ПЛОСКАЯ ГРЕБЕНЧАТАЯ УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПРОКЛАДКА С ДВУСТОРОННИМИ НАКЛАДКАМИ ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ РАЗЪЕМНЫХ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
FLAT SERRATE SEALING GASKET WITH TWO-SIDED STRAPS FOR SEALING OF DETACHABLE FLANGE CONNECTIONS

Область техники
Изобретение относится к плоской гребенчатой уплотнительной прокладке с двусторонними накладками для герметизации разъемных фланцевых соединений, например фланцевых соединений трубопроводов, арматуры, сосудов, работающих под давлением, и т.п., причем профиль гребенчатой уплотнительной прокладки образован V-образными пазами с углом раскрытия 90°.
Уровень техники
Известные плоские гребенчатые уплотнительные прокладки для разъемных фланцевых соединений, арматуры, сосудов, работающих под давлением, и т.п. обычно имеют форму кольца или кругового кольца, сечение которого бывает разными способами профилировано, обычно в зависимости от материала, примененного для уплотнения фланцевого соединения. Фланцы обычно с помощью болтов прижимаются друг к другу, за счет чего обеспечивается разъемное соединение. Разъемное соединение выгодно при производстве ремонтов, реконструкции и других работ.
Известны плоские гребенчатые уплотнительные прокладки, изготовленные из мягкой легированной или аустенитной стали. На гребенчатую прокладку чаще всего накладывается с обеих сторон уплотняющая пластина или пленка из вспученного графита, вспученного тефлона, термокулита, слюды, алюминия, никеля, серебра и других материалов. Выбор определенного материала, примененного для уплотняющей пластины или пленки, зависит главным образом от физико-химических свойств среды, транспортируемой системой трубопроводов или находящейся в уплотненном сосуде, работающем под давлением.
Плоские фланцевые уплотнения обычно имеют форму кольца, а на контактных уплотнительных поверхностях снабжены концентрически расположенными V-образными пазами с углом раскрытия 90°, с шагом 1,5 мм и глубиной 0,75 мм. При сжатии между уплотнительными прижимными поверхностями фланцев вышеупомянутые V-образные пазы во взаимодействии с уплотняющими накладками перепрофилируют эти накладки. Благодаря такому изменению формы уплотняющей накладки повышается уплотняющий эффект фланцевого соединения. Достижение наибольшего уплотняющего эффекта при обеспечении длительной эксплуатационной надежности уплотненного фланцевого соединения зависит не только от химических свойств среды, протекающей по трубопроводу, но и от температуры и давления этой среды. Требования по обеспечению вышеупомянутого уплотняющего эффекта повышаются в случае, когда при эксплуатации оборудования давление или температура, или значения обеих физических величин колеблются в относительно большом диапазоне. Кроме того, на уплотняющий эффект фланцевого соединения оказывает влияние удельное усилие от болтов, имеющих соответствующую конструкцию и форму, которые взаимно соединяют и стягивают фланцы, установленные на трубопроводах или сосудах, работающих под давлением.
Известна гребенчатая уплотнительная прокладка с двусторонними накладками из пленки из вспученного графита, обладающая очень хорошими уплотняющими свойствами даже при высоких удельных давлениях и высоких температурах. При сжатии гребенчатой уплотнительной прокладки между уплотнительными поверхностями фланцев пленка из вспученного графита продавливается в пазы прокладки. При монтаже необходимо обеспечить сжатие таким способом, чтобы между вершинами пазов, выполненных на контактной поверхности гребенчатой уплотнительной прокладки, и уплотнительной прижимной поверхностью фланца находился сплошной слой вспученного графита. В случае, если вследствие монтажных работ или при рабочей нагрузке фланцевого соединения вершины пазов контактных поверхностей гребенчатой уплотнительной прокладки будут непосредственно соприкасаться с уплотнительной прижимной поверхностью фланца, пленка из вспученного графита прорезается и, следовательно, нарушается принцип уплотнения смежного уплотняющего потока, созданного путем закрытия вспученного графита в пазах гребенчатой прокладки. Вследствие этого уплотняющий эффект фланцевого соединения теряется, и необходимо произвести ремонт. Кроме того, в таком случае часто возникают вмятины на уплотнительных поверхностях фланцев, что усложняет проведение ремонта.
Вышеупомянутый недостаток, причиной которого является прилегание или непосредственный контакт гребенчатой прокладки с уплотнительными поверхностями фланцев, существенно ограничивается за счет того, что гребенчатая уплотнительная прокладка, снабженная V-образными пазами с углом раскрытия 90°, имеет между отдельными пазами мостики шириной 0,25-0,4 мм. Юстировка уплотняющей пленки к гребенчатой прокладке, а также упрощение условий выполнения монтажных и ремонтных работ, обеспечивается за счет приклеивания пленки к гребенчатой прокладке. Целесообразно использовать клей, обладающий клеящей способностью уже при низких температурах.
В DE Gebrauchsmuster G 9100438.1 и G 9317130.7 приводится описание плоской гребенчатой уплотнительной прокладки с двусторонними накладками для герметизации фланцевых соединений, имеющей две уплотнительные контактные поверхности, в которых выполнены концентрически расположенные V-образные пазы, причем между пазами созданы мостики, представляющие собой концентрически расположенные поверхности, а дно впадин концентрических пазов закруглено. Вершины крайних пазов находятся выше вершин внутренних пазов, так что при прижатии фланцев к уплотнительной прокладке такие вершины наружных пазов деформируют поверхность соответствующего фланца, а уплотняющее средство закрывается в круговом кольце, ограниченном вершинами наружных пазов. В случае разборки уплотняемого соединения перед установкой новой уплотнительной прокладки необходимо произвести ремонт обоих фланцев с целью достижения надежного уплотнения фланцевого соединения.
Подобное конструктивное исполнение плоской гребенчатой уплотнительной прокладки приведено в ЕР 0922897 А2. Более высокие вершины крайних пазов расположены в одной плоскости с окружающей поверхностью прокладки, благодаря чему предупреждается их повреждение при зажатии прокладки между фланцами. Недостатком этого решения является то, что в данном случае количество уплотняющего материала должно точно заполнять пространство между более высокими вершинами крайних пазов, а в связи с этим повышаются требования к точности изготовления уплотняющей пленки или пластины.
В некоторых случаях фланцевые соединения применяются в системах трубопроводов, подвергающихся воздействию значительных и даже исключительно высоких механических и температурных нагрузок. В этих случаях, и особенно у фланцевых соединений больших диаметров, при таких нагрузках ухудшается уплотняющий эффект, сокращается срок службы и уменьшается надежность уплотнения соединения, снижается степень досягаемой плоскопараллельности контактных соединяемых поверхностей фланцев. Непараллельность контактных соединительных поверхностей фланцев и их возможная плоскостная деформация и неровности усложняют выполнение монтажных работ и неблагоприятно влияют на показатели уплотняющего эффекта, и особенно тогда, когда для уплотнения соединения применена кольцевая гребенчатая уплотнительная прокладка с накладками с обеих сторон.
Целью предлагаемого технического решения согласно изобретению является улучшение современного уровня и оптимизация условий для создания высоконадежного эксплуатационного уплотняющего эффекта у фланцевых соединений, включая уменьшение неблагоприятного влияния непараллельности и деформации соединяемых поверхностей фланцев, с использованием ноу-хау при монтажных работах и техобслуживании.
Сущность изобретения
Цель изобретения достигается плоской гребенчатой уплотнительной прокладкой с двусторонними накладками для герметизации разъемных фланцевых соединений, сущность которого состоит в том, что на обеих уплотнительных контактных поверхностях гребенчатой прокладки между пазами созданы лежащие в одной плоскости концентрические поверхности постоянной ширины от 0,2 мм до 0,6 мм, при этом дно впадин концентрических пазов выполнено с закруглением радиусом 0,3-0,5 мм, а на обе уплотнительные контактные поверхности наложена уплотняющая пленка или уплотняющая пластина, причем концентрические пазы в уплотнительных контактных поверхностях гребенчатой прокладки имеют меньший объем, чем объем уплотняющей пленки или уплотняющей пластины, которая перекрывает вершины крайних пазов.
При этом целесообразно, чтобы уплотнительные контактные поверхности и контактные поверхности фланцев были обработаны по стандартизированному классу шероховатости 1,6-3,2.
Следующее улучшение уплотняющего эффекта, особенно для гребенчатой уплотнительной прокладки крышки сосуда, работающего под давлением, достигается тогда, когда каждая уплотняющая контактная поверхность гребенчатой уплотнительной прокладки содержит по крайней мере две группы пазов разной глубины, а отдельные группы пазов отделены друг от друга непрерывной выточкой в виде кругового кольца.
Для упрощения монтажа и демонтажа удобно, если на обеих уплотнительных контактных поверхностях гребенчатой прокладки наклеены уплотняющие пленки или уплотняющие пластины при помощи клея, имеющего сравнительно низкую точку плавления, например, около 50°С.
Для обеспечения длительного и надежного уплотняющего эффекта и уменьшения негативного влияния непараллельности и деформации соединяемых поверхностей фланцев целесообразно, если каждая из уплотнительных контактных поверхностей гребенчатой прокладки создана на отдельных кольцевых деталях, которые по внутреннему диаметру изогнуты встречно друг к другу, а в месте соприкосновения соединены, причем на наружной стороне они взаимно перекрываются и по крайней мере в одной из них выполнена кольцевая выточка, которая при соединении обеих кольцевых деталей образует кольцевую камеру.
Соединение обеих кольцевых деталей выполняется или прочным отбортованным швом, например сварным, или разборным соединением, например замковой запрессовкой.
С точки зрения экономичности достижения надежного уплотняющего эффекта целесообразно, если кольцевая камера имеет квадратное или прямоугольное сечение.
Также целесообразно, если по крайней мере одна из кольцевых деталей при действии осевого зажимного усилия является упругогибкой.
В кольцевой камере предпочтительно расположен кольцевой пружинящий вкладыш из вспученного графита, подавляющий влияние непараллельности и деформации соединяемых поверхностей фланцев при эксплуатации.
Список фигур
Примеры осуществления изобретения показаны на чертежах, где:
фиг.1 - частичный поперечный осевой разрез фланцев, соединяющих трубопроводы, с плоской гребенчатой уплотнительной прокладкой, на которую с обеих сторон наложена уплотняющая пленка, при этом все элементы имеют форму кольца;
фиг.2 - частичный поперечный разрез фланца на сосуде под давлением с крышкой; уплотнение выполнено при помощи плоской гребенчатой уплотнительной прокладки с двусторонними накладками, на которой созданы две группы пазов разной глубины;
фиг.3 - частичный поперечный разрез, в увеличенном масштабе - форма профиля пазов, выполненных на плоской гребенчатой уплотнительной прокладке;
фиг.4 - частичный поперечный разрез фланца, гребенчатой уплотнительной прокладки и уплотняющей пленки после сжатия прокладки во фланцевом соединении, в увеличенном масштабе;
фиг.5 - частичный поперечный осевой разрез фланцев, соединяющих трубопроводы, с плоской гребенчатой, продольно разделенной уплотнительной прокладкой, снабженной упругим вкладышем, причем на плоскую гребенчатую прокладку с обеих сторон наложена уплотняющая пленка, а все элементы имеют форму кольца;
фиг.6 - поперечный разрез плоской гребенчатой, продольно разделенной уплотнительной прокладки с обозначением разности сжимаемости между поверхностями кольцевых деталей плоской прокладки под действием осевого усилия сжатия соединяемых фланцев;
фиг.7 - частичный поперечный осевой разрез фланцев, соединяющих трубопроводы, с плоской гребенчатой, продольно разделенной уплотнительной прокладкой, показанной на фиг.5, с той разницей, что показана установка уплотняющих элементов после сжатия контактными поверхностями соединяемых фланцев;
фиг.8 - частичный поперечный разрез, в увеличенном масштабе - деталь "А" на фиг.5, где показано соединение плоских кольцевых деталей по их внутреннему диаметру замковой запрессовкой;
фиг.9 - частичный поперечный разрез как на фиг.8, с той разницей, что показано соединение по внутреннему диаметру, выполненное сварным швом.
Примеры осуществления изобретения
Верхний фланец 1 (фиг.1) на конце неизображенного трубопровода имеет отверстия 2 для непоказанных соединительных болтов. В нижнем фланце 3 на конце присоединяемого неизображенного трубопровода также выполнены отверстия 4 для вышеупомянутых соединительных болтов. Выполнение этого фланцевого соединения общеизвестно. В промежуток между контактными поверхностями фланцев 1, 3 помещена плоская кольцевая гребенчатая прокладка 5. На гребенчатую прокладку 5 с обеих сторон накладывается уплотняющая пленка или уплотняющая пластина 6, 7 также кольцевой формы, наружный и внутренний диаметры которых предпочтительно совпадают с внутренним и наружным диаметрами кольцевой гребенчатой уплотнительной прокладки 5. Уплотнительные контактные поверхности кольцевой гребенчатой прокладки 5 снабжены концентрическими пазами 8, между которыми на обеих уплотнительных контактных поверхностях созданы концентрические поверхности Y. Ширина поверхности Y обычно выбирается в пределах от 0,2 мм до 0,6 мм и зависит не только от материала, примененного для изготовления уплотняющей пленки или уплотняющей пластины 6, 7, но и от давления, температуры и среды, транспортируемой по трубопроводу, трубы которого соединяются при помощи данного фланцевого соединения. В нижней части пазов 8 выполнены закругления R радиусом 0,3-0,5 мм. Выполненные закругления R благоприятно влияют на распределение напряжений, действующих от уплотняющей пленки или пластины 6, 7 на дно впадин пазов 8 при уплотнении фланцевого соединения под действием сжатия. Такая конструктивная мера способствует обеспечению надежности и общей долговечности уплотнения фланцевого соединения.
Неизображенный сосуд под давлением снабжен фланцем 9 (фиг.2), по окружности которого выполнены отверстия 10 для непоказанных соединительных болтов. Напорный сосуд закрывается крышкой, представляющей собой запорный фланец 11, по окружности которого также выполнены отверстия 12 для соединительных болтов. Этот способ закрытия сосудов под давлением тоже общеизвестен.
Между фланцем 9 сосуда под давлением и крышкой в виде запорного фланца 11 расположена плоская кольцевая гребенчатая уплотнительная прокладка 13, которая в показанном примере исполнения на контактных уплотнительных поверхностях снабжена двумя системами концентрических кольцевых пазов 14, 15 разной глубины S. Система более глубоких концентрических пазов 14 отделена от системы более мелких концентрических пазов 15 кольцевой выточкой 16. В этом исполнении плоская кольцевая гребенчатая уплотнительная прокладка 13 покрыта с обеих сторон уплотняющей пленкой или уплотняющей пластиной 17, 18. Применение кольцевых пазов 14, 15 разной глубины является выгодным техническим решением, способствующим повышению уплотняющего эффекта, и особенно в случае деформации поверхности крышки в виде запорного фланца 11, которая может возникать вследствие давления в сосуде, работающем под давлением.
После затяжки болтов фланцевого соединения уплотняющая пленка или уплотняющая пластина 6, 7 вместе с гребенчатой прокладкой 5 прижимаются таким образом, что в пространстве между контактными поверхностями фланцев 1, 3, 9, 11 и поверхностями Y между пазами 8 гребенчатой прокладки 5 образуется компактный сплошной слой Х материала уплотняющей пленки или уплотняющей пластины 6, 7 или 17, 18. На практике толщина этого компактного сплошного слоя Х выбирается в пределах от 0,02 мм до 0,3 мм в зависимости от примененного материала уплотняющей пленки или уплотняющей пластины 6, 7 или 17, 18, а также от давления и температуры среды, герметически закрываемой при помощи фланцевого соединения. Толщина компактного сплошного слоя Х (фиг.4) материала уплотняющей пленки или уплотняющей пластины 6, 7, 17, 18 после затяжки фланцевого соединения имеет непосредственное влияние на получаемый уплотняющий эффект. При слишком большой толщине слоя Х материала, и особенно под действием давления происходит вытеснение материала уплотняющей пленки или уплотняющей пластины 6, 7, 17, 18, а в результате этого уменьшается уплотняющий эффект фланцевого соединения.
За счет выбора формы, размеров и конструктивного исполнения плоской гребенчатой уплотнительной прокладки с двусторонними накладками, предназначенной для герметизации разборных фланцевых соединений, после уплотнения фланцевого соединения объем внутреннего пространства пазов 8 гребенчатой прокладки 5, 13 меньше объема уплотняющей пленки или уплотняющей пластины 6, 7, 17, 18.
С целью упрощения выполнения монтажных и ремонтных работ целесообразно, если гребенчатая уплотнительная прокладка 5, 13 выполнена с двусторонним наложением уплотняющей пленки или уплотняющей пластины 6, 7, 17, 18, которые приклеиваются клеем, имеющим сравнительно низкую точку плавления, например около 50°С. Преимущество такого решения состоит в том, что под действием тепла создаются условия для более легкого и несложного удаления поврежденной уплотняющей пленки или пластины 6, 7, или 17, 18.
Приведенное техническое решение по изобретению может быть использовано для систем трубопроводов и напорных систем, в которых движется рабочая среда при высоком динамическом давлении, например 100-150 МПа, и колеблющейся температуре, которая может достигать свыше 500°С. Решение по изобретению может быть использовано и для систем, работающих под разрежением.
Выбор материала, применяемого для уплотняющей пленки или уплотняющей пластины 6, 7, 17, 18, обычно зависит от параметров и свойств уплотняемой среды. Это значит, что одинаково пригодными материалами, кроме вспученного графита, являются, например, вспученный тефлон, серебро, термокулит, алюминий, специальные резиноволоконные материалы и др.
В примерах исполнения по фиг.5 и 7 во фланце 1 на конце неизображенного трубопровода выполнены отверстия 2 для непоказанных соединительных болтов. В нижнем фланце 3 на конце присоединяемого неизображенного трубопровода также выполнены отверстия 4 для вышеупомянутых соединительны болтов. В промежуток между контактными поверхностями фланцев 1, 3 помещена плоская кольцевая гребенчатая уплотнительная прокладка 5. На гребенчатую прокладку 5 с обеих сторон накладывается уплотняющая пленка или уплотняющая пластина 6, 7 также кольцевой формы, наружный и внутренний диаметры которых предпочтительно соответственно совпадают с внутренним и наружным диаметрами кольцевой гребенчатой уплотнительной прокладки 5. Кольцевая гребенчатая уплотнительная прокладка 5 состоит из двух кольцевых плоских деталей 5а, 5b, по внутреннему диаметру которых выполнен загиб 51. Кольцевые плоские детали 5а, 5b предпочтительно имеют в зеркальном отражении одинаковую форму поверхности, но по наружной окружности заканчиваются неодинаково. Одна из кольцевых плоских деталей, например деталь 5а, по наружной окружности имеет вертикальный зубец 52, который перекрывает наружную окружность второй противоположно расположенной детали 5b. Наружная поверхность кольцевой плоской детали 5а снабжена концентрическими пазами 8а, а наружная поверхность противоположной кольцевой плоской детали 5b снабжена концентрическими пазами 8b. По крайней мере одна из кольцевых плоских деталей, например 5а, на внутренней поверхности снабжена выточкой, которая после сборки обеих кольцевых плоских деталей 5а, 5b образует закрываемую камеру 53 прямоугольной или квадратной формы. Закрываемая камера 53, за счет загиба 51 и прочного сварного шва 55а или замковой запрессовки 55b по внутреннему диаметру кольцевых плоских деталей 5а, 5b, в направлении к внутреннему диаметру заканчивается пространством 54 треугольной формы.
1
2
Для обеспечения технологичности конструкции при сборке кольцевой гребенчатой уплотнительной прокладки 5, перед выполнением прочного, в частности неразъемного соединения кольцевых плоских деталей 5а, 5b по их внутреннему диаметру, целесообразно вставить в пространство закрываемой камеры 53 кольцевой пружинящий вкладыш 20 из вспученного графита или другого материала, обладающего антиэкструзивными свойствами, который обеспечивает устойчивость установленного предварительного напряжения, а также обладает способностью восстановления формы. Толщина пружинящего вкладыша 20 прямоугольного или квадратного сечения конструктивно ограничивается в зависимости от диаметра уплотняемого фланцевого соединения, рабочего давления и температуры движущейся в трубопроводе среды, оптимального осевого усилия прижима соединяемых фланцев в направлении стрелок Р и P, а также с учетом использования устанавливаемого предварительного напряжения, графически изображенного значением W.
Плоская упругая деформация или способность кольцевых плоских деталей 5а, 5b к плоской упругой деформации в совокупности с упругоэластичным свойством материала, из которого изготовлен пружинящий вкладыш 20, в случаях умеренных деформаций или умеренной непараллельности контактных поверхностей соединяемых фланцев 1, 3, с использованием ноу-хау при сборке фланцевых соединений и использованием сущности технического решения по изобретению позволяет обеспечить почти совершенный уплотняющий эффект в течение длительного срока службы.
Промышленная применимость
Техническое решение согласно изобретению может быть использовано для уплотнения систем трубопроводов, работающих под давлением и под разрежением, в которых в соответствии с требованиями эксплуатации происходят колебания давления и температуры рабочей среды. Результаты испытаний фланцевых соединений с таким уплотнением показали их надежность и долговечность при давлениях свыше 150 МПа и температурах свыше 500°С.
Список обозначений позиций
1
верхний фланец
2
отверстия
3
нижний фланец
5
гребенчатая уплотнительная прокладка
5а, 5b
кольцевые плоские детали гребенчатой уплотнительной прокладки
51
загиб
52
вертикальный зубец
53
камера
54
пространство треугольной формы
55а
сварной шов
55b
замковая запрессовка
6, 7
уплотняющая пленка или пластина
8
концентрические пазы
8а, 8b
концентрические пазы
9
фланец
10
отверстия
11
запорный фланец
12
отверстия
13
гребенчатая уплотнительная прокладка
14
более глубокие концентрические пазы
15
более мелкие концентрические пазы
16
кольцевая выточка
17, 18
уплотняющая пленка или пластина
20
пружинящий вкладыш
Y
концентрическая поверхность
R
радиус закругления паза
S
глубина пазов
Х
слой материала