CN1292855A - 用于平面法兰接头的冲压密封装置 - Google Patents

Abstract

一种用于平面法兰接头的密封装置,包括一最好是金属的基体(1),该基体在其两侧每一侧上有用于软材料制成的环形支撑件(11、12)的承载表面(7、7’),承载表面(7、7’)在较大面积上是平的且基本上相互直接相对地定位,在每一承载表面的内部径向区域设置有至少一个环齿(2、3),且最好在每一承载表面的外部径向区域也设置有至少一个环齿(5、6),软材料支撑件分别固定在承载表面(7、7’)上,当该装置组装时,该环齿(2、3、4、5、6)支靠在法兰表面(14、15)上,且软材料支撑件(11、12)被环齿(2、3)至少向内地限制,其中,基体(1)的壁仅有0.2至2.0mm,最好是0.3至1.2mm的小厚度,且环齿以这样一种方式冲压成形,即整个壁具有棱角状或波纹状的构造,能与法兰表面(14、15)实现点状金属接触。

Description

用于平面法兰接头的冲压密封装置

本发明涉及一种用于平面法兰接头的密封装置，该密封装置包括一最好是金属的基体，该基体在其两侧的每一侧具有用于软材料制成的环形支撑件的承载表面，承载表面在大部分区域上是平的，且基本上直接相对地定位，在每一承载表面的内部径向区域设置有至少一个环齿，且最好是也在每一承载表面的外部径向区域设置至少一个环齿，所述软材料支撑件分别固定在承载表面上，当该装置组装后，环齿支靠在法兰表面上，且软材料支撑件至少被环齿向内地限制。普通的密封装置可从DE29504402U1中了解。两承载表面在大部分区域上是平的，且基本上直接相对地定位。在每一承载表面的外部径向区域，有一外部环齿，而在内部径向区域，有一内部环齿。由软材料，通常是石墨制成的支撑件粘合在承载表面上。当该装置组装时，软材料支撑件嵌入环齿、法兰和基体的承载表面之间。作为这种封装的结果，软材料支撑件不能爬过环齿。在公知的密封装置中，环齿通过在车床上车削或通过冲压而制备，即，每一齿都是实心的且由与基体同样的材料构成。这种通过在车床上车削或通过冲压的制备是非常材料密集型和劳动密集型的，因此相对昂贵。此外，从一定的直径起，冲切坯料不再被冲压成封装的密封件，从而形成过于实心的内、外齿。在这种情况下，冲模不能施加需要的力，所以坯料以形成过于实心的内、外齿的方式变形。

而且，所谓的波纹环密封件是公知的，它也有一金属基体，在两侧有软材料支撑件。在这种装置中，基体在其整个宽度上是波纹形的。因此，用于软材料支撑件的基体承载表面也是波纹形的。当该装置组装后，基体不接触法兰，从而不会产生软材料支撑件的封装。在另一种商业上可得的密封装置中，基体也包括用于在其两侧的由软材料制成的环形支撑件的承载表面。这种基体在其整个宽度上有曲折的构造，所以不存在合适的环齿。基体支靠在法兰的几个相对宽的区域，且在区域之间有软材料支撑件，这样软材料支撑件也分隔开。然而，它们不是互相相对地定位，而是径向并置。因此，这些密封装置相对宽且由于接触法兰的较宽的金属冲压表面而经常产生裂隙腐蚀。这导致法兰接头的逐渐泄漏。此外，所有这些密封件有一大缺陷，即它们实际上没有弹性。

在现有技术中，还存在所谓的由金属基体和软材料，比如石墨制成且设置在其两侧的支撑件组成的金属-加强密封件。这样的金属-石墨密封件属于所谓的钉板(spiked-sheet)、刺板(burr-sheet)密封件，它们具有一钢环，通常是销轴承，在其两侧设置有将压缩的石墨支撑件或类似的软材料。根据应用，这些软材料支撑件可先行预压缩，预压缩根据所指定的压力范围进行。当安装在该装置中时，软材料支撑件被施加的螺栓压力进一步压缩，直到最大的可能压缩。这样，软材料支撑件被压缩的越厉害，泄漏率越好。在这些钉板、刺板或芳族聚酰胺纤维密封件中，例如根据用于DIN法兰或用于ANSI法兰的DIN 2690，被密封的区域范围从法兰的凸肩到对中螺栓的螺栓孔的前面。

因为在DIN和ANSI法兰中法兰密封边非常宽，施加的螺栓力分布在法兰的非常宽的密封边上，因此分布在密封件的整个密封宽度上。然而，密封件的密封面积越小，对于相同的螺栓压力来说表面压力越大。所以，密封件制造商寻求减小密封宽度或密封件的密封面积。

采用所谓的槽式密封件或螺旋密封件，这可能没有困难。采用钉板、刺板或其他软材料密封件，这是不可能的，因为它们是从密封板上冲切的。为了减少这些冲切密封件的密封面积，一些制造商已经开始从密封件的外缘到密封件的平均直径预压缩冲切密封件的石墨，例如，根据DIN2690。这样的预压缩通过例如一大压力机施加压力而进行。虽然这样的密封件从外缘到中心进行了预压缩，但它们也有缺点，即当安装时该密封件被从密封件的内缘到已预压缩中心施加的螺栓压力后压缩。这样，最后，在整个面积上石墨再次被或多或少地均匀压缩。这种方案的一个大缺点是施加的螺栓压力不是根据所需地施加到窄的密封区域，而是施加到密封件的整个密封面积上。因此，安装之后或在安装状态，软材料支撑件的密度在整个面积上再次几乎相同。

本发明的目的是提供一种用于平面法兰接头的密封件，虽然具有至少与现有技术的密封件相同的泄漏率性能、耐消耗性能和部件安全性，但可以以更低的成本制备。同时，如果可能，插入高度应降低，且密封宽度相对较小。这些目的通过根据权利要求1的密封装置而实现。

此外，优选的是，该密封件将具有这样的设计，在安装状态，软材料支撑件在其两侧上在内径处直到特定的外部区域有更高的密度。这样，虽然厚度相同，这样的密封件在朝向介质的内侧有更大的压缩，朝向外侧，即朝向大气的外侧有更小的压缩。通过在内侧有更大的压缩，在内部区域获得一相当高的表面压力。相反，密封件的外缘几乎不压缩。然而，这足够以法兰不从大气侧腐蚀的方式保护法兰密封边。一个很大的优点是法兰不会由于腐蚀而损坏，且在重新插入之前不需要重新加工。这样，维护成本可减小到仅仅一小部分。尤其是，根据本发明的密封装置以这样一种方式设计，在安装状态时金属基体上的软材料支撑件适于几乎最大地被压缩，且也存在的冲压内齿和外齿具有弹性。弹性这样来选择，在将密封件从法兰卸下之后，齿的深度可回复到安装之前的状态，这样齿的初始深度被复原。

由于基体的壁有0．2至2mm，优选的是0．3至1．5mm的相对低的厚度，且由于环齿是由截面具有棱角或波纹形构造的壁形成，所以齿不再是实心的。这不仅意味着节省材料。而且也可以通过以相对低的压力冲压来制备环齿，即使对于有相对大的标称直径的密封装置。然而，只是为了大标称直径，设置有实心环齿的密封装置的制备将使用如此大的压力，以致在实际中齿仅能通过车床的车削来制备。然而，这会导致用较长的制备时间和大量的材料消耗，从而使这种大密封件变得非常昂贵。

根据本发明，由于承载表面基本上互相直接相对地布置，所以环形密封装置以及法兰面积可以保持较小。由于软材料支撑件的最大压缩部分的宽度较小，对于相同的法兰螺栓紧固力，可比更宽的密封装置获得更大的表面压力。这样导致更好的紧固，且因此改进了泄漏率。

此外，基体的相对薄的材料比普通金属密封件产生更小的插入高度。同时，它使金属基体有更好的弹性。齿的深度，即齿的顶端距基体承载表面的平面的距离与软材料支撑件的材料及其可压缩性相配。这样，确保了软材料支撑件的厚度被压缩到安装状态的程度，一方面，环齿提供了最佳的金属密封，另一方面，弹性确保了法兰在粗糙度容许偏差之外不会损坏。

优选的是，上齿顶端距上承载表面的距离与下齿顶端距下承载表面的距离一样大。这意味着在承载表面的范围内的基体在安装状态时将位于两法兰表面的中间。这样，在基体的两侧得到同样良好的密封效果。

为了提高基体承载表面内部区域、即面向流动介质的区域的强度和密封性，推荐壁的形状为这样一种形式，即设置有几个与法兰表面接触的接触点。这样，邻近承载表面的接触点提供了进一步的金属密封，且此外确保了软材料支撑件的良好分隔或封装。同时，这些额外的接触点在这些区域产生更高的强度，从而也提高了可靠性。

根据本发明的密封装置可以用于管道法兰，也可用于仪器、压缩机、发动机和配件上。对于管道法兰，该密封装置最好有一外对中环。通常它有一稍小于从内侧接触法兰螺栓的虚圆的外径。这样，当安装时，对中环到达接近螺栓的内边界处，从而使密封装置也被对中。

优选的是，这种对中环在其外周边有一小卷边，防止当螺栓旋进时对中环进入螺栓的螺纹中，并防止损坏螺栓的外周边。为了避免这样的损坏，现有技术也制备了其石墨支撑件到达基体外缘，即，也在对中环的区域的密封件。这意味着在价格和软材料支撑件浪费上的不必要的增加。然而，这种结构不总是能防止对中环进入螺栓的螺纹中。

在密封装置仅用于低温且因此大气不侵蚀软材料支撑件的情况下，在外部区域的环齿可以省去。相反，在高温应用场合，外部大气会侵蚀软材料支撑件，所以在外部区域也需要环齿，从而使软密封材料支撑件作为一个整体被分隔和保护，避免从内侧和外侧的侵蚀。

为了避免外部区域的法兰表面腐蚀，可推荐也在外部区域提供软材料支撑件。然而，在该区域，应当避免大的压缩，以保持内部区域的表面压力较高。这样，在外部区域，软材料支撑件仅用作法兰表面的腐蚀保护。

软材料支撑件的这样的不同区域可以例如，通过冲压在密封件的整个宽度上从内径到外径有逐渐减小的密度而厚度保持恒定的软材料支撑件而获得，或者通过朝向内侧比朝向外侧有更厚的设计从而当螺栓紧固时仅内部区域被高度压缩且密封作用仅在此区域形成的环形软材料支撑件而获得。通过新开发的用于石墨软材料支撑件制备的特殊方法，可以既可施加不同厚度的软材料支撑件而不用粘合剂，又可以用特定的工具预压有更大石墨厚度的部分。这样，形成了一个软材料支撑件，其整个厚度，虽然是均匀的，但在内部和外部区域有不同的压缩。

在附图1至9中，该新颖的密封装置得到了更详细的说明，其中：

图1以横截面图的形式示出了安装状态下的本发明密封装置的右边部分，其中在承载表面的内、外径向区域有棱角状环齿；

图2以横截面图的形式示出了安装状态下的本发明密封装置的右边部分，其中仅在承载表面的内部径向区域有棱角状环齿；

图3以横截面图的形式示出了非安装状态下的本发明密封装置的右边部分，其中在承载表面的内、外径向区域有棱角状环齿；

图4以横截面图的形式示出了非安装状态下的本发明密封装置的右边部分，其中仅在承载表面的内部径向区域有棱角状环齿；

图5以横截面图的形式示出了非安装状态下的本发明密封装置的右边部分，其中在承载表面的内、外径向区域有波纹状环齿；

图6以横截面图的形式示出了非安装状态下的本发明密封装置的右边部分，其中仅在承载表面的内部径向区域有波纹状环齿；

图7以横截面图的形式示出了本发明带有软材料支撑件的密封装置的右边部分，其中该软材料支撑件的厚度在其两侧不同；

图8以横截面图的形式示出了本发明的带有软材料支撑件的密封装置的右边部分，其中该软材料支撑件的厚度在金属芯上在其两侧相等，且金属芯具有变化的密度；

图9示出了根据图7的本发明的处于两法兰之间安装状态的密封装置右边部分密封件的横截面图，其中在内侧有较大的最终压缩，在外侧有较小的压缩。

在这些图中，标号的意义如下：

1                    基体的一部分

2、3、4、5、6        环齿

7、7’               用于软材料支撑件的承载表面

8                    对中环外缘上的卷边

11、12    软材料支撑件

14、15    法兰局部

20        螺栓局部

在这些图中，假设密封装置已经水平地安装。因此，以密封装置的右边或左边部分为基准。当然，该密封件可以任何希望的方位安装。如果它们被垂直地安装，那么将不得不以上下部分为基准。由于该密封装置旋转对称，所以图中总是仅示出右边部分的横截面。

图1示出了处于安装在法兰14和15之间状态的放大比例的密封装置。它由一基体1和两软材料支撑件11和12组成。基体最好是金属的，而软材料支撑件尤其是由石墨或PTEE制成。软材料支撑件安放到、通常粘合到承载表面7和7’上。然而，没有粘合剂的应用也是可能的。承载表面必须基本互相相对，仅有稍微的径向错位。

这样，用于分隔的环齿最好是具有棱角状设计。这样，齿也可称为具有Z形形状，因为它们的横截面具有Z形外观。对于上部软材料支撑件11的分隔，在外部径向区域提供有接触点5的环齿(密封大气)，在内部径向区域提供有接触点2的环齿(密封介质)。

下部软材料支撑件12通过有接触点6和3的环齿分隔。为了提高内部区域的有接触点2的环齿强度，基体在接触点2之后被伸长到相对的法兰15，在接触点4再次支靠在法兰上。因此，上部法兰14从内到外通过接触点2、软材料支撑11和接触点5被密封了三次。下部法兰15经过接触点4和3、软材料支撑件12和接触点6被密封了总共四次。该实施例通过软材料支撑件不仅能对管道内的液体和气体进行保护，而且也能避免外界大气的侵蚀。因此，该实施例主要适于高温。基体伸展通过相对承载表面7、7’的区域，最好是在两法兰之间的中间位置，接触点2、5距上承载表面的平面的距离与接触点4、3、6具下承载表面的距离大致相同。

邻近外部环齿6是一对中环，该环从基体的另一环表面形成。对中环的外径仅仅稍小于螺栓20将在内侧接触的虚圆直径。因此，只要一些螺栓插入法兰的孔内，该密封装置可以容易地对中。当螺栓转动时且如果对中环的外缘啮合在螺纹中，那么基体可能变形。为了防止这种现象，且也为了保护螺栓，一般是给该对中环的外缘加一卷边8。

在根据图2的密封装置中，具有接触点4、2和3的环齿仅打算用在内部区域，而不用在外部区域。因此，上部软材料支撑件11沿法兰边覆盖上法兰14。对于下部软材料支撑件12，类似地到达密封法兰表面的端部。该实施例主要用作在正常或低温范围内使用的密封件，其中软材料支撑件不会受到大气的侵蚀。

图3示出了处于非安装状态的具有棱角状齿的图1的密封装置。上部软材料支撑件11的上平面位于该具有接触点2和5的两环齿上边缘之上。下部软材料支撑件12的下平面位于具有接触点4、3和6的下环齿下边缘之下。仅在安装状态时，通过在可压缩性的限度内压缩软材料支撑件而在上法兰形成一均匀的上接触区以及在下法兰形成一均匀的下接触区。软材料支撑件的厚度、其可压缩性和环齿的深度最好是这样相互匹配，即在安装状态下使环齿和软材料支撑件邻靠法兰密封边以获得最佳密封。例如，石墨可被压缩最大为53％。

图4示出了处于非安装状态的根据图2的密封装置。在这种情况下，软材料支撑件的上、下接触区突出在相应环齿的接触点之上。根据图5的密封装置基本上相当于根据图1的密封装置。然而，用于软材料支撑件的分隔的齿为波纹形，而不是棱角形式。因此，具有接触点2、3、4、5和6的齿与法兰的接触面积比图1中的棱角状齿与法兰的接触面积稍大。由于金属芯的弹性，当作用在密封件上的压力中等时仍然产生良好的密封。

根据图6的密封装置基本上相当于根据图2的密封装置，但有波纹形的齿。图7中的密封装置示出在内部和外部区域具有不同厚度的支撑件。图8中的密封装置示出具有均匀厚度的软材料支撑件，但在内部和外部区域具有不同的密度。图9示出了处于安装状态的根据图7和图8的密封装置。它们在内部和外部区域具有不同的表面压力。密封件的内部区域用于对介质的密封，而外部区域用于法兰表面的腐蚀保护。

变化的石墨厚度或变化的石墨密度可以例如采用一最新开发的方法和为该方法开发的设备而获得，其中在金属基体上的粘合剂的使用甚至可免除。无论如何，这通过作用在内部区域的高压力提供了最好密封和对外部区域的法兰表面的足够腐蚀保护。因为根据本发明的密封件通常在外部区域或至少在对中环的范围不覆盖软材料支撑件，所以标识、商标等可永久地冲压或压入在那里，从而以后可以检查为此目的而设的合适的密封件是否已经用在相应场合。此外，这种标记以后可确定制造商。

当然，代替对中环，也可装配根据WO 97／49939的具有所谓的“可变片段(variosegments)”的新颖密封装置，该装置也能容易、可靠地对中。由于根据本发明的密封装置应尽可能地降低成本，所以具有卷边的对中环的应用是最简单且最低廉的实现方式。

Claims (14)

1．一种用于平面法兰接头的密封装置，该密封装置包括一最好是金属的基体(1)，该基体在其两侧的每一侧上有用于软材料制成的环形支撑件(11、12)的承载表面(7、7’)，承载表面(7、7’)在较大面积上是平的且基本上相互直接相对地定位，在每一承载表面的内部径向区域设置有至少一个环齿(2、3)，且最好在每一承载表面的外部径向区域也设置有至少一个环齿(5、6)，所述软材料支撑件分别固定在承载表面(7、7’)上，当该装置组装时，环齿(2、3、4、5、6)支靠在法兰表面(14、15)上，且软材料支撑件(11、12)被环齿(2、3)至少向内地限制，其特征在于，基体(1)的壁具有仅为0．2至2．0mm，最好是0．3至1．2mm的小厚度，且环齿以这样一种方式冲压成形，即整个壁具有棱角状或波纹状的构造，能与法兰表面(14、15)实现点状金属接触。

2．根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，金属基体(1)上的所述软材料支撑件(10、12)适于在安装状态下几乎最大压缩，其中，冲压的内齿(2、3、4)和也存在的外齿(5、6)具有弹性，弹性这样来选择，即在将密封件从法兰上卸下之后，齿的深度可恢复到安装前的状态，这样齿的初始深度得以恢复。

3．根据权利要求1或2所述的密封装置，其特征在于，所述的基体(1)在环齿(2)的接触点之后在内部径向区域被进一步向内伸展，直到另一接触点(4)，在安装状态，该另一接触点支靠在相对的法兰表面(15)上。

4．根据权利要求1至3任一所述的密封装置，其特征在于，在安装状态时所述的基体(1)在其承载表面(7、7’)范围内在法兰表面(14、15)之间的中间位置伸展。

5．根据权利要求1至4任一所述的密封装置，其特征在于，所述的环齿(2、3)仅设置在面向介质的内部区域，而不设置在外部区域，且在安装状态软材料支撑件(11、12)基本上覆盖整个外部密封法兰表面。

6．根据权利要求1至5任一所述的密封装置，其特征在于，所述的软材料支撑件(7、7’)的厚度、它们的可压缩性和环齿(2、3、4、5、6)的深度是以这样一种方式互相匹配的，即在安装状态在两侧通过内齿(2、3)、外齿(5、6)和软材料支撑件(7、7’)产生最佳的三重密封。

7．根据权利要求1至6任一所述的密封装置，其特征在于，所述的基体(1)具有一紧接着最外面的环齿(6)的对中环，该对中环有一外径，该外径稍小于将在内侧接触法兰螺栓(20)的虚圆的直径。

8．根据权利要求7所述的密封装置，其特征在于，在基体的外周边上有一卷边(8)，卷边的外径仅稍小于将在内侧接触法兰螺栓的虚圆的直径。

9．根据权利要求1至8任一所述的密封装置，其特征在于，所述的环形软材料支撑件(7、7’)向内侧比向外侧具有较厚的设计。

10．根据权利要求1至8任一所述的密封装置，其特征在于，所述的软材料支撑件(7、7’)具有在整个密封区域上从内径到外径减少的密度，同时厚度是均匀的。

11．根据权利要求1至9任一所述的密封装置，其特征在于，所述的变化厚度的软材料支撑件没有使用粘合剂而使用一特定的工具被安放到承载表面(7、7’)上。

12．根据权利要求9至11任一所述的密封装置，其特征在于，软材料支撑件具有较大厚度的那些部分已经用另一特定工具预压缩。

13．根据权利要求12所述的密封装置，其特征在于，软材料支撑件的整个厚度是均匀的，而压缩程度从内径到外径变化。

14．根据权利要求1至13任一所述的密封装置，其特征在于，所述的软材料支撑件是石墨。

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