CN102261472B - 有缚自激密封环、垫及结构 - Google Patents

Abstract

一种按新的“自密封机理”设计的有缚自激密封环，由软质密封料环(02)及其外缚环(01)和内衬环(03)组成，极薄的软金属衬环比蛋壳还蛋壳，更能抗外压而不抗内压，能有效抵抗软质料环的自由冷缩或束缚而又不影响料环的自激密封性，可像O形橡胶圈一样安装在缚腔中使用。无论是聚四氟乙烯(PTFE)还是柔性石墨的料环，都能像液体一样正交传递压力，即按自密封工作，因此，手指头拧紧或接近手指头拧紧密封连接螺栓或螺纹，在材料不发生相变和分解的范围内，只要承压疆界零件不破裂，密封本身绝不会首先失效。

Description

有缚自激密封环、垫及结构

技术领域

本发明属受压介质的密封技术领域，涉及轴向密封结构，即涉及端面的对接密封结构，不涉及径向密封结构，即不涉及柱面的配合密封结构，特别涉及法兰和缸盖等的自激密封环、自激密封垫及自激密封结构。

背景技术

受压介质的密封，按密封面的法线方向，分为轴向密封和径向密封。轴向密封，靠密封环的扁平端面实施密封，可叫平面或端面密封，用于实现压力管道或容器的端面对接密封；径向密封，靠密封环的柱形表面实施密封，可叫柱面密封，用于实现孔/杆或缸/塞的柱面配合密封。广泛使用的法兰密封垫和缸盖密封垫就是最典型的端面密封元件，其扁平密封面是预制的，其工作密封应力是靠安装预紧力提供的，不是靠所密封的介质压力自激提供的；不同的密封垫材和不同的应用，要求不同的密封结构和不同的安装预紧力，致其密封设计和安装十分繁琐。广泛使用的O形橡胶密封圈，既可用作平面密封元件，也可用作柱面密封元件，但其扁平密封面和柱形密封面是靠安装或介质的压力变形产生的而不是预制的，其工作密封应力是靠所密封的介质压力自激提供的，不是靠安装预紧力提供的；其安装压缩量、缚腔填满系数和挤出间隙等随温度而变，不仅致其应用范围有限，而且致其缚槽设计也不简单。

密封，是填平补齐对接面的凸凹不平，因此，材料越软，实现密封越易。垫的端面自密封是将其柱面上的介质压力全数转换为正交端面上的密封应力，因此，用垫实现端面自密封，是使固体软材质按液体正交传递压力，显然需要同时创新理论和结构。

根据何曼君等的《高分子物理》和王金(音译)等的美国国家实验室报告《在高分子薄膜表面进行真正液性观察》记载，常用固体高分子密封材料，如聚四氟乙烯和橡胶，其分子链段的热运动似管中流体紊动，其整个分子链似流体输送管，既有固性又有液性。此前，无他人关注有液性的固体材料的密封应用，更无他人研究用软材质普遍实现自密封。本发明在于创新提出并应用如下“材料的自密封机理及其应用要领”，成功用软材质普遍实现自密封：

a材料的自密封机理

密封垫的自密封是将其柱面上的介质压力全数转换为正交端面上的密封应力，或者说，是需要垫能够正交传递压力；根据泊松变形，受压的密封料环的正交变形/应变/应力(响应)，是由泊松比值大小决定的，而密封用材料的泊松比值皆大于0和小于0.5；因此，一切固体软料环，都可通过一个叫材质液性补偿角的楔角，将其受压时的正交变形响应，补偿到具有泊松比值等于0.5的受压液体一样的正交变形响应或达到等同液体的压力传递程度而用作自密封环。对于有液性的密封料环，只有其径向和轴向边界接触同时无间隙时，才能及时靠其液性正交传递压力或实现自密封；然而，环的制造误差和材料的热胀冷缩系数差，往往会致环边界接触有间隙；因此，密封料环还需要一个边界接触补偿楔角，及时抵消其受压时由间隙所致的与泊松比值成正比的正交变形，始终维持其密封接触。所以，对一切固体软材料，无论其有无液性，其自密封甚至非自密封设计，都在于楔角设计，以有效利用料的固性楔动(一种不同于刚性楔的楔动)和液性流动，而楔角越大、尖角越宽敞或越圆滑，越有利其固性楔动的变形补偿和液性流动的压力传输，但楔角不能大到热胀冷缩致其脱离同补偿角度面的接触。

b密封料环的正交变形与正交压力传递

密封料环在受到介质压力变形时，其泊松变形(应变)比：

μ＝ε_h/ε_c【高度应变/周长应变】

＝(Δ_h/h)/(2πΔr/2πr)【周长应变＝半径应变】

＝(rΔ_h)/(hΔ_r)【Δ_h/Δ_r＝μh/r】

因此，如果将垂直加载方向(垂直环径的环高)的泊松变形/应变/应力，叫正交变形/应变/应力，则密封料环在受到介质压力变形时，其正交变形(环高变形)：

Δ_h＝(μh/r)Δ_r＝(tgθ)Δ_r(a)

其中，μ是密封材料的泊松比，ε_c是密封料环变形时的周长应变(纵向应变或半径应变)，ε_h是密封料环变形时的高度应变(横向应变或正交应变)，r是密封料环的内半径，h是密封料环的高度，Δ_r是密封料环的半径变形，Δ_h是密封料环的正交变形，tgθ是密封料环的正交变形率。由此可知，密封材料的泊松比值越小，受压密封料环的正交变形或应力响应越小，正交压力传递性或自密封性自然越差。

c密封料环的材质液性补偿(正交变形的补偿)

材料软，意味着易受压变形或流动；因此，像液体一样软而不可压缩的材料，可在压力作用下及时各向相同流动或相同传递压力。材料的泊松比值，一般为大于0小于0.5，是材料的不可压缩性或液性指数，泊松比μ＝0.5的材料完全不可压缩，泊松比μ＝0的材料完全可压缩。因此，一切易受压变形的固体材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、橡胶和柔性石墨，都需要一个如图2所示的材质液性补偿角θ₁，使其拥有泊松比μ＝0.5时的正交变形响应或不可压缩响应，才能完全具有液体般的正交压力传递特性，满足自激密封工作要求，或者说，使其由大空间楔入足够小的空间，增加其正交变形或应力响应，达到液体般的正交压力传递效果。

d密封料环的边界接触补偿(正交变形的抵消)

初始密封接触，是一种在大气温度压力下所实现的密封接触，对软材料，一般用手指头拧紧便可实现。如图2所示，密封料环(02)与其缚腔(Φd₂′)的径向间隙(C)，在介质压力下，将发生环周增和环高减的泊松变形，致环脱离初始密封接触。实际上，对于有液性的密封料环，只有其径向和轴向接触同时无间隙时，才能及时依托其不可压缩性正交传递压力或实现自激密封。然而，环的制造误差和材料的热胀冷缩系数差，往往会致环边界接触有间隙，因此，对软而不可压缩(有液性)的密封料环还需要一个边界接触补偿角θ_c，及时抵消间隙所致的与泊松比值成正比的受压正交变形，始终维持其轴向的初始密封接触。

e密封料环的基本泊松补偿角θ_e

根据前述讨论，材质液性补偿，是旨在补偿其径向边界接触无隙时由泊松比值不足0.5所致的密封料环的正交变形的不足；边界接触补偿，是旨在抵消其径向边界接触有间隙时由间隙所致的密封料环与泊松比值成正比的正交变形。因此，如果液性补偿和接触补偿分别按泊松比值为0和0.5充分补偿，则按正交变形公式(a)，任何密封材料，因其泊松比值皆大于0和小于0.5，便都有彼此相等的一个充分液性补偿角θ₁和一个充分接触补偿角θ_c，并可统称为基本泊松补偿角θ_e：

tgθ_e＝(μh)/r＝h/d(b)

其中h是密封料环高度，d＝2r是密封料环内径，μ＝0.5是达到充分补偿的泊松比值。

f泊松补偿角θ_n的取值考虑

如图2所示，泊松补偿角θ_n(θ₁或θ_c)越大，密封料环在沿径向受压变形时，其正交变形或应力响应越大，即其自激密封性越好；但是，当补偿角决定的高度随半径的变化率大于由环和缚腔的材料温度系数差所致的高度随半径的变化率(h/r)时，在热胀冷缩中，泊松补偿角将致密封料环脱离密封接触。因此，按公式(b)，

◆在密封设计不能避免密封料环因热胀冷缩而脱离初始密封接触时，

●对于材质接近有液性的密封料环，其泊松补偿角θ₁可取：

(2tgθ _e ＝)h/r＞tgθ₁＞h/d(＝tgθ _e )，主要补偿环的边界接触性，附带补偿材质的液性，

●对于材质接近无液性的密封料环，其泊松补偿角θ₂可取：

limtgθ₂＝limtg2θ_e＝h/r(＝2tgθ _e )，同时补偿材质的液性和环的边界接触性；

◆在密封设计能避免密封料环因热胀冷缩而脱离初始密封接触时，

●无论密封料质液性好与坏或泊松比值大与小，其泊松补偿角θ₃可取：

tgθ₃＞h/r(＝2tgθ _e )。

g软金属衬环比硬蛋壳还蛋壳，更能抗外压而不抗内压

蛋壳能承受相当的外部压力，但却不能承受弱雏的出壳挣扎力。管道所能承受的极限内部压力P_i＝2aS/d，是由【直径壁厚(2a)/内径(d)】比和材料的极限抗拉强度(S)决定的；管道所能承受的极限外部压力P_o＝2aS/D，是由【直径壁厚(2a)/外径(D)】比和材料的极限抗拉强度(S)决定的；管道外部的均匀压力致管道直径缩小而致壁厚均匀增加，管道内部的均匀压力致管道直径扩大而致壁厚均匀减小；因此，软金属料管的耐外压能力远大于其耐内压的能力，并且几乎无压破管的外部均匀压力极限。所以，软金属衬环比硬蛋壳还蛋壳，更能抗外压而不抗内压，乃至极薄的软金属衬环能有效抵抗软质密封料环的自由收缩和束缚，而又不影响料环的自激密封性。也就是说，自激端面密封用软质密封料环可有一个革命性的约束或控制其热胀冷缩而又不影响其自激密封性的薄壁金属衬环。

US2007/0176373和US6708983专利提供的对非金属密封材料的内嵌外裹束缚，是通过有形金属带的盘绕提供的，是多层交替、复杂和昂贵的；密封料层单薄，即使有液性也因不连续或流阻大而无用，加之最内层焊接成一体的几层金属带的抗力，致其无自激密封性。US2455982专利提供的对非金属密封材料的束缚，是通过单一外金属缚环提供的，并仅限径向；其密封料环是自激密封元，但仅限橡胶，致其应用规格、应用介质、应用温度和应用压力十分有限；其金属缚环是承压疆界，必须是整体的厚壁的，致其与受限制的应用极不相称。

US6739595专利所提供的自激密封不是靠软质密封料的柔性(变形流动)实现的，而是靠密封料环的刚性(面的着力反射和杆的受力翘动)实现的。

总之，现有垫密封技术从设计理念到具体结构都不是使固体软材质按液体正交传递压力。

发明内容

用作两个对接端面自密封的密封料环，需要一个用作密封面的特设端面和一个用作被密封面的全平端面；密封料环，安装在特设端面上的缚腔中后、与特设端面一道构成密封面，用于填平补齐全平端面上的凸凹不平(泄漏通道)而实现密封，或负责将其柱面上的介质压力自动正交转换为其端面上的密封应力。对于材质接近有液性的密封料环，如聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶密封料环，在常温和小规格范围应用中，一般不需要材质液性补偿，也不需要边界接触补偿。但是，对于大规格应用，PTFE的热胀冷缩系数是钢的十多倍，橡胶的热胀冷缩系数是钢的数十倍；温度变化时，规格越大，密封料环直径相对其金属缚腔直径变化越大，可以大得或是因过盈配合而无法安装或是因过大径向间隙而无法正交传递压力或按自激密封工作；例如，一个100mm直径的PTFE垫，温度变化50℃，相对其钢缚腔直径变化0.8mm左右；一个4000mm直径的PTFE垫，温度变化100℃，相对其钢缚腔直径变化64mm左右。

为约束软质密封料环相对其金属缚腔的径向热胀冷缩，确保密封料环的直径变化不至影响其可靠安装和可靠工作，提出一种有缚自激密封环，靠密封料的正交变形实现密封，由软质密封料环及其金属缚环(外环)和金属衬环(内环)组成，或由软质密封料环及其金属缚环(外环)组成，或由软质密封料环及其金属衬环(内环)组成，其特征是所述缚环和所述衬环的壁薄，仅能约束所述料环的径向自由热胀冷缩。所述软质密封料是聚四氟乙烯(PTFE)、橡胶、柔性石墨、铅、铟等一类易变形的金属和非金属软材料，所述料环的端面是密封面并呈扁平状。

在大气温度压力下所实现的密封(接触)叫初始密封(接触)，对软质密封料，一般由手指头拧紧密封连接便可实现。自(激)密封，是靠所密封的介质压力自动提供的，压力越高，密封越好，但是，没有初始密封就没有自增强密封的压力，因此，没有初始密封就没有自激密封。

未填满其缚腔前的密封料环的相对热胀冷缩，叫自由热胀冷缩；填满其缚腔后的密封料环的相对热胀冷缩，叫非自由热胀冷缩。对有缚自激密封环，其外柱面受承压疆界束缚，在其内柱面受介质压力激励时，其端面应自动产生密封应力。外压致衬环应力面积增，内压致衬环应力面积减，因此，壁薄的软金属衬环，既能抵抗外部软质密封料环的自由冷缩，又不影响料环在小压力下的自激密封性。金属缚环的壁，比衬环的壁稍厚，不仅能完全阻止密封料环的自由膨胀，而且还可为密封环提供一个相对缚腔不变的配合直径，确保其既可反复拆卸又可消除影响密封的径向间隙。

缚环和衬环能遏制密封料环的径向自由热胀冷缩，但却不能遏制密封料环的径向非自由膨胀。当密封料环填满缚腔后再随温度变化胀大时，首先致衬环和缚环弹性变形，然后致衬环塑性变形。衬环和缚环的变形可使密封结构自动适应密封材料的多少变化。衬环和缚环的弹性变形可使密封料环经历高温后再回到常温时，仍然能维持初始密封接触，确保密封永不失效。当衬环塑性变形超过某个极限后再回到常温时，密封料环将失去密封接触而致密封失效。也就是说，金属缚环和衬环，无论其料环约束面是柱面还是曲母线回转面(本文简称曲面，并特指非柱形回转面)，除确保软质密封环的满足安装要求外，还能适当扩大其工作温度范围。

密封料环，仅在缚环和衬环的柱面约束和控制下热胀冷缩时，一般只能沿轴向流动，不能沿径向流动。端面有承压腔界约束后，料环主体沿轴向的膨胀流动过程，实际上是一个环高被压缩的过程。如果缚环或衬环的料环约束面不是全连续柱面而是两端有直角肩腔的断续柱面或叫矩形曲(母线回转)面，那么，当料环的主体高度被压缩得不能维持常温密封接触时，其肩部密封面一定还能维持常温密封接触，因为肩腔高度远比料环主体高度小，冷缩变量小得多；也就是说，密封料环，以有肩腔的矩形曲面为约束面的，比以无肩腔的全连续柱面为约束面的，有更大的温度变化适应能力。如果缚环和衬环中的一环的料环约束面是以凸伸入料环的碗形截面曲线或V形曲线为母线的回转面，另环的料环约束面是一个两端有直角肩腔的矩形曲面，那么，当料环主体沿轴向冷缩时，料环将被碗形曲面或V形曲面的斜面，压向对面肩腔内，加强肩部的密封接触，进一步提高密封环的工作温度范围。碗形底越阔，曲面的轴向肩缚功能越强，曲面的斜向力反射功能越弱，反之亦然；碗底阔为0的V形曲面，轴向肩缚功能弱，斜向力反射功能强。以凸伸入料环的弧线为母线的回转面，既有足够的斜向力反射功能，又有足够的轴向肩缚功能，还致弓形截面环有更好的整体强度，是理想的缚环的料环约束面。因此，所述缚环和所述衬环的料环约束面最好是以沿径向凸伸入所述料环的碗形截面曲线或V形曲线或矩形曲线(包括接近矩形的曲线)或弧线为母线的回转面，非矩形曲线回转面界定一个两端有斜角肩的料环缚腔截面，矩形曲线回转面界定一个两端有直角肩或接近直角肩的料环缚腔截面。简而言之，所述缚环或所述衬环对所述料环的约束面形，都是致所述料环的工作截面沿轴向两头大中间小。对于两头大中间小的料环缚腔，当料环主体沿轴向缩小时，由大空间缩入小空间，致四角局部***而能有效维持自激密封所需的初始密封接触，当料环主体沿轴向增大时，致两端密封接触全面同时增加；更准确地说，无介质压力时，当其相对其缚腔缩小时，料环内侧两角的密封接触首先得以加强，当其相对其缚腔增大时，料环外侧两角的密封接触首先得以加强，都能有效维持自激密封所需的初始密封接触条件，因此，有介质压力时，料环能利用其固性楔动和液性流动可靠按自激密封工作。

对于热带和亚热带(最低气温不低于0℃)的常温应用，所述有缚自激密封环有时只需缚环而不需衬环就可满足保管、安装和工作要求。对于寒带和亚寒带(最高气温不高于20℃)的常温应用，所述有缚自激密封环有时只需衬环而不需缚环就可满足保管、安装和工作要求。

所述有缚自激密封环可以安装在金属承压疆环的通腔中，同疆环一道用作平面对接的自激密封垫；此时，密封料环的缚环和衬环的高度不大于疆环高度，密封料环的高度稍大于疆环高度，以提供初始密封接触；要轻松安装，缚环与通腔间必然需要一定安装间隙，而该间隙可致密封极限压力降低。消除该间隙的有效方法是使缚环和疆环成一体，或者说，是将缚环的环料约束面结构在通腔壁上而不再用分离缚环；而一旦如此，便是一种有缚自激密封垫，靠密封料的正交变形实现密封，由软质密封料环及其金属承压疆环(外环)和金属衬环(内环)组成，或由软质密封料环及其金属承压疆环组成，其特征是有衬环时，所述衬环仅能约束所述料环的径向自由热胀冷缩；无衬环时，所述疆环对所述料环的约束面是曲母线回转面。同样，简单地说，所述疆环或所述衬环对所述料环的约束面形，致所述料环的工作截面沿轴向两头大中间小，具体地说，所述疆环和所述衬环的料环约束面是以沿径向凸伸入所述料环的碗形截面曲线或V形曲线或矩形曲线(包括接近矩形的曲线)或弧线为母线的回转面，非矩形曲线回转面界定一个两端有斜角肩的料环缚腔截面，矩形曲线回转面界定一个两端有直角肩或接近直角肩的料环缚腔截面。在所述疆环的两个端面上有用作紧固支撑的宏观锯齿环，或有用作密封的微观锯齿环，或两者皆有。

所述有缚自激密封环也可安装在对接的特设端面的缚腔中，与特设端面一道完成同对接的全平端面的密封对接；此时，密封料环的缚环和衬环的高度不大于缚腔深度，密封料环的高度稍大于缚腔深度，以提供初始密封接触。要轻松安装，缚环与缚腔间必然需要一定安装间隙，而该间隙可致密封极限压力降低。消除该间隙的有效方法是使缚环和缚腔成一体，或是将缚环的环料约束面结构在缚腔壁上而不再用分离缚环；而一旦如此，便是一种有缚自激密封结构，靠密封料的正交变形实现密封，由软质密封料环及其金属缚腔和金属衬环组成，或由软质密封料环及其金属缚腔组成，其特征是有衬环时，所述衬环仅能约束所述料环的径向自由热胀冷缩；无衬环时，所述缚腔对所述料环的约束面是曲母线回转面。同样，简单地说，所述缚腔或所述衬环对所述料环的约束面形，致所述料环的工作截面沿轴向两头大中间小，具体地说，所述缚腔和所述衬环的料环约束面是以沿径向凸伸入所述料环的碗形截面曲线或V形曲线或矩形曲线(包括接近矩形的曲线)或弧线为母线的回转面，非矩形曲线回转面界定一个两端有斜角肩的料环缚腔截面，矩形曲线回转面界定一个两端有直角肩或接近直角肩的料环缚腔截面。在所述缚腔的外端面上有用作紧固支撑的宏观锯齿环，或有用作密封的微观锯齿环，或两者皆有。

依据前述密封结构相同的结构原理，还有一种有缚自激密封结构，靠密封料的正交变形实现密封，由软质密封料环及其金属缚腔和金属衬环组成，或由软质密封料环及其金属缚腔组成，其特征是有衬环时，所述衬环仅能约束所述料环的径向自由热胀冷缩；无衬环时，所述缚腔有一个泊松补偿锥面底部或有一个斜角台阶或直角台阶口部，或所述缚腔同时有所述锥面底部和所述斜角台阶或直角台阶口部。在所述缚腔的外端面上有用作紧固支撑的宏观锯齿环，或有用作密封的微观锯齿环，或两者皆有。

本发明所依据的设计理念是空前的，因此，取得的技术进步与经济效果也必定是空前的。

首先，手指头拧紧或接近手指头拧紧本发明的密封连接螺栓或螺纹，无论是用聚四氟乙烯(PTFE)还是柔性石墨作密封材料，在材料不发生相变或分解前，无论压力多高多低，只要承压件不破裂，本发明的密封连接永远都不会因密封本身失效而泄漏，在总体上，是现有垫的端面密封技术所完全不能及的，因此，加之还有一个微观锯齿环的密封保护和实际密封连接不可能松弛到手指头拧紧的地步，无疑，本发明的密封连接将致一个泄漏无忧时代的诞生。

其次，本发明的密封环只要求一个在直径和深度上适合其安装的缚腔，与现有平垫密封技术相比，无需繁琐的螺栓载荷设计和安装保障程序，与现有O形环密封技术相比，无需繁琐的缚腔设计或选择，因此，本发明密封环的设计或选用与应用成本低、风险小、可靠性高。

再其次，本发明的密封环只分尺寸规格不分压力级别，或者说，一个尺寸规格的密封环可满足该规格的任何压力的密封需求，因此，与现有的平垫密封技术相比，本发明将致密封件的系列规格和品种锐减及各单件批量剧增，显著降低密封件的制造、库存和应用成本。

再其次，本发明的各密封环是一种只用聚四氟乙烯或柔性石墨密封材料的结构相似密封元，并且能胜任美国ASMEB16.5指定的Ia、Ib、IIa、IIb、IIIa和IIIb六组密封垫或欧洲EN1514-1～8规定的七组密封垫所能胜任的全部端面密封任务，显著降低密封垫的设计、选用、制造、库存、使用、维修等成本。

最后，本发明使用的聚四氟乙烯和柔性石墨密封材料，几乎耐一切腐蚀，几乎不老化变质，可回收再利用，因此，加之可填补修复，密封环有无限寿命而无材料废弃所致的浪费和污染；所以，加之密封无泄漏而无泄漏所致的浪费和污染，与现有平垫密封技术相比，本发明技术十分节能环保。

附图说明

本发明的有缚自激密封环、垫及结构都是环形结构，大都以环形的局部截面视图表达，并以直径尺寸符号Φ和尺寸箭头明确表示出环形结构的轴向和径向及环形结构的内侧和外侧。在所有视图中，相同的字母符号代表功能相同或相近的元件或结构或尺寸。

图1是不符合本发明的自激密封环02，其密封料没有径向约束缚环和衬环，在常温范围内，温度变化就可致其直径变大而无法安装，或致其直径变小而出现径向安装间隙。

图2是不符合本发明的图1的密封环02，在装入工作缚腔后，有一个径向间隙C，以至于在介质压力作用下，密封环02将发生如图中虚线所示的环周增和环高减的泊松变形。

图3是符合本发明的一种只有径向束缚的自激密封环，其密封料环02外受缚环01约束，密封环的外径大小不受温度变化影响，既能确保反复拆卸安装，又能避免径向安装间隙；内受衬环03约束，料环不会冷缩致脱离缚环。

图4是符合本发明的图3的有缚自激密封环，在装入工作缚腔后，缚环确保无径向安装间隙，衬环确保自动适应密封料的多少和冷缩变化，并且不影响自激密封性。

图5是本发明的有径向和轴向束缚的自激密封环的结构说明图，图6是工作原理说明图。

图7～12是符合本发明的典型的有缚自激密封环，图13～16是它们的缚肩的局部结构放大图与泊松补偿角θ_n。

图17是符合本发明的有缚自激密封垫，图18和图19是其密封结构部分的局部放大图；图18，其料环02的外约束面设在缚环01上，是分离式缚环结构；图19，其料环02的外约束面设在疆环04上，是整体式缚环结构。

图20是符合本发明的有缚自激密封结构(结构在特设端面A上)，图21和图22是其密封结构部分的局部放大图；图21，其料环02的外约束面设在缚环01的内壁上，是分离式缚环结构；图22，其料环02的外约束面设在特设端A上的缚腔壁上，是整体式缚环结构。

图23是符合本发明的又一种有缚自激密封结构(结构在特设端面A上)，图24和图25是其密封结构部分的局部放大图；图24的料环02的缚腔是一个有泊松补偿角θ_n锥面底部和直角台阶口部的结构，图25的料环02的缚腔是一个有粗实线所示的泊松补偿角θ_n锥面底部加直角口部的结构，或是一个有细线所示的直角(θ_n＝0)底部加直角台阶口部的结构。

具体实施方式

图1所示的常用聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶密封料环02，环高度h₁稍大于其缚腔高度h，安装在图2所示的特设端面A的缚腔中后，靠特设端面A和全平端面B的对接连接螺栓或螺纹的紧固提供对接端面的初始密封，靠介质在内柱面上的压力提供对接端面的工作密封。环的介质密封作用面积(环的内柱面积)大于环的介质去密封作用面积(环的端面积)，因此，压力越高密封越好。但是，由于环的Φd₂和Φd₃柱面无约束，因此，环境温度变化就可致预制的环外径Φd₂变得大于或小于环缚腔直径Φd₂′。如果Φd₂＞Φd₂′，则环无法安装就位；如果Φd₂＜Φd₂′，则如图2的虚线所示，环的径向安装间隙C将致环直径随介质压力变大，环直径变大将致环高度按泊松比μ降低而致密封失效。

柔性石墨，其热胀冷缩系数比聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶的热胀冷缩系数低得多或更接近金属的热胀冷缩系数，在普通温度范围内，无上述聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶所面临的安装问题和工作问题，但在高得多的工作温度范围内，从冷温到高温的过程中，随着温度的升高，在柔性石墨密封环的外侧同样会出现导致密封失效的径向间隙。再说，只有内外有金属环束缚的柔性石墨密封环，才便于操作处理和反复拆卸维修。

因此，如图3的密封环及其装配就位工作图4所示，无论高温度系数的聚四氟乙烯(PTFE)密封料环02还是低温度系数的柔性石墨密封料环02，都应该有金属缚环01和金属衬环03的束缚，才能确保其在流通、保管、安装、拆卸、维修等过程中有理想的操作性。为不影响密封料环02的自激密封性，衬环03的壁应当薄得仅能遏制料环02的径向相对自由缩小，远不能抵抗所密封的介质的额定压力。为确保密封环有一个稳定的安装直径Φd₂，缚环01的壁厚应当大于衬环03的壁厚。为确保特设端面A和全平端面B的密合性和密合后的料环的初始密封性，密封料环02的高度h₁、缚腔的高度h和缚环01及衬环03的高度h₂应该有h₁＞h＞h₂的关系。由于衬环03的壁仅能遏制料环02的径向自由冷缩或束缚，不能抵抗料环02的径向非自由冷缩或束缚，因此，密封环的安装压缩或热膨胀压缩可致衬环03发生弹性或塑性径向缩小而使料环02可适度适应温度变化或料多料少变化。缚环01和衬环03的弹性变形有利于料环02由高温回到常温后能维持初始密封接触，因此，缚环01又不能太厚。料环02热膨胀致衬环03径向塑性缩小的过程，实际上是料环02被压缩致其常温高度发生塑性缩小的过程，因此，在某个高温后再回到常温时，料环的高度将不足以维持料环的初始密封接触。也就是说，图3所示的有缚自激密封环，对温度变化的适应能力是有限的。

密封料环的高度绝对弹性压缩量决定其端面能否提供或维持初始密封，而高度的永久绝对热胀变量或永久绝对冷温缩量与高度成正比，因此，如图5的密封环及其装配就位工作图6所示，当料环02热胀致其主体冷温高度h变小而刚好不能维持初始密封接触时，比h小很多的局部缚肩的高度t一定还能维持初始密封接触。也就是说，对密封料环的轴向流动有缚肩约束的有缚自激密封环，对温度变化有更高的适应能力。

如图5所示，缚环01的V形料环约束面是以碗底阔h₄＝0的碗形曲线(V形曲线)为母线的回转曲面，衬环03的矩形料环约束面是以碗口阔h₂＝碗底阔h₄＝衬环高h₃的碗形曲线(矩形曲线)为母线的回转曲面；显然，碗口阔不变，碗形曲面的底越阔，曲面的直缚或轴向肩缚功能越强，斜缚功能越弱，反之亦然。曲面的直缚功能可提高有缚自激密封环对温度变化的适应能力(见前述)，曲面的斜缚功能(斜面的反作用力R直指对角而)使对角的密封接触再加强，因此，曲面可再提高有缚自激密封环对温度变化的适应性。

实际上，图5的缚环01的V形曲面、弧形曲面和碗形曲面，是在对料环02分别提供两个对称的泊松补偿角；尽管弧形的θ′_n不是常数，但总体有θ′₃＞θ′_n＞θ″₃。由于对于径向双向有束缚的密封料环，其径向尺寸基本不再随温度变化，即其泊松补偿角度面基本不会因温度变化而脱离同其被缚面的接触；对于轴向双向局部有束缚的密封料环，即使无径向束缚，有适当长度的泊松补偿角度面也不至于会因温度变化而完全脱离同其被缚面的接触；因此，图5那样四向均有束缚的密封料环的V形曲面、弧形曲面和碗形曲面泊松补偿角均可按θ₃取。

弧形缚环既可提供一个总体较厚的壁厚以获得稳定的安装尺寸，又可提供一个两端易变形的薄的壁厚以利装配时消除端部接触间隙。大体上，弧形曲面的弓形弦为缚腔高度h，改变弓形高可改变对料环约束或泊松补偿角大小，以满足不同的极限工作温度或材质的需求。

如图6的衬环03的虚线截面所示，当料环02的体积变得大于其容腔的体积时，强度弱的衬环中部被迫内曲而又致缚肩高度t变小，吞下多出的料环体积而又不致衬环端部塑性缩小；当料环的体积相对其容腔的缩小时，强度高的衬环端部迫使其两端缚肩***而加强密封接触，致其四角之外的表面出现真空间隙，因此，无论是大气压力还是介质压力都可致中部弯曲的衬环伸直，吐出此前吞下的体积，或把储存的料环体积由中部压向端部，特别是压向四角肩部，致密封接触达到紧密又紧密的地步。也就是说，能给衬环两端各提供一个有缚腔的等壁厚的矩形曲面的衬环，可适应料环的非自由热胀冷缩或适应更大的极限温度变化；缚腔可是如图8的开放式或图9的封闭式；开放式的缚腔更适合聚四氟乙烯(PTFE)密封料环，封闭式的缚腔更适合柔性石墨密封料环。

对密封料环的径向和轴向约束或斜向综合约束，表面上是在消除制造误差和温度变化所致的有害间隙，以便至少在料环截面的四角始终维持自激密封所需的初始密封接触条件，实质上是在总体上使料环的约束截面在轴向呈两头大中间小，以便在介质压力作用下，使料环在径向由大空间入足够小空间，增加料环的轴向变形/应变/应力(响应)，在完成对料环的材质液性补偿和边界接触补偿的同时，使料环充分按液体正交传递压力，实现自激密封。

弧形的料环约束面和矩形的料环约束面的基本排列组合，可形成6种基本不同的两头大中间小的环料约束截面，分别如图7～12所示。这就是有缚自激密封环的典型结构。图7～9的缚环01的截面尖角结构如其局部I的放大视图13所示。图10～12的缚环01的直缚肩部结构如其局部II的放大视图14所示，可根据密封材料的不同提供一个θ₁或θ₂的泊松补偿角θ_n，提高缚肩部位的自激密封性；但当h₃/d₃太小时，θ₁和θ₂不大，只能要求缚环端面不外凸而或平或微凹。对于图8、图9、图11和图12的衬环03，其直缚肩结构如局部III和IV的放大视图15和16所示，可在装配中或工作中自动形成一个θ₁或θ₂的提高缚肩自激密封性的泊松补偿角θ_n，因此，制造中只要求缚肩不外凸即可。相比较而言，图7和图10的衬环的两端强度弱，图8、图9、图11和图12的衬环的两端强度高，因此，两者有着正负相反的泊松补偿角，前者有允许环料自由进出尖角的味道，后者有只许环料进、不许环料出肩腔的味道，但都在于加强缚肩部位的自激密封性。

有缚自激密封环的缚环，可如图18和图21那样，是分离式的，是独立的；也可如图19、图22、图24和25那样，是整体式的，缚环与其缚腔成一体，不再是独立的。分离式缚环结构在缚环和其缚腔间多出一道需要考虑自动抵消的间隙，整体式缚环结构无这道间隙影响，极限工作压力更高。有密封环的对接端叫特设端(A)或密封端，要求与其对接的端为全平端(B)或被密封端。在特设端面上可有微观密封锯齿环(05是其齿面，06是其齿刃)，其齿距(X_s)/齿高(Z_t)＝20～500，用于提供重复金属密封，增加密封的结构可靠性；还可有宏观支撑锯齿环(05是其齿面，07是其齿刃)，用于提供连接安装的紧固支撑，消除对接面绕接触圆翻转，简化安装紧固程序，确保密封接触的均匀性，增加密封的可靠性。

本发明的有缚自激密封环的内径Φd₃是余进圆整后的EN1092-1表A-1的管外径(ΦA)的圆整值，密封环壁厚(a)是按递增至11地取EN1092-1表A-1的次最小壁厚，即有密封环外径Φd₂＝Φd₃+2a；特设端面A上的Φd₁/ΦK/ΦD_o/n-ΦL是EN1092-1的相关规定尺寸。因此，加之有缚自激密封环是按自密封工作的，一个尺寸规格的法兰用密封环可满足该规格的任何压力的密封需求，或者说，法兰用密封环或密封元只分规格不分压力级别，而且其对应的金属管壁厚值就是法兰制造和安装的总同轴度允差半值。

本发明的法兰用密封环的应用尺寸Φd₃/Φd₂/a/h如下表所列，其中h＝ka，k＞1+a/d₃，在于确保介质在密封环上的密封作用面积(环的内柱面积)永远大于其去密封作用面积(环的端面积)，即确保密封环的密封维持系数m永远大于1，能始终维持可靠密封。

尺寸单位为mm

DN	10	15	20	25	32	40	50	65	80	100	125	150	200
														NPS	3/8	1/2	3/4	1	1-1/4	1-1/2	2	2-1/2	3	4	5	6	8
管外径	17.2	21.3	26.9	33.7	42.4	48.3	60.3	76.1	88.9	114.3	139.7	168.3	219.1
														Φd3	18	22	27	34	43	49	61	77	89	115	140	169	220
Φd2	22	26	32.2	40.4	49.4	55.4	68.2	84.2	98	124	151.2	181.6	234
														a	2	2	2.6	3.2	3.2	3.2	3.6	3.6	4.5	4.5	5.6	6.3	7
h	2.6	2.6	3.4	4.1	4.1	4.1	4.5	4.5	5.6	5.6	6.9	7.8	8.6

DN	250	300	350	400	450	500	600	700	800	900	1000	1200	1400
														NPS	10	12	14	16	18	20	24	28	32	36	40	48	56
管外径	273	323.9	355.6	406.4	457	508	610	711	813	914	1016	1219	1422
														Φd3	273	324	356	407	457	508	610	711	813	914	1016	1219	1422
Φd2	287	340	372	423	473	524	626	727	829	930	1032	1237	1440
														a	7	8	8	8	8	8	8	8	8	8	8	9	9
h	8.6	9.8	9.8	9.8	9.8	9.8	9.8	9.8	9.8	9.8	9.8	10.9	10.9

DN	1600	1800	2000	2200	2400	2600	2800	3000	3200	3400	3600	3800	4000
														NPS	64	72	80	88	96	104	112	120	128	136	144	152	160
管外径	1626	1829	2032	2235	2438	2620	2820	3020	3220	3420	3620	3820	4020
														Φd3	1626	1829	2032	2235	2438	2620	2820	3020	3220	3420	3620	3820	4020
Φd2	1646	1851	2054	2257	2460	2642	2842	3042	3242	3442	3642	3842	4042
														a	10	11	11	11	11	11	11	11	11	11	11	11	11
h	12.1	13.3	13.3	13.3	13.3	13.3	13.3	13.3	13.3	13.3	13.3	13.3	13.3

值得注意的是，第一，本说明书涉及密封料环或材料相对金属缚腔的“热胀冷缩”的描述，字面意思符合材料温度系数差为正的情况，但还应泛指材料温度系数差为负时该说“热缩冷胀”的情况；第二，本发明的密封结构都是按正压(非真空)密封结构披露的，即其缚环01在料环02外、衬环03在料环02内，但是，将缚环01和衬环03的截面以密封环壁尺寸a的垂直平分线为对称轴线地对称交换一下，本发明的正压密封环、垫和结构就是本发明的负压(真空)密封环、垫和结构。

Claims (13)

1.一种有缚自激轴向密封环，靠密封料的正交变形实现密封，由软质密封料环及其金属外缚环和金属内衬环组成，或由软质密封料环及其金属外缚环组成，或由软质密封料环及其金属内衬环组成，其特征是所述缚环和所述衬环的壁薄，仅能约束所述料环的径向自由热胀冷缩。

2.一种按权利要求1的有缚自激轴向密封环，其特征是所述缚环或所述衬环对所述料环的约束面形，致所述料环的工作截面沿轴向两头大中间小。

3.一种按权利要求1或权利要求2的有缚自激轴向密封环，其特征是所述缚环和所述衬环的料环约束面是以沿径向凸伸入所述料环的碗形截面曲线或V形曲线或矩形曲线或近似矩形曲线或弧线为母线的回转面，非矩形曲线回转面界定一个两端有斜角肩的料环缚腔截面，矩形曲线回转面界定一个两端有直角肩或接近直角肩的料环缚腔截面。

4.一种有缚自激密封垫，靠密封料的正交变形实现密封，由软质密封料环及其金属承压外疆环和金属内衬环组成，或由软质密封料环及其金属承压外疆环组成，其特征是有衬环时，所述衬环仅能约束所述料环的径向自由热胀冷缩；无衬环时，所述疆环对所述料环的约束面是曲母线回转面。

5.一种按权利要求4的有缚自激密封垫，其特征是所述疆环或所述衬环对所述料环的约束面形，致所述料环的工作截面沿轴向两头大中间小。

6.一种按权利要求4或权利要求5的有缚自激密封垫，其特征是所述疆环和所述衬环的料环约束面是以沿径向凸伸入所述料环的碗形截面曲线或V形曲线或矩形曲线或近似矩形曲线或弧线为母线的回转面，非矩形曲线回转面界定一个两端有斜角肩的料环缚腔截面，矩形曲线回转面界定一个两端有直角肩或接近直角肩的料环缚腔截面。

7.一种按权利要求4或权利要求5的有缚自激密封垫，其特征是所述疆环的两个端面上有用作紧固支撑的宏观锯齿环，或有用作密封的微观锯齿环，或两者皆有。

8.一种有缚自激密封结构，靠密封料的正交变形实现密封，由软质密封料环及其金属缚腔和金属衬环组成，或由软质密封料环及其金属缚腔组成，其特征是有衬环时，所述衬环仅能约束所述料环的径向自由热胀冷缩；无衬环时，所述缚腔对所述料环的约束面是曲母线回转面。

9.一种按权利要求8的有缚自激密封结构，其特征是所述缚腔或所述衬环对所述料环的约束面形，致所述料环的工作截面沿轴向两头大中间小。

10.一种按权利要求8或权利要求9的有缚自激密封结构，其特征是所述缚腔和所述衬环的料环约束面是以沿径向凸伸入所述料环的碗形截面曲线或V形曲线或矩形曲线或近似矩形曲线或弧线为母线的回转面，非矩形曲线回转面界定一个两端有斜角肩的料环缚腔截面，矩形曲线回转面界定一个两端有直角肩或接近直角肩的料环缚腔截面。

11.一种按权利要求8或权利要求9的有缚自激密封结构，其特征是所述缚腔的外端面上有用作紧固支撑的宏观锯齿环，或有用作密封的微观锯齿环，或两者皆有。

12.一种有缚自激密封结构，靠密封料的正交变形实现密封，由软质密封料环及其金属缚腔和金属衬环组成，或由软质密封料环及其金属缚腔组成，其特征是有衬环时，所述衬环仅能约束所述料环的径向自由热胀冷缩；无衬环时，所述缚腔有一个泊松补偿锥面底部或有一个斜角台阶或直角台阶口部，或所述缚腔同时有所述锥面底部和所述斜角台阶或直角台阶口部。

13.一种按权利要求12的有缚自激密封结构，其特征是所述缚腔的外端面上有用作紧固支撑的宏观锯齿环，或有用作密封的微观锯齿环，或两者皆有。