СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Полезная модель относится к вакуумной уплотнительной технике и позволяет повысить надежность сверхвысоковакуумного фланцевого соединения.
Уровень техники
Известна конструкция сверхвысоковакуумного уплотнительного соединения, содержащего жесткий и упругий фланцы с герметизирующими и центрирующими опорными поверхностями, уплотнитель, размещенный между герметизирующими поверхностями фланцев («Соединительные элементы вакуумных систем. Элементы фланцевых соединений с металлическим уплотнителем». ОСТ 11 868. 007-76., А.В. Балицкий «Технология изготовления вакуумной аппаратуры», изд. 3, -М.: Энергия, 1974 г., с. 267-295). Причем опорные поверхности фланцев расположены со стороны атмосферы относительно герметизирующих поверхностей с уплотнителем, упругое кольцо одного фланца в рабочем состоянии соединения контактирует по внешней плоской периферийной поверхности жесткого кольца ответного фланца. Несмотря на высокую надежность герметизации данной конструкции соединения, устройство имеет существенные радиальные размеры, вес и значительное усилие герметизации. Причина этих недостатков обусловлена необходимостью создания упругого взаимодействия, наличия дополнительного силового взаимодействия по периферии фланцев и необходимости снижения волновой деформации фланцев под воздействием сравнительно крупных шпилек.
Известно сверхвысоковакуумное уплотнительное соединение, в котором одинаковые жесткие фланцы стягиваются большим количеством шпилек, центрирование фланцев осуществляется посредством контактирования их опорных поверхностей с внешней цилиндрической поверхностью уплотнителя, герметизирующие поверхности фланцев сжимают уплотнитель посредством жесткого узла стягивания фланцев («Оборудование вакуумное. Соединения фланцевые для сверхвысоковакуумных систем». ГОСТ 26526-85).
В данном соединении снижена волновая деформация колец фланцев и отсутствует силовое взаимодействие по периферии колец фланцев, что способствует снижению массы устройства вследствие снижения усилия герметизации. Однако в процессе эксплуатации механические радиальные нагрузки на соединения с диаметром проходного сечения до 400 мм передаются непосредственно на зону герметизации, что снижает надежность герметизации устройства. Другим недостатком данного конструктивного решения является отсутствие непосредственного центрирования фланцев по опорным поверхностям устройства, неудобство сборки. Термоциклические испытания на герметичность данной конструкции для больших проходных отверстий (Ду 250 мм и более) показали ее низкую надежность (А.С. Шувалов «Соединительные элементы сверхвысоковакуумных систем». Вакуумная техника и технология, №4, Т. 4, 1994 г., с. 2-25).
Известно сверхвысоковакуумное уплотнительное соединение, в котором между двумя симметричными фланцами размещена металлическая уплотнительная прокладка. С целью повышения надежности соединения оно снабжено центрирующим кольцом, размещенным между фланцами со стороны вакуумированного пространства и сопряжено своей наружной поверхностью с цилиндрическими поверхностями уступов фланцев (Авторское свидетельство на изобретение SU 1689712 А1).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является сверхвысоковакуумное уплотнительное соединение (модифицированное уплотнение Уиллера) (R. Souchet “Raccords d’  fil d’or pour l’ ultra-vide”, Le vide, №123, Mai - Jun, 1966, p. 235-239), в котором одинаковые фланцы с опорными поверхностями центрируются цилиндрической поверхностью жесткого центрирующего кольца, размещенного в вакуумной полости устройства. Соединение сжимается резьбовыми элементами узла стягивания фланцев.
В данном соединении радиальные усилия, прикладываемые к жестким фланцам соединения, передаются на жесткое центрирующее кольцо, которое снижает воздействие нагрузок на герметизирующие поверхности фланцев. Сборка соединения также упрощена. Однако для устройств с большим проходным сечением, эксплуатируемых в нестационарных термических условиях эксплуатации, жесткость узла стягивания фланцев и отсутствие упругого воздействия на уплотнитель снижает надежность сохранения герметичности устройства.
Причина повышенного натекания через устройство заключается в том, что высокотемпературный прогрев уплотнительного устройства способствует отжигу уплотнителя и ползучести материала уплотнителя из зоны герметизации. Этот процесс ведет к понижению напряжения между герметизирующими поверхностями фланцев и уплотнителем. Снижению надежности термоциклирования способствует увеличение температуры прогрева соединения и величины температурного интервала, размеров соединения, различия теплофизических свойств материалов фланцев и уплотнителя. Влияние ползучести уплотнителя проявляется в снижении усилия затяжки резьбовых элементов фланцевых соединениях по сравнению с их первоначальным состоянием при герметизации устройства. Герметичность соединения обычно восстанавливается повышением контактных напряжений дополнительным стягиванием фланцев, что часто неудобно.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности сохранения герметичности разъемных сверхвысоковакуумных уплотнительных соединений с большим проходным сечением (Ду 250 мм и более), эксплуатируемых при термоциклировании.
Для достижения этого результата предложено сверхвысоковакуумное уплотнительное соединение, разделяющее вакуумируемое пространство от атмосферы, содержащее фланцы с герметизирующими выступами и опорными поверхностями, жесткое центрирующее кольцо с направляющей поверхностью, установленное на опорных поверхностях фланцев, уплотнитель, размещенный между герметизирующими поверхностями фланцев, узел стягивания фланцев, при этом уплотнитель и герметизирующие выступы фланцев размещены со стороны вакуумируемого пространства относительно опорных поверхностей фланцев, жесткое центрирующее кольцо размещено со стороны атмосферы относительно опорных поверхностей фланцев, а узел стягивания фланцев снабжен упругими силовыми элементами.
Кроме того, узел стягивания фланцев снабжен упругими силовыми элементами, выполненными в виде тарельчатых пружин.
Кроме того, узел стягивания фланцев снабжен упругими силовыми элементами, выполненными в виде набора разъемных гибких колец (типа рессоры).
Кроме того, направляющая поверхность жесткого центрирующего кольца выполнена в виде конуса.
Расположение жесткого центрирующего кольца, как базового несущего элемента конструкции соединения, размещенного именно со стороны атмосферы, повышает надежность герметизации соединения. В сверхвысоковакуумных магистралях, предназначенных для транспортировки заряженных частиц, повышается удобство юстировки вакуум-провода в пространстве посредством регулировки расположения жесткого центрирующего кольца. Кроме того, в такой конструкции устройства исключается поток газовыделения в сверхвысокий вакуум с жесткого центрирующего кольца.
Введение упругого элемента узла стягивания фланцев в условиях термоциклирования устройства позволяет сохранить герметичность соединения вследствие поддержания механических напряжений между герметизирующими поверхностями фланцев и уплотнителем при релаксации напряжений и ползучести материала уплотнителя.
Вся совокупность существенных признаков повышает надежность сохранения герметизации сверхвысоковакуумного уплотнительного соединения.
Краткое описание чертежей
Сущность описываемой полезной модели схематично поясняется двумя вариантами выполнения сверхвысоковакуумных соединений.
На фиг. 1 показано сверхвысоковакуумное уплотнительное соединение со стыковкой к фланцу большого размера (Ду 250 мм). В качестве упругого элемента применены теплостойкие тарельчатые пружины фирмы SCHNORR с размерами 16,00×8,20×0,90 мм из стали Х39CrМо17-1 (1.4122).
На фиг. 2 представлен вариант выполнения соединения с фиксацией всего устройства на опорной плите, упругий элемент узла стягивания фланцев выполнен в виде набора разъемных гибких колец (типа рессоры) из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72.
Для сопряжения жесткого центрирующего кольца с опорной поверхностью крупногабаритных фланцев (Ду 250 мм и более) требуется высокая точность изготовления. При наличии повышенного зазора между ними возможно дополнительное силовое воздействие на зону герметизации, а также смещение герметизирующей поверхности фланца при термоциклировании. В связи с этим на фиг. 2 представлен вариант выполнения направляющей поверхности жесткого центрирующего кольца в виде конической формы.
Изготовленное по конструктивному решению, представленному на фиг. 1, сверхвысоковакуумное уплотнительное соединение показано на фиг. 3.
Сверхвысоковакуумное уплотнительное соединение (по фиг. 1), разделяющее зону вакуума 1 от зоны окружающей среды 2, содержит фланцы 3 и 4, на которых расположены герметизирующие выступы 5, 6, опорные поверхности 7 фланца 3, опорные поверхности 8 фланца 4, уплотнитель 9, жесткое центрирующее кольцо 10 с направляющими поверхностями 11 и 12, упругий силовой элемент 13, узел стягивания фланцев 14, монтажную опорную плиту вакуум-провода 15.
Основным конструкционным материалом фланцев и жесткого центрирующего кольца является аустенитная нержавеющая сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72. Сортамент - лист обыкновенного класса точности ГОСТ 19903-74. Толщина фланцев 25 мм. Герметизирующий выступ 5 фланца 3 имеет наклон 18°, проточен с шероховатостью поверхности Ra 0,63 мкм, и цилиндрической поверхностью высотой 0,65 мм.
Жесткое центрирующее кольцо 10 центрируется по опорной поверхности 7 фланца 3 диаметром 273 мм.
На жестком центрирующем кольце 10 равномерно выполнены 8 резьбовых отверстий М8 для начальной фиксации его на фланце 3.
Толщина уплотнителя 9, выполненного из отожженной меди M1 ГОСТ 859-75, составляет 2,2 мм. Глубина внедрения герметизирующих выступов 5, 6 в уплотнитель 9 составляет 0,3-0,4 мм.
В зависимости от температурных условий эксплуатации материалом уплотнителя 9 могут быть алюминиевые, медные или никелевые сплавы.
Осуществление полезной модели
Сборка соединения происходит следующим образом.
Вначале фланец 3 и жесткое центрирующее кольцо 10 соединяются соответственно по опорной поверхности 7 и направляющей поверхности 12. Далее в зоне 1 устанавливают уплотнитель 9 на жесткое центрирующее кольцо 10. Затем по направляющей поверхности 11 жесткого центрирующего кольца 10 устанавливают фланец 4 по опорной поверхности 8 с упругими силовыми элементами 13. После этого фланцы 3 и 4 сдвигаются по опорным поверхностям 7, 11 жесткого центрирующего кольца 10 навстречу друг другу силовым воздействием упругих силовых элементов 13 узла стягивания фланцев 14. Усилие затяжки контролируется динамометрическим ключом ДК-25. Разделение зоны вакуума 1 от зоны окружающей среды 2 достигается после создания контактного взаимодействия между герметизирующими выступами 5, 6 фланцев 3 и 4 и материалом уплотнителя 9. При этом упругий силовой элемент 13 деформируется, запасая упругую энергию сжатия уплотнителя 9 герметизирующими выступами 5, 6 фланцев 3 и 4.
Радиальные нагрузки, возникающие в процессе сборки соединения и эксплуатации вакуум-провода, воздействуют на фланцы 3 и 4 в наибольшей мере передаются с опорных поверхностей 7, 8 на направляющую поверхность 11 жесткого центрирующего кольца 10, а не на контакт герметизирующих выступов 5, 6 с уплотнителем 9.
Разборка соединения производится в обратном порядке.
Прогрев соединения понижает предел текучести материала уплотнителя 9 и приводит к его дополнительной деформации. Однако упругость силового элемента 13 поддерживает достаточную для сохранения герметизации соединения величину контактного напряжения между герметизирующими выступами 5, 6 фланцев 3, 4 и уплотнителем 9.
Приведенные конкретные материалы, размеры отдельных элементов устройства не исчерпывают всех вариантов его выполнения.
Таким образом, предложенная конструкция сверхвысоковакуумного уплотнительного соединения повышает надежность сохранения герметизации соединения при его термоциклировании путем поддержания упругого взаимодействия и достаточного контактного напряжения между герметизирующими выступами фланцев с уплотнителем, перераспределения радиальных нагрузок с герметизирующих выступов фланцев на жесткое центрирующее кольцо, а также способствует удобству монтажа и юстировки устройства.