一种金属波纹自密封复合垫片
阅读说明：本技术 一种金属波纹自密封复合垫片 (Metal corrugated self-sealing composite gasket ) 是由 张斌 沈超 宇晓明 马志刚 凌祥 邵春雷 沈法权 张晟铭 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属波纹自密封复合垫片,包括第一覆盖层、第一金属波纹环片、金属骨架、第二金属波纹环片和第二覆盖层,金属骨架设有中央通孔呈环形,其上下表面分别设置上环形槽和下环形槽,第一金属波纹环片设置于上环形槽内,与上环形槽的内外侧壁固定连接形成第一空腔,第二金属波纹环片设置于下环形槽内,与下环形槽的内外侧壁固定连接形成第二空腔,第一、第二覆盖层分别覆盖于第一、第二金属波纹环片的下表面,金属骨架设有由中央通孔向外周边沿延伸的若干盲孔,第一、第二空腔通过上、下环形槽的槽底的若干通孔与盲孔连通。本发明密封性能好,更易于制造,使用寿命长。(The invention discloses a metal corrugated self-sealing composite gasket, which comprises a first covering layer, a first metal corrugated ring sheet, a metal framework, a second metal corrugated ring sheet and a second covering layer, wherein the metal framework is provided with a central through hole in an annular shape, the upper surface and the lower surface of the metal framework are respectively provided with an upper annular groove and a lower annular groove, the first metal corrugated ring sheet is arranged in the upper annular groove and fixedly connected with the inner side wall and the outer side wall of the upper annular groove to form a first cavity, the second metal corrugated ring sheet is arranged in the lower annular groove and fixedly connected with the inner side wall and the outer side wall of the lower annular groove to form a second cavity, the first covering layer and the second covering layer are respectively covered on the lower surfaces of the first metal corrugated ring sheet and the second metal corrugated ring sheet, the metal framework is provided with a plurality of blind holes extending from the central through hole to the peripheral edge, and the first cavity and the second cavity are communicated with the blind holes through the plurality of through holes at the bottoms of the upper annular groove and the lower annular groove. The invention has good sealing performance, easy manufacture and long service life.)
技术领域
本发明涉及一种密封垫片，特别是一种金属波纹自密封复合垫片。
背景技术
垫片密封是过程装置中管道、压力容器、工艺设备等可拆卸处最主要的密封形式。垫片性能的好坏直接影响着设备的正常运行。随着现代工业技术的不断进步，过程工业设备日趋大型化，工况参数苛刻化，装置与装置之间连接更加紧密。传统的密封垫片已经远远不能满足系统和装备日趋严格的密封性要求。
垫片的密封主要依靠螺栓和法兰的预紧力，其密封原理也十分简单：螺栓给上下两个法兰面添加预紧力使其挤压垫片从而形成密封。由于长时间的工作，螺栓会伸长变形导致加载的预紧力不足，这就对密封垫片压缩回弹性能有着极高的要求。以往的密封垫片大多会因为介质内压的升高导致垫片的应力下降，影响密封性。
公开号为CN110206885A的中国专利公开了一种带内外环的自密封式合金双波纹密封复合垫片，包括上下同轴叠置的第一金属波纹环片、弹性开缝金属环片和第二金属波纹环片，弹性开缝金属环片在厚度方向的中部设有由所述弹性开缝金属环片的通孔向外周延伸的环形缝。其利用介质进入弹性开缝金属环片的环形缝，对因介质压力引起的垫片应力减小做了补偿，从而克服了垫片因系统内的介质压力升高而引起密封性能降低的不足，但是由于其需要对金属环片中间开设环形缝隙，对加工精度要求高，实际加工成品率低，制造成本较高。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种金属波纹自密封复合垫片，在保证密封垫片不因介质压力升高而影响密封性的同时解决弹性开缝金属环片加工成品率低的问题。
本发明技术方案如下：一种金属波纹自密封复合垫片，包括第一覆盖层、第一金属波纹环片、金属骨架、第二金属波纹环片和第二覆盖层，所述金属骨架设有中央通孔呈环形，所述金属骨架的上下表面分别设置上环形槽和下环形槽，所述第一金属波纹环片设置于所述上环形槽内，所述第一金属波纹环片的内外沿分别与所述上环形槽的内外侧壁固定连接，所述第二金属波纹环片设置于所述下环形槽内，所述第二金属波纹环片的内外沿分别与所述下环形槽的内外侧壁固定连接，所述第一金属波纹环片和所述第二金属波纹环片突出于所述金属骨架的上下表面，所述第一覆盖层覆盖于所述第一金属波纹环片的上表面，所述第二覆盖层覆盖于所述金属波纹环片的下表面，所述金属骨架设有由所述中央通孔向外周边沿延伸的若干盲孔，所述盲孔处于所述上环形槽和下环形槽之间，所述第一金属波纹环片与所述上环形槽之间构成第一空腔，所述第一空腔通过所述上环形槽的槽底的若干通孔与所述盲孔连通，所述第二金属波纹环片与所述下环形槽之间构成第二空腔，所述第二空腔通过所述下环形槽的槽底的若干通孔与所述盲孔连通。
进一步地，为了保证密封复合垫片的受力均匀，所述盲孔沿所述金属骨架的径向设置且分布于所述金属骨架的圆周等分位置。
进一步地，为了减少介质从上环形槽及下环形槽的外侧壁与第一金属波纹环片及第二金属波纹环片的接触面外泄，所述上环形槽和所述下环形槽的外侧壁设有环形卡槽，所述第一金属波纹环片和所述第二金属波纹环片的外周边沿卡设于所述环形卡槽内。
为了进一步地提高上环形槽及下环形槽的外侧壁与第一金属波纹环片及第二金属波纹环片间的密封性，防止从垫片内部发生泄漏，所述第一空腔靠近所述上环形槽的外侧壁设置第一填充环，所述第一填充环填充于所述第一金属波纹环片和所述上环形槽的槽底之间，所述第二空腔靠近所述下环形槽的外侧壁设置第二填充环，所述第二填充环填充于所述第二金属波纹环片和所述下环形槽的槽底之间。
进一步地，所述上环形槽的槽底的通孔与所述下环形槽的槽底的通孔上下一一对应。
进一步地，所述第一金属波纹环片的截面波形的波峰与所述第二金属波纹环片的截面波形的波谷相对，所述第一金属波纹环片的截面波形的波谷与所述第二金属波纹环片的截面波形的波峰相对。
进一步地，为了提高与连接法兰间的接触稳定性，所述第一覆盖层和所述第二覆盖层由所述金属骨架的中央通孔延伸至所述金属骨架的外周边沿。
进一步地，所述第一覆盖层和第二覆盖层为柔性石墨层、聚四氟乙烯层、铜片、铝片或铅片。
进一步地，所述第一金属波纹环片和第二金属波纹环片为镍钛合金。
进一步地，所述第一金属波纹环片和第二金属波纹环片的公称直径波纹数为3～5个，波纹振幅值为0.8～1.5mm。
进一步地，所述第一金属波纹环片和第二金属波纹环片的厚度为0.3～0.6mm。
本发明的工作原理是：通过螺栓和上下法兰施加预紧力使法兰与金属波纹自密封复合垫片紧紧贴合，垫片也因此产生回弹应力并且在实际工况下通入高压介质，高压介质通过金属骨架的盲孔及通孔分别进入到第一空腔和第二空腔。高压介质会对第一金属波纹环片和第二金属波纹环片形成轴向力从而作用在金属波纹自密封复合垫片表面，保证密封性能。
本发明与现有技术相比的优点在于：采用盲孔及通孔的作用，使介质压力直接作用于第一金属波纹环片和第二金属波纹环片，相比于开设环缝的骨架，本发明骨架稳定性更好，且制造更为简单，成品率高。通过介质进入第一空腔和第二空腔对第一金属波纹环片和第二金属波纹环片产生轴向力，使金属波纹自密封复合垫片具有更好的回弹性能。减少了金属波纹自密封复合垫片本身应提供的回弹应力，增加了垫片的使用寿命，并且有效改善对因预紧力不足导致泄漏的情况。
附图说明
图1为本发明金属波纹自密封复合垫片的剖视结构示意图。
图2为金属骨架俯视结构示意图。
图3为金属骨架的截面局部结构示意图。
图4为金属波纹自密封复合垫片的截面局部结构示意图。
图5为对比例垫片结构示意图。
图6为介质压力为0～30MPa时的本发明实施例金属波纹自密封复合垫片应力图。
图7为介质压力为0～30MPa时的对比例垫片应力图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1至图4所示，本发明实施例所涉及的一种金属波纹自密封复合垫片，包括上下同轴且位置对齐的第一覆盖层1、第一金属波纹环片2、金属骨架3、第二金属波纹环片4和第二覆盖层5。请结合图2及图3所示，金属骨架3为普通碳钢或不锈钢制成，金属骨架3设有中央通孔呈环形，金属骨架3的上下表面分别设置上环形槽31和下环形槽32，其在环形宽度上的截面呈H型。
金属骨架3设有由中央通孔向外周边沿延伸的四个盲孔33，盲孔33处于上环形槽31和下环形槽32之间，盲孔33呈径向设置并在金属骨架3的圆周方向位于四等分位置形成对称结构。在上环形槽31的槽底以及下环形槽32的槽底，位于每个盲孔33的竖直方向上上下分别开设3个通孔34，使盲孔33与上环形槽31及下环形槽32连通，同一径向上的通孔34间间距为6mm左右。如此，整个金属骨架3的正反面一共存在24个通孔34，这些通孔34的作用是使管路内介质通过中央通孔后进入盲孔33，进而再由通孔34进入上环形槽31和下环形槽32，可按照具体情况增加通孔34的数量从而提高介质对金属波纹环片压力的建立速度。由于介质会进入上环形槽31和下环形槽32，为了保证密封性能，在上环形槽31和下环形槽32的外侧壁设有环形卡槽35，第一金属波纹环片2外周边沿卡设在环形卡槽35内并与上环形槽31的外侧壁焊接固定，第一金属波纹环片2内周边沿则与上环形槽31的内侧壁焊接固定。类似的，第二金属波纹环片4外周边沿卡设在环形卡槽35内并与下环形槽32的外侧壁焊接固定，第二金属波纹环片4内周边沿则与下环形槽32的内侧壁焊接固定。第一金属波纹环片2与上环形槽31之间构成第一空腔36，第二金属波纹环片4与下环形槽32之间构成第二空腔37，第一空腔36和第二空腔37则都通过通孔34与盲孔33连通。为了增强密封性能，第一空腔36靠近上环形槽31的外侧壁位于第一金属波纹环片2的第一个波纹位置设置第一填充环6，第一填充环6填充于第一金属波纹环片2和上环形槽31的槽底之间，第二空腔37靠近下环形槽32的外侧壁位于第二金属波纹环片4的第一个波纹位置设置第二填充环7，所述第二填充环7填充于第二金属波纹环片4和下环形槽32的槽底之间。第一填充环6和第二填充环7均为石墨材质。
第一金属波纹环片2和第二金属波纹环片4的截面都为余弦波，第一金属波纹环片2和第二金属波纹环片4对称放置，即第一金属波纹环片2的波峰与第二金属波纹环片4的波谷相对，第一金属波纹环片2的波谷与第二金属波纹环片4的波峰相对。第一金属波纹环片2和第二金属波纹环片4的公称直径波纹数为3～5个，波纹幅值为：0.8～1.5mm，本实例采用1.4mm，该幅值大于上环形槽31和下环形槽32的槽深，使第一金属波纹环片2和第二金属波纹环片4突出于金属骨架3的上下表面。第一金属波纹环片2和第二金属波纹环片4厚度为0.3～0.6mm，本实例中，厚度选择为0.3mm，材质采用普通碳钢或者镍钛合金。在第一金属波纹环片2表面覆盖第一覆盖层1，第二金属波纹环片4的表面覆盖第二覆盖层5，第一覆盖层1和第二覆盖层5由金属骨架3的中央通孔延伸至金属骨架3的外周边沿。第一覆盖层1和第二覆盖层5为柔性石墨层、聚四氟乙烯层、铜片、铝片或铅片，与第一金属波纹环片2及第二金属波纹环片4接触的一面为波纹面构成紧密接触，在本实施例中采用的是柔性石墨层。
请结合图5所示，对比例中，采用现有的双层金属波纹片密封结构，上下金属波纹片的波峰和波谷相对，波谷和波峰相对。尺寸与材料均与本实施例相同。通过Ansys软件对实施例及对比例进行仿真分析发现，当对实施例和对比例分别施加45Mpa预紧应力作用时，由于管内通入高压介质产生与预紧力相反的抵抗力，本实施例上表面未产生较大的向下的变形位移，而对比例仅仅依靠垫片的回弹力垫片上表面产生较为明显的下降变形位移。实施例回弹率达到了83.33％，高于对比例的垫片，详见下表：
总载荷/MPa
实施例回弹率
对比例回弹率
60
83.33％
28.45％
通过ANSYS软件模拟垫片承受螺栓预紧力和介质压力的情况，螺栓载荷为45MPa,介质压力分别为0MPa,5MPa,15MPa,20MPa,25MPa,30MPa。实施例的密封垫片各处应力均大于52MPa，并且随着介质压力的增大，自密封垫片应力也在增大，由于前三个波峰(由内往外数)受到内压的作用承受了大部分压力所以第四波峰(内部为填充石墨没有介质进入)出现小幅下降，如图6所示。对比例的密封垫片的应力随着介质内压的增大仅小幅上升，而第一波峰(由内往外数)甚至出现了小幅下降，如图7所示。经此对比，发现实施例具有使用寿命长，回弹率高，需要预紧力低的优点。
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