具有高压高温辅助密封的机械密封件制造技术

机械密封件的辅助密封包括环形密封垫圈和围绕圆柱形密封表面的背板，它们都可以由相同的金属材料制成。该垫圈的横截面为C形，并且在操作期间被轴向压入形成在该背板中的C形槽中，该C形槽比该垫圈更浅且内径更大，由此当该垫圈被压入该槽中时，该垫圈径向向内变形并密封该背板和该密封表面。垫圈和密封表面之间的接触面积随着压力而增加。在实施方式中，当压力释放时，垫圈从密封表面缩回，从而使得能够容易地拆卸并允许垫圈和背板的轴向移动。垫圈和密封表面的高度抛光表面可允许其在操作期间轴向运动以保持密封面空隙。间轴向运动以保持密封面空隙。间轴向运动以保持密封面空隙。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高压高温辅助密封的机械密封件
[0001]相关申请
[0002]本申请要求保护2018年6月14日提交的第16/008,214号美国专利申请的权益，该专利申请的全部内容通过引用结合于此以用于所有目的。


[0003]本专利技术涉及旋转轴密封件，且更特定来说，涉及旋转轴机械密封件。

技术介绍

[0004]机械密封件是由两个平的、环形的、非接触的密封面(通常称为静态密封面和旋转密封面)的紧密接近而形成的密封，其中一个面通常是静态的并且密封到壳体，而另一个面密封到旋转轴并且与轴一起旋转。两个密封面是环形的，并且与旋转轴同轴，由此轴的长轴线也是环形密封面的公共轴线。
[0005]传统上，两个密封面被研磨平坦到非常高的平坦度，这允许面被配置为平行关系，由此它们不彼此物理接触，而是由可以窄到一微米或更小的空隙(gap)隔开。空隙本身也是环形的，并且与两个环形密封面以及与旋转轴共用公共中心轴线。在几何上，机械密封件的构造使得如果每个环形密封面被认为位于一个平面中，则环形密封面的平面将彼此平行，并且两者都将垂直于旋转轴的中心轴线。
[0006]机械密封件中的密封面之间的空隙填充有由流体形成的膜，由于内、外边界之间的压差，流体从空隙的内、外边界中的一个或两个径向地被迫进入空隙。该膜用于润滑空隙，并保持面的分离，使得它们不会彼此机械磨损。通常，但不总是，该润滑液是工艺流体。机械密封件固有的是，在操作期间，非常少量的润滑流体径向地泄漏穿过空隙，即从环形空隙的内边界泄漏到空隙的外边界，和/或反之亦然。泄漏量根据设计和应用而变化，但典型的量约为每小时四分之一茶匙。通常，这是如此小的量，以致如果泄漏的流体是液体，则其趋于蒸发而不是汇集，因此不会引起注意。
[0007]通常，将密封面永久地固定到轴和壳体上是不实际的。相反，在静止密封面和壳体之间以及在旋转密封面和旋转轴之间设置辅助密封件。
[0008]机械密封件的有效性很大程度上取决于在密封面之间保持非常窄的空隙。通常，密封面中的一个构造成可轴向移动，并且在操作期间向其施加轴向力，以便将其压向另一个密封面，并且从而补偿磨损、轴向推力、热膨胀和/或可能损害密封面之间的空隙的任何其它机构。根据密封件的设计，轴向推力可由加压的工艺流体和/或由弹簧、波纹管或其它加压机构提供的机械载荷来施加。该施加的轴向力与空隙内的润滑流体的流体动力压力相反，从而产生维持很小但有限的空隙尺寸的平衡。
[0009]为了适应可轴向移动的密封面的轴向移动，相关的辅助密封件必须是轴向适应性的，因为当密封面轴向移动时，它必须保持密封面和其相关结构(壳体或旋转轴)之间的辅助密封件。为此，通常适用两种类型的轴向适应性辅助密封件中的任一种，即“推动式”辅助密封件或“非推动式”辅助密封件。推动式辅助密封件是形成密封件的元件可轴向移动的辅
助密封件。通常，O形环用于与圆柱形元件形成密封，该圆柱形元件与密封面同轴并固定到壳体或轴上，使得O形环能够在可轴向移动的密封面经历轴向移动时沿着圆柱形元件滚动。由于O形环的弹性变形，这些O形环推动式密封件对升高的压力响应良好，当施加的压力增加时，弹性形变增加密封件的接触面积。
[0010]非推动式密封件是辅助密封件，形成密封件的元件在其与壳体或轴的附接中保持固定，并且通过膨胀或收缩适应相关密封面的轴向运动。在低温用场中，有时使用可膨胀的弹性垫圈，而在高温应用中，经常使用波纹管。在任一情况下，对于非推动式辅助密封件，密封件的接触面积通常不随压力增加。
[0011]在操作期间，机械密封件必须经受工艺流体的温度和压力。为此，由于弹性体的温度限制，使用包括垫圈和/或O形环的辅助密封件会限制机械密封件能够工作的最高温度。与弹性体辅助密封件相比，使用金属波纹管的非推动式辅助密封件能够承受更高的操作温度，但是金属波纹管密封件复杂、昂贵、难以安装和移除、经受金属疲劳，并且有时仍然不能承受对于给定应用可能期望的全部温度范围。
[0012]因此，需要一种高温、高压辅助密封设计，其设计简单，易于安装和拆卸，将机械密封件的工作温度范围扩展到现有极限之外，并且优选地便于相关密封面的轴向移动。

技术实现思路

[0013]本专利技术公开了一种高温、高压辅助(secondary)密封件设计，其设计简单(至少与金属波纹管密封相比)，易于安装和移除，将机械密封件的操作温度范围扩展到现有极限之外，并且在实施方式中，便于相关联的密封面的轴向移动。该新颖的辅助密封件设计包括环形密封垫圈和背板，其围绕下面的圆柱形密封表面，该圆柱形密封表面可以是旋转轴的外表面，或者围绕旋转轴并固定到轴或壳体的轴环的外表面。在实施方式中，所有这三个元件由相同的金属材料制成，使得随温度的膨胀和收缩的影响最小化。在实施方式中，金属材料是合金718或在高温下保持其强度的另一“超合金”。
[0014]在操作期间，密封垫圈被配置成径向向内按压以便与密封表面形成径向密封，同时还轴向按压抵靠背板以与其形成轴向密封。该背板依次地或者与相关的密封面是一体的，永久地结合到该密封面，或者以其他方式密封到该密封面。
[0015]密封垫圈的形状为大约半个空心环，因此其横截面形状近似大写字母“C”。在实施方式中，通过冲压工艺制造密封垫圈，由此初始平坦的环形金属环被压在两个紧公差(close-tolerance)形式之间以产生“C”横截面形状。因此，与典型的非推动式金属波纹管相比，密封垫圈的制造简单得多且成本低得多。
[0016]C形密封垫圈轮廓的弯曲部分朝向设置在背板中的C形槽，以便在施加轴向压力时，垫圈被压入槽中。然而，背板中的凹槽在其到达下面的密封表面之前终止，使得垫圈的径向最内部分暴露。这允许C形密封垫圈的内径在压力下变形并形成抵靠密封表面的增强密封。
[0017]在实施方式中，密封垫圈的壁具有恒定厚度，在实施方式中为大约.005英寸。在各种实施方式中，密封垫圈的内径略小于圆柱形密封表面的外径，例如在直径上小.0005英寸与.001英寸之间，从而在第一次施加压力之前抵靠下面的密封表面形成初始干涉配合(即，压配合)。
[0018]根据本专利技术，密封垫圈的外表面、背板凹槽的内表面和下面的密封表面都制备成具有高度光滑的光洁度。在实施方式中，所有这些表面的光洁度具有16微英寸或更小的Ra。该背板或板将具有尺寸与该辅助密封垫圈的尺寸相似的凹槽。具体地，上述垫圈的恒定半径横截面将匹配背板中的凹槽的半径。
[0019]在实施方式中，背板凹槽的径向向外直径略小于垫圈的外径，例如直径在.001英寸与.002英寸之间，从而密封垫圈紧密地配合在凹槽中。在各种实施方式中，在所公开的辅助密封件的初始组装期间，保持环或卡环用于将垫圈保持在背板的凹槽内。
[0020]如上所述，在实施方式中，在组装之后和初始操作之前，在环境压力和温度下，密封垫圈的内径与圆柱形密封表面的外径形成过盈配合。在操作期间，随着所施加的工艺流体的压力和温度增加，密封垫圈被压靠在设置于背环中的凹槽上，从而使其屈服(yield)并符合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种机械密封件，所述机械密封件包括高压、高温兼容的辅助密封件，所述机械密封件包括：第一密封面和第二密封面，所述第一密封面和第二密封面密封到相应的第一结构和第二结构上，所述密封面中的一个是旋转密封面，所述旋转密封面围绕、固定到旋转轴上并与所述旋转轴同轴，所述密封面中的另一个是静密封面，所述静密封面与所述旋转密封面同轴并固定到静止的壳体上，所述密封面具有彼此紧密接近的相对的密封表面，从而在它们之间形成非接触的主密封件；所述第一密封面通过辅助密封件密封到所述第一结构，所述辅助密封件包括：圆柱形的密封表面，所述密封表面围绕所述旋转轴并与所述旋转轴同轴，且密封到所述第一结构；环形的背板，所述背板围绕所述旋转轴并与所述旋转轴同轴，并且密封到所述第一密封面；环形金属的密封垫圈，所述密封垫圈围绕所述密封表面且与所述密封表面同轴并接近所述背板，所述密封垫圈具有近似圆的半圆弧的弓形横截面，朝向所述背板轴向弯曲且终止于接近所述密封表面的内边缘及远离所述密封表面的外边缘处；以及弓形凹槽，所述弓形凹槽形成在所述背板中并邻近所述密封垫圈，所述弓形凹槽的内半径大于所述密封垫圈的内半径，所述弓形凹槽的横截面曲率比所述密封垫圈的横截面形状的曲率浅，使得当所述密封垫圈被轴向地压入所述弓形凹槽中时，所述密封垫圈与所述背板形成密封，同时，所述密封垫圈的所述内边缘被径向向内推动超过所述背板的所述弓形凹槽并抵靠所述密封表面，从而与所述密封表面形成密封。2.根据权利要求1所述的机械密封件，其中，所述背板、所述密封垫圈和所述密封表面被配置为使得在所述密封垫圈被压入所述弓形凹槽中之前，所述密封垫圈的所述内边缘首先与所述密封表面形成压配合。3.根据权利要求2或3所述的机械密封件，其中，在所述密封垫圈被压入所述弓形凹槽之前，所述密封垫圈的所述内边缘的直径比所述密封表面的直径小.0005至.001英寸...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：福斯管理公司，
类型：发明
国别省市：