一种用于水压试验环的密封结构及其设计方法与流程

1.本发明涉及水压试验技术领域，尤其是一种用于水压试验环的密封结构及其设计方法。


背景技术：

2.水压试验环的主体结构主要由钢板焊接而成，其结构强度和用钢量决定了其使用性能和造价，气囊和密封圈的组合则保证了整体水压仓的密封性能。
3.如图1所示，标准水压试验环的钢环9放置在两节管节的接口区域，通过将充气嘴6连接高压气泵对充气气囊4充气使其膨胀，从而挤压橡胶密封圈3贴紧管节的管体10，使得封闭的钢环结构在上、下两道密封圈的作用下和管体10形成一个相对密封的腔体。然后，通过开启进水管2的阀门1向腔体内注水，待腔体内的空气经排气管8排除完毕后关闭手动排气阀5，继续加压注水，直至压力表7显示为待测压力并保持一定的时间，检测管节接头密封情况，是否有水渗出或出现明显的水斑；通过上述标准水压试验环可有效检测管节接口区域的强度及密封性。如图2所示，橡胶密封圈3和充气气囊4均被内置于钢环9上所设置的密封腔体11之中，其中橡胶密封圈3位于相对外侧。
4.然而，充气气囊4在其正常展开状态下的直径d和橡胶密封圈3的径向厚度w之和l是小于试验环面板内侧到顶管壁12的距离l的，对于水压试验环，为了保证便于安装以及密封性，l比l大5mm左右，即充气气囊4需要在径向膨胀超过5mm，才能将橡胶密封圈3压缩贴紧顶管壁和密封腔体内壁。根据橡胶材料的特点，在受力变形过程中，体积几乎保持不变，可以近似计算出要达到密封效果，充气气囊4的应变大概在25-30%范围。
5.目前，所用充气气囊4的材料一般为硫化丁基橡胶，其100%定伸应力约在1.2mpa，在小形变状态下，橡胶材料呈现线性弹性状态，可估算出应变范围25%-30%条件下对应的应力约为0.3-0.4mpa，即3-4公斤。另外，常见的固体橡胶几乎不可压缩，并且在受压状态有较大应力。考虑到常规使用的移动高压气泵，其输出的空气压力约在7公斤左右，除了要克服充气气囊4的拉伸应力，还要克服橡胶密封圈3的应力，因此造成密封橡胶圈3与管节管壁的接触不够密实，从而造成闭水效果不理想，进而导致水压试验准确性的下降。


技术实现要素：

6.本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种用于水压试验环的密封结构及其设计方法，通过对充气气囊和密封圈分别进行结构优化设计，提高水压试验环的密闭性，进而提高水压试验的准确性。
7.本发明目的实现由以下技术方案完成：一种用于水压试验环的密封结构，所述水压试验环包括钢环以及设置在钢环上的密封腔体，所述密封腔体内设置有充气气囊以及密封圈，所述充气气囊可在外接的充气装置的作用下膨胀并使所述密封圈压紧于试验对象的壁面上，其特征在于：所述充气气囊正常充气展开状态下的直径和所述密封圈的径向厚度之和大于所述密封腔体内侧到所述试
验对象的壁面之间的距离。
8.所述密封圈的尾部设置有燕尾结构，该燕尾结构与所述充气气囊的形状、大小相吻合适配，使所述密封圈贴紧于所述密封腔体的内壁。
9.所述充气气囊正常充气展开状态下的直径大于或等于所述密封腔体的宽度。
10.所述充气气囊正常充气展开状态下的直径和所述密封圈的径向厚度之和大于所述密封腔体内侧到所述试验对象的壁面之间的距离2-7mm。
11.一种涉及上述的用于水压试验环的密封结构的设计方法，其特征在于：通过增加所述密封圈的径向厚度使其与所述充气气囊正常充气展开状态下的直径之和大于所述密封腔体内侧到所述试验对象的壁面之间的距离。
12.通过增加所述密封腔体的宽度并使所述充气气囊正常充气展开状态下的直径大于或等于所述密封腔体的宽度，进而使所述充气气囊正常充气展开状态下的直径和所述密封圈的径向厚度之和大于所述密封腔体内侧到所述试验对象的壁面之间的距离。
13.通过在所述密封圈的尾部设置燕尾结构，使所述燕尾结构紧贴于所述充气气囊，所述充气气囊正常充气展开状态下使所述密封圈贴紧于所述密封腔体的内壁。
14.本发明的优点是：保证充气气囊所受充气压力均可被传递到密封圈上，从而确保密封圈与试验对象结合截面的压力；保证充气气囊在正常充气展开后使密封圈能贴紧钢环的密封腔体内壁，大大提高了水压试验环的密闭性，提高水压试验的准确性；可降低所需空压设备的规格，有效控制施工成本。
附图说明
15.图1为标准水压试验环结构示意图；图2为标准水压试验环的密封结构示意图；图3为本发明的结构示意图。
具体实施方式
16.以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：如图1-3所示，图中标记1-12及d、w、l、l分别表示为：阀门1、进水管2、橡胶密封圈3、充气气囊4、手动排气阀5、充气嘴6、压力表7、排气管8、钢环9、管体10、密封腔体11、顶管壁12、充气气囊4的正常展开状态下的直径d、橡胶密封圈3的径向厚度w、d与w之和l、试验环面板内侧到顶管壁12之间的距离l。
17.实施例：本实施例中用于水压试验环的密封结构可应用于如图1所示的水压试验环结构中。以水压试验的试验对象为管节接口区域为例，管节接口区域是指相邻两段管节衔接位置的区域；通过水压试验对管节接口区域的强度、密闭性及耐久性等性能进行检测，以保证管节接口区域的施工质量。
18.图1所示的标准水压试验环包括钢环9，放置在两节管节的接口区域内侧，通过将充气嘴6连接高压气泵对充气气囊4充气使其膨胀，从而挤压橡胶密封圈3使其贴紧在管体10的内侧壁面，即顶管壁12上，使得封闭的钢环结构在上、下两道密封圈的作用下和管体10之间形成一个相对密封的腔体。然后，通过开启进水管2的阀门1向腔体内注水，待腔体内的
空气经排气管8排除完毕后关闭手动排气阀5，继续加压注水，直至压力表7显示为待测压力并保持一定的时间，检测管节接头密封情况，是否有水渗出或出现明显的水斑；通过上述标准水压试验环可有效检测管节接口区域的质量。如图2所示，橡胶密封圈3和充气气囊4均被内置于钢环9上所设置的密封腔体11之中，其中橡胶密封圈3位于相对外侧。
19.如图3所示，本实施例中用于水压试验环的密封结构，其充气气囊4的正常充气展开状态下的直径d和橡胶密封圈3的径向厚度w之和l略大于密封腔体11的腔体内侧底面到顶管壁12的壁面之间的距离l，即l》l。这样一来，可保证充气气囊4内所充入的气体的压力可被全部传递到橡胶密封圈3上，从而保证橡胶密封圈3与顶管壁12之间结合截面的压力。在充气气囊4的充气展开过程中，其无需再通过其径向膨胀才能向橡胶密封圈3稳定传递压力，也提高了充气气囊4的使用安全性，提高其使用寿命并降低所需配置的空压设备（例如高压气泵）的规格。
20.在本实施例中，充气气囊4正常充气展开状态下的直径d和橡胶密封圈3的径向厚度w之和l大于密封腔体内侧到顶管壁12的壁面之间的距离l为2-7mm。若l大于l的数值过大，则需要克服橡胶密封圈3收缩或膨胀的力就越大，造成压力损失；相对地，若l大于l的数值过小，则会导致橡胶密封圈3，尤其是橡胶圈密封圈3为圆圈状且位于管节外侧时，其与顶管壁12之间无法贴合密实。因此，在一些实施例中，l大于l的距离优选为5mm左右。
21.如图3所示，在本实施例中，橡胶密封圈3的尾部设置有燕尾结构，该燕尾结构并不计入橡胶密封圈3的径向厚度w。燕尾结构包括与充气气囊4的正常充气展开状态下的直径d相吻合适配的两个燕尾，该燕尾可局部卡入正常充气展开状态下的充气气囊4与密封腔体11的内侧壁面之间，使得充气气囊4在充气展开后可将橡胶密封圈3能贴紧密封腔体11，即充气展开后的充气气囊4将燕尾结构顶紧在密封腔体11的内侧壁面上，这样一来，便可起到更好的止水作用，大大提高了水压试验环的密闭性。
22.在本实施例中，充气气囊4正常充气展开状态下的直径d大于或等于密封腔体11的宽度，使得其该充气气囊4在正常充气展开状态下，可充分压紧橡胶密封圈3尾部所设置的燕尾结构，使其紧贴在密封腔11的内侧壁面上。因此，在本实施例中，也无需利用充气气囊4的径向膨胀来压紧橡胶密封圈3的燕尾结构，而是在充气气囊4的正常充气展开状态下便可完全将压力传递至燕尾结构上用于对其进行压紧。
23.本实施例中用于水压试验环的密封结构包括如下设计方法：通过增加橡胶密封圈3的径向厚度w使其与充气气囊4正常充气展开状态下的直径d之和l大于密封腔体11内侧到顶管壁12的壁面之间的距离l。
24.同时也可通过增加密封腔体11的宽度，由于充气气囊4正常充气展开状态下的直径d大于等于密封腔体11的宽度，因此可增加密封腔体11内部的充气气囊4的正常充气展开状态下的直径d，进而使充气气囊4正常充气展开状态下的直径d和橡胶密封圈3的径向厚度w之和大于密封腔体11内侧到顶管壁12的壁面之间的距离l。
25.本实施例在具体实施时：除了具备收缩膨胀属性的橡胶密封圈3以外，采用聚氨酯、石墨、聚四氟乙烯等其他一些材质制作的非圈状密封件也可适用。
26.虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。