兰端面上设置向另一法兰端面延伸的外挡圈，所述的外挡圈与管件壁面、法兰端面共同形成限位密封槽，所述限位密封槽内设置的弹性橡胶密封圈为O型橡胶圈。

进一步的，所述的法兰为内凹法兰，该法兰的内凹面即为法兰连接端面，所述管件两端头设置有垂直的翻边，所述的翻边处设置有外挡圈，所述翻边与法兰、外挡圈共同形成限位密封槽，所述限位密封槽内设置的弹性橡胶密封圈为矩形橡胶圈。

进一步的，所述的外挡圈紧密粘结在弹性橡胶密封圈的内侧。

进一步的，所述的弹性橡胶密封圈在法兰连接时受压的形变量不低于15％。

进一步的，设弹性橡胶密封圈的截面面积S₁、弹性橡胶密封圈截面高度H₁、限位凹槽深度C₁、限位凹槽的宽度C₂、限位凹槽的空间S₂有如下的关系式：

其中η₁＝0.95-0.99；η₂＝0.7-0.75。

进一步的，所述的限位密封槽深度C1在连接不同规格的管件时设定优化值如下：

所述的限位密封槽深度的实际值C'₁＝(0.95～1.05)×C₁。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在长臂法兰的基础上做了改进，发明了短臂法兰，短臂法兰的限位密封结构，解决了法兰管件的密封和曲挠问题。与长臂法兰相比，短臂法兰的力臂最大可缩短一半，厚度最大可缩小一半，法兰管件的重量减少了一半以上，使用限位密封结构后，密封和抗曲挠性能更优越，这种法兰属于未来的免维护智能管道不可或缺的连接管件。

(2)长臂法兰是依靠臂的长度和承载片式橡胶密封，而片式橡胶密封在一段时间内很难形成稳定的密封。由于管道的热胀冷缩，夏天密封橡胶处于过度压缩状态，冬天密封橡胶又处于欠压缩状态，经过一两个冬夏后，管道的密封就失效了，需要靠人工修复。而短臂法兰采用截面直径具有足够厚度的密封橡胶圈进行限位密封，橡胶在特定的密封槽内处于既不欠压缩，也不过度压缩的恒定压缩状态，法兰的密封寿命几乎是半永久性的。本结构的密封结构属于可曲挠的限位密封结构，该短臂法兰连接管件时，弹性橡胶密封圈的形变量始终不低于15％，该限位密封槽和受压的弹性橡胶密封圈形成一个可曲挠的限位密封结构，其抗曲挠角不小于|±2.2°|，是以片式密封的普通法兰曲挠角的22倍以上，不仅具有很强的抗曲挠的性能，并具有几乎拥有半永久的使用寿命。

附图说明

图1为长臂法兰示意图；

图2为短臂法兰示意图；

图3为平板式长臂法兰的截面示意图；

图4为平板式短臂法兰的截面示意图；

图5为板式法兰连接的结构示意图；

图6为内凹法兰连接的结构示意图；

图7为O型橡胶圈的结构示意图；

图8为矩形橡胶圈的结构示意图；

图中，1-外挡圈，2-弹性橡胶密封圈，3-翻边。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：

一种可曲挠、耐高压的短臂法兰，包含两法兰片，被连接的管件置于法兰片内孔内，所述法兰片的圆周上设置有用于固定的螺栓，其中一个法兰片的端面上设置有向另一法兰片端面延伸的外挡圈1，该外挡圈1、管件壁以及法兰片之间构造一个相对于法兰连接端面外置的限位密封槽，该限位密封槽中设置有弹性橡胶密封圈2，该限位密封槽与弹性橡胶密封圈2的配合关系为，V1＝(1.03-1.08)V2，其中，V2为所述弹性橡胶密封圈2的体积，V1为所述限位密封槽的容积；该短臂法兰连接时，弹性橡胶密封圈2始终处于受压状态，所述限位密封槽和受压的弹性橡胶密封圈2形成一个可曲挠的限位密封结构；所述的短臂法兰满足：

其中，h2为该短臂法兰的法兰片厚度，L2为该短臂法兰的力臂，h1为采用现有标准时连接同等规格管件的长臂法兰的法兰片厚度，L1为采用现有标准的连接同等规格管件的长臂法兰的力臂长度。

我们将法兰标准GB/T9112-2010《钢制管法兰类型与参数》中的法兰称为长臂法兰。长臂法兰的涉及的相关数据DN50～DN400(mm)如表1所示。

表1长臂法兰涉及的相关数据DN50～DN400(mm)

注：表1中的管材数据取自ASTM标准中公称压力为2.5MPa的法兰的数据。

根据板的曲挠公式：

长臂法兰曲挠度：

长臂法兰曲挠角：

长臂法兰惯性矩：

式中：F₁—长臂法兰所受的由管道带来的轴向热应力，kg；

L1—长臂法兰的臂长，mm；

E—S30408不锈钢材料的弹性模量，取193kN/mm²；

I₁—长臂法兰的惯性矩，mm⁴；

EI₁—长臂法兰刚度，kN·mm²。

由于长臂法兰的密封属于片式橡胶密封，这是一种不抗曲挠的密封形式，其允许的曲挠角不大于0.1°。因此，传统的长臂法兰以此为边界条件设定法兰钢板的厚度。人们也可以从曲挠角计算公式反推出法兰板的理论厚度。在70年前，英美科学家和工程师正是这样做的。当时还没有计算机，他们用了数年时间和拉计算尺的方法设计出了现在的标准。

根据长臂法兰的计算方式得知短臂法兰的计算方式：

短臂法兰曲挠度：

短臂法兰的惯性矩：

式中：F₂—短臂法兰所受的由管道带来的轴向应力，kg；

L2—短臂法兰的臂长，mm；

E—S30408不锈钢材料的弹性模量，取193kN/mm²；

I₂—短臂法兰的惯性矩，mm⁴；

EI₂—短臂法兰刚度，kN·mm²；

短臂法兰由于臂短，无法像长臂法兰一样留下足够宽的片式密封水槽线，但是可以设计出满足公称压力为1.0MPa、1.6MPa、2.5MPa、4MPa的不同宽度的限位密封槽，从而满足密封的需要。

以下将证明在约定条件：F₁＝F₂，

的情况下进行。短臂法兰和长臂法兰在相等热应力(或拉拔力)的作用下，短臂法兰的曲挠度不大于长臂法兰，从而说明我们的设计是安全的。

将上述的约定条件代入(1)可得

将上述数据代入(4)可得

即证明了在上述的假设下，W_B2＝W_B1，说明了短臂法兰在长臂法兰的基础上即使减少一半的臂长和减少一半的厚度，其曲挠度和长臂法兰是可以相等的。由于在工程实际应用中短臂法兰选用的不锈钢管材壁厚小于长臂法兰的壁厚，导致W_B2＜W_B1，说明短臂法兰的抗曲挠性更强，可靠性更高。

所以，从理论上来说，短臂法兰的设计是合理的。考虑到密封原件需要足够的空间，0.5是短臂法兰的最小临界值，也是一种优化值。在L2＝0.5L1且h2＝0.5h1时，我们尚能在法兰片上留下足够空间设计限位密封结构。故短臂法兰的法兰厚度为长臂法兰的0.5～1，短臂法兰的力臂长度为长臂法兰的0.5～1，本实施例设计的短臂法兰涉及的相关数据DN50～DN400(mm)如表2所示。

表2短臂法兰设计数据DN50～DN400(mm)

注：表2为公称压力2.5MPa的不锈钢法兰片和不锈钢配管的数据。

设长臂法兰配管壁厚t₁、长臂法兰不锈钢管道轴向热应力为F1的计算公式：

F₁＝πD_Wt₁σ_0.2 (6)

式中σ_0.2---不锈钢管材的许用应力强度，通常取值为150MPa。

设长臂法兰螺纹锁紧力为F₁’：

式中d1----长臂法兰螺栓直径，mm；

σ’_0.2---高强螺杆的许用应力强度，通常取值为400MPa。

要求：

从表1可以看出，式(8)是成立的。

由式(6)、式(7)和式(8)推知短臂法兰的计算方式，根据表2的数据验证了

同样成立，即管道的轴向热应力远小于螺纹的锁紧力，即使不适用温度补偿器，也是一种安全的设计。

长臂法兰的力矩：

M₁＝F₁L₁ (9)

长臂法兰抵抗矩：

推知短臂法兰的力矩：

M₂＝F₂L₂ (11)

短臂法兰抵抗矩：

以下我们将要从表3验证短臂法兰的力矩和抵抗矩之比是合理的，即M/W＜450MPa(或45kg/mm²)，这将证明短臂法兰满足抵抗矩的要求。计算结果如表3所示。

表3公称压力为2.5MPa的长、短臂法兰M/W数据比值

从表3可以看出，短臂法兰的力矩和抵抗矩之比是合理的，证明短臂法兰满足抵抗矩的要求。

长臂法兰的设计原理：要满足法兰片的抗曲挠性能，比如在受力情况下，法兰曲挠角应不大于|±0.1°|，这就要求法兰片必须要有足够的厚度；要满足法兰片的密封性能，法兰片必须要有足够的宽度；长臂法兰的密封性能是由片式橡胶片的宽度和厚度决定的，这就导致了法兰片必须有足够的宽度和厚度。这就是长臂法兰片傻、大、笨、重的原因。

在等曲挠度的情况下，有公式

假设L₂＝kL₁，h₂＝kh₁，则k的数值范围为k₀≤k≤1(k₀>0)时，这是k的取值范围。当k＝1时，该法兰片就是满足ISO、BS和ASTM的长臂法兰标准；当k₀≤k＜1时，此时的法兰片为我们定义的短臂法兰；我们发现，当k＝1/2时，此时的法兰片是我们所要寻找的满足所有边界受力条件的一种优化的、免维护的短臂法兰；当k＝1/3时，我们能设计出专用于薄壁不锈钢智慧管道的、终生免维护的短臂法兰。

本实施例在长臂法兰的基础上做了改进，发明了短臂法兰，短臂法兰的限位密封结构解决了法兰管件的密封和曲挠问题。与长臂法兰相比，短臂法兰的力臂缩短，厚度缩小，法兰管件的重量减少了一半以上，但密封和抗曲挠性能更优越，这种法兰属于未来的免维护智能管道不可或缺的连接管件。

本实施例中外挡圈1、管件壁以及法兰片之间构造一个相对于法兰连接端面外置的限位密封槽，避免了在法兰片上之间挖槽的方式构造限位密封槽，避免了挖槽降低法兰片强度，保持了法兰的完整性和均衡性。

长臂法兰是依靠臂的长度和承载片式橡胶密封，而片式橡胶密封在一段时间内很难形成稳定的密封。片式橡胶密封在受压后厚薄不均，在薄弱处由于关键内流体的剪切力而极易发生损坏，无法在长时间内继续形成有效的密封，抗剪切性能差。而短臂法兰在受压后，弹性橡胶密封圈依然厚度均匀，发生扭曲后密封圈回弹至原有状态，不会发生损毁，法兰可以继续维持有效的密封，抗剪切性能好。

并且，由于管道的热胀冷缩，夏天密封橡胶处于过度压缩状态，冬天密封橡胶又处于欠压缩状态，经过一两个冬夏后，管道的密封就失效了，需要靠人工修复。而短臂法兰采用截面直径具有足够厚度的密封橡胶圈进行限位密封，橡胶在特定的密封槽内处于既不欠压缩，也不过度压缩的恒定压缩状态，法兰的密封寿命几乎是半永久性的。本结构的密封结构属于可曲挠的限位密封结构该限位密封槽和受压的弹性橡胶密封圈2形成一个可曲挠的限位密封结构，其抗曲挠角不小于|±2.2°|，是以片式密封的普通法兰曲挠角的22倍以上，不仅具有很强的抗曲挠的性能，并具有几乎拥有半永久的使用寿命。

在现代工程建设中，无论是供水、燃气还是化工管道，都大量使用不锈钢管道。由于不锈钢管道几乎不考虑腐蚀余地，其寿命主要是取决于管件的寿命。短臂法兰是一种常用的、可曲挠的、而且几乎百年免维护的连接管件，因此，它将是未来智能管道系统不可或缺的连接元件。

本实施例中的弹性橡胶密封圈采用弹性密封橡胶，这是根据其伸缩率、弹性恢复力和耐腐蚀等性能优化的。弹性密封橡胶具有较大的压缩量，故具有耐曲挠能力强、密封可靠的特点。在管件供水时可以采用三元乙丙橡胶、硅橡胶或者丁荃橡胶，在被密封的管件供气时可以采用丁腈橡胶或者氟橡胶。

作为一种具体的限位密封结构，如图5所示，所述的法兰为板式法兰，该法兰的端面即为法兰连接端面，所述管件的端头与短臂法兰焊接，在其中一个法兰端面上设置向另一法兰端面延伸的外挡圈1，所述的外挡圈1与管件壁面、法兰端面共同形成限位密封槽，所述限位密封槽内设置的弹性橡胶密封圈为O型橡胶圈，O型橡胶圈的结构如图7所示。

或者如图6所示，所述的法兰为内凹法兰，该法兰的内凹面即为法兰连接端面，所述管件两端头设置有垂直的翻边3，所述的翻边3处设置有外挡圈1，所述翻边3与法兰、外挡圈1共同形成限位密封槽，所述限位密封槽内设置的弹性橡胶密封圈为矩形橡胶圈，矩形橡胶圈的结构如图8所示。

长臂法兰靠片式密封橡胶满足密封，这种片式密封橡胶的厚度为1mm左右，允许压缩量≤0.3mm，其最大补偿量为0.3mm，当其压缩量大于0.3mm时，按阿伦尼乌斯的曲线规律，橡胶的弹性很难维持，由于橡胶的压缩量不够，不能满足管道的曲挠需求，故长臂法兰是一种不耐曲挠并经常需要维护的连接管件。

本实施例中的限位密封结构包含两种，如图5所示为板式短臂法兰，图6位内凹短臂法兰，均通过设置限位密封槽的形式，在限位密封槽内填充弹性橡胶密封圈2。由于短臂法兰留有足够满足管道抗曲挠的限位密封槽，且弹性橡胶密封圈2的厚度是片式密封橡胶的2.5～10倍。当弹性橡胶密封圈2压缩20％～30％厚度时，按阿伦尼乌斯的曲线规律，密封圈能长时间维持弹性。在弹性橡胶密封圈2被压缩后，其反作用力能有效满足密封的要求。由于弹性橡胶密封圈2被压缩后有足够的剩余压缩量作为补偿，故短臂法兰配合限位密封结构，具有耐曲挠、可靠性高的特点。

进一步的，所述的弹性橡胶密封圈2在法兰连接时受压的形变量不低于15％。15％的形变量能够保证弹性橡胶密封圈2对短臂法兰的密封效果。

进一步的，设弹性橡胶密封圈的截面面积S₁、弹性橡胶密封圈截面高度H₁、限位凹槽深度C₁、限位凹槽的宽度C₂、限位凹槽的空间S₂有如下的关系式：

其中η₁＝0.95-0.99；η₂＝0.7-0.75。

通过上述关系式，定量化限制了弹性橡胶密封圈2的截面高度与限位密封槽之间的关系，通过上述关系式，定量化限制了弹性橡胶密封圈2的截面高度与限位凹槽之间的关系，在密封状况时弹性橡胶密封圈2在高度上被压缩15％～30％，满足弹性橡胶密封圈2的压缩量的要求，弹性橡胶密封圈2的高度转换为宽度，密封是橡胶截面积基本不变，从而形成有效的密封。

进一步的，所述的限位密封槽深度C1在连接不同规格的管件时设定优化值如表4所示：

表4限位密封槽深度与管件外径的优化设计数据

所述的限位密封槽深度的实际值C'₁＝(0.95～1.05)×C₁，实际值的误差在5％以内。

限位密封槽深度C1与管件外径的比值在0.03～0.08之间，优选上述表4中使用的数据，满足限位密封槽内密封与形变量的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种可曲挠、耐高压的短臂法兰，包含两法兰片，被连接的管件置于法兰片内孔内，所述法兰片的圆周上设置有用于固定的螺栓，其特征在于，其中一个法兰片的端面上设置有向另一法兰片端面延伸的外挡圈(1)，该外挡圈(1)、管件壁以及法兰片之间构造一个相对于法兰连接端面外置的限位密封槽，该限位密封槽中设置有弹性橡胶密封圈(2)，该限位密封槽与弹性橡胶密封圈(2)的配合关系为，V1＝(1.03-1.08)V2，其中，V2为所述弹性橡胶密封圈(2)的体积，V1为所述限位密封槽的容积；该短臂法兰连接时，弹性橡胶密封圈(2)始终处于受压状态，所述限位密封槽和受压的弹性橡胶密封圈(2)形成一个可曲挠的限位密封结构；所述的短臂法兰满足以下条件时，该短臂法兰连接管件，弹性橡胶密封圈(2)的形变量始终不低于15％，该限位密封槽和受压的弹性橡胶密封圈形成一个可曲挠的限位密封结构，其抗曲挠角不小于|±2.2°|：

M/W<450MPa，M为该短臂法兰的力矩，W为该短臂法兰的抵抗矩；

其中，h2为该短臂法兰的法兰片厚度，L2为该短臂法兰的力臂，h1为采用现有标准时连接同等规格管件的长臂法兰的法兰片厚度，L1为采用现有标准的连接同等规格管件的长臂法兰的力臂长度。

2.根据权利要求1所述的一种可曲挠、耐高压的短臂法兰，其特征在于：所述的法兰为板式法兰，该法兰的端面即为法兰连接端面，所述管件的端头与短臂法兰焊接，在其中一个法兰端面上设置向另一法兰端面延伸的外挡圈(1)，所述的外挡圈(1)与管件壁面、法兰端面共同形成限位密封槽，所述限位密封槽内设置的弹性橡胶密封圈(2)为O型橡胶圈。

3.根据权利要求1所述的一种可曲挠、耐高压的短臂法兰，其特征在于：所述的法兰为内凹法兰，该法兰的内凹面即为法兰连接端面，所述管件两端头设置有垂直的翻边(3)，所述的翻边(3)处设置有外挡圈(1)，所述翻边(3)与法兰、外挡圈(1)共同形成限位密封槽，所述限位密封槽内设置的弹性橡胶密封圈(2)为矩形橡胶圈。

4.根据权利要求3所述的一种可曲挠、耐高压的短臂法兰，其特征在于：所述的外挡圈(1)紧密粘结在弹性橡胶密封圈的内侧。

5.根据权利要求1所述的一种可曲挠、耐高压的短臂法兰，其特征在于：所述的弹性橡胶密封圈(2)在法兰连接时受压的形变量不低于15％。

6.根据权利要求1所述的一种可曲挠、耐高压的短臂法兰，其特征在于：设弹性橡胶密封圈(2)的截面面积S₁、弹性橡胶密封圈(2)截面高度H₁、限位凹槽深度C₁、限位凹槽的宽度C₂、限位凹槽的空间S₂有如下的关系式：

其中η₁＝0.95-0.99；η₂＝0.7-0.75。

7.根据权利要求1所述的一种可曲挠、耐高压的短臂法兰，其特征在于：所述的限位密封槽深度C1在连接不同规格的管件时设定优化值如下：

所述的限位密封槽深度的实际值C′₁＝(0.95～1.05)×C₁。

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