УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ВОЛНОВАЯ ПРОКЛАДКА С ВТОРИЧНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ СИЛУР 099

Заявленная полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к уплотнительным прокладкам, которые могут использоваться в частности, в качестве прокладки для головок цилиндров, а также для других поверхностей, например фланцев, между которыми должно быть уплотнение.
Волновой профиль прокладки известен давно.
Сначала прокладку такого профиля делали из металла, что позволяло решить проблемы «кривых фланцев» за счет упругости формы, но уплотнение металл-металл требует очень гладкой контактной поверхности. Любая незначительная царапина может привести к протечке.
Для решения этой проблемы стали делать комбинированные прокладки двух видов,
Первая - когда во впадины стального волнового основания укладывали узкие полоски мягкого уплотнительного материала. Такое решение существенно упростило достижение герметичности, однако для ее достижения необходимо было сначала смять металлические волны (зиги) основания, и лишь потом уплотнить мягкий уплотнитель. Это приводит к увеличению удельного давления обжатия. Плюс прокладки в том, что если уплотнитель сгорел, зазор между фланцами перекрывают гребни зигов, достаточно плотно прилегающие к фланцам, т.е. протечка будет, но небольшая.
Вторая - когда вся поверхность волнового основания плакирована мягким  уплотнителем. В этом случае герметизация соединения происходит при существенно меньшем удельном давлении обжатия, поскольку первоначально уплотняется графит на гребнях, а это половина площади прокладки. Недостаток - если графит сгорит, между фланцами образуется большая щель и будет большой выброс уплотняемой среды.
Аналоги заявленной прокладки описаны в американском национальном стандарте ASME B 16/5-2003 и британском стандарте BS EN 12560-4:2001.
обж
1. Гофрированный металл. Прокладка волнового профиля из мягких металлов и сплавов: меди, алюминия, монеля. Прокладка лучше уплотняет фланцы с перекосами, имеет меньший прокладочный коэффициент (например, для монеля 3,5), по сравнению с прокладкой из гладкого листового металла (для монеля 6,0). За счет упругой формы профиля более приспособлены к перепадам температур и давлений. Однако, поскольку металлы недостаточно пластичны, минимальное удельное давление обжатия для металлических волновых прокладок достаточно велико (для монеля Q=65 МПа), что приводит к необходимости использования массивных фланцев и крепежа.
обж
2. Гофрированный металл с вставками из уплотнительного материала, например терморасширенного графита или фторопласта, расположенного во впадинах волнового основания. Данный тип прокладок имеет несколько меньший прокладочный коэффициент (для монеля с вставками из терморасширенного графита - 3,25), прокладки существенно лучше компенсируют дефекты поверхности фланцев, такие как забоины, царапины, коррозионные повреждения, поскольку мягкий материал вставок более пластичен по сравнению с металлами. При этом металл основания, контактируя по гребням с фланцем, обеспечивает замкнутое пространство для мягких вставок, предотвращая их выдавливание при обжатии прокладки и в случае разрушения материала вставки (например, под воздействием температуры), зазор между фланцами остается минимальным. Минимальное удельное давление обжатия для волновой прокладки из монеля с вставками из терморасширенного графита Q=50 МПа, это меньше, чем в первом случае, но все-таки достаточно велико, так как до момента обеспечения плотности мягкой вставки, необходимой для герметизации, требуется смять металлические гофры.
3. Прокладка волнового профиля из металла, плакированная с обоих сторон мягким уплотнительным материалом из терморасширенного графита или фторопласта. Данный тип прокладок известен, например, под торговой маркой DinaGraph фирмы POWER line Чехия, прокладки типа WD10 ,WD20 фирмы IDT, Германия или Graphonic фирмы GARLOCK Германия-США. Благодаря упругому волновому основанию из стали и сплошному слою мягкого прокладочного материала, прокладка легко компенсирует дефекты поверхности фланцев, перекосы и раскрытие-сжатие фланцев при перепадах температур и давлений. Прокладочный коэффициент прокладки, плакированной терморасширенным графитом равен 2,0, минимальное удельное давление обжатия снижается до 10-14 МПа, поскольку при обжатии первоначально уплотняется (и герметизирует) плакирующий слой на гребнях, составляющих половину площади прокладки. Однако в случае нештатных ситуаций, например при превышении температуры возможно выгорание плакирующего уплотнительного слоя и между фланцами образуется зазор, равный толщине этого выгоревшего слоя, как правило, равного 1-2 мм. Что приведет к мгновенному выбросу большого объема уплотняемой среды.
обж
Известна «Металлическая прокладка», заявка на изобретение 2006134009, RU, с датой конвенционного приоритета: 26.02.2004 US 60/547,981; 22.02.2005 US 11/063,073; заявитель: «ФЕДЕРАЛ-МОУГАЛ КОРПОРЕЙШН (US)», которая содержит первый и второй слои с отверстиями и уплотняющие выступы, которые возвышаются над поверхностями оснований, располагаясь в радиальном направлении наружу и вокруг отверстий. В прокладке аналога зиги выполнены для усиления герметизирующих свойств. Прокладка достаточно хорошо уплотняет фланцы с перекосами, имеет меньший прокладочный коэффициент например, для нерж. стали - 3,5. Минимальное удельное давление обжатия для волновой завальцованной в листовую нержавеющую сталь прокладки с уплотнением из терморасширенного графита Q=45 МПа, что достаточно велико, поскольку уплотнение происходит в контакте «металл-металл», где требования к поверхности так же очень высоки. Этот показатель является недостатком аналога.
обж
Также известна «Уплотнительная прокладка», патент на полезную модель №98512, RU, с датой приоритета 28.05.2010; патентообладателей): Открытое акционерное общество "Завод фрикционных и термостойких материалов" (RU). Уплотнительная прокладка, содержит металлический слой, в котором выполнено, функциональное отверстие, вокруг отверстия сформованы зиги, которые содержат стопперы для ограничения деформации. Стопперы выполнены в виде отдельных выступов, имеющих профиль зуба, трапеции или дуги. Прокладка волнового профиля (с зигами) как правило, выполняется из листовой стали. Прокладка с зигами плотнее прилегает к поверхности фланцев по сравнению с гладкими прокладками, лучше компенсирует перекосы, вибрации и перепады температур. Имеет меньший прокладочный коэффициент (например, для нержавеющей стали 3,75), по сравнению с прокладкой из гладкого листового металла (для нержавеющей стали 6,5). Однако, поскольку металлы недостаточно пластичны, чистота поверхности фланцев должна быть достаточно высокой (как правило, не хуже Ra1,6), что не позволяет применять прокладку на фланцах с дефектами поверхности или с перекосами, в условиях перепадов температуры и вибрации. При этом, минимальное удельное давление обжатия для металлических волновых прокладок достаточно велико (для нерж. стали Q=52 МПа), что приводит к необходимости использования массивных фланцев и крепежа, в противном случае неизбежна протечка уплотняемой среды.
Эта прокладка является наиболее близкой по технической сущности и поэтому взята за прототип заявленной полезной модели. Существенным недостатком прототипа является высокое удельное давление обжатия.
Техническая задачей является снижение удельного давления обжатия и повышение надежности прокладки за счет обеспечения вторичного уплотнения.
Технический результат достигается за счет уплотнительной волновой прокладки с вторичным уплотнением, содержащей по меньшей мере, одно металлическое основание, в котором выполнено, по меньшей мере, одно функциональное отверстие, причем вокруг отверстия сформованы зиги, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, имеющих профиль зуба, трапеции или дуги, согласно полезной модели одна часть зигов, выполнена в виде волн, имеющих форму синусоиды в поперечном сечении с отношением высоты H1 к шагу волны L в пределах от 1:2 до 1:10 и плакированных с двух сторон мягким уплотнительным материалом, с возможностью обеспечения первичного уплотнения, а другая часть зигов, имеющих профиль зуба, трапеции или дуги, выполнена с высотой H2, которая всегда больше высоты H1, без покрытия, с возможностью обеспечения вторичного уплотнения, причем зиги с высотой H2 могут быть расположены как по внутреннему и/или наружному контуру металлического основания, так и между зигами с высотой H1 в любом ряду зигов, а в качестве плакирующего материала применен терморасширенный графит марки ТРГ, фторопласт или паронит.
Сущность полезной модели иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 представлена Уплотнительная волновая прокладка с вторичным уплотнением (поперечное сечение). На фиг. 2 представлена прокладка с вторичным уплотнением в виде нескольких волн.
На фиг. 3 представлена прокладка с вторичным уплотнением в виде дуги.
На фиг. 4 представлена прокладка с вторичным уплотнением в виде трапеции.
На фиг. 5 представлена прокладка с вторичным уплотнением в виде проволоки.
На фиг. 6 представлена прокладка, с расположением зоны вторичного уплотнения между зонами первичного уплотнения.
Уплотнительная волновая прокладка с вторичным уплотнением (фиг. 1) состоит из волнового металлического основания 1, выполненного, например, в виде кольца с отверстием в центре (на фиг. не показано). Вокруг отверстия сформованы зиги, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, имеющих разный профиль и разную высоту, благодаря чему образуются две зоны уплотнения: первичная зона A и вторичная зона В. В зоне уплотнения А зиги выполнены в виде волн, имеющих форму синусоиды в поперечном сечении с отношением высоты H1 к шагу волны L в пределах от 1:2 до 1:10 и плакированных с двух сторон мягким уплотнительным материалом 2, что и обеспечивает первичное уплотнение при обжатии.
В зоне уплотнения B профиль зига может быть выполнен в виде зуба (фиг. 1, 2), в виде дуги (фиг. 3), в виде трапеции (фиг. 4) или окружности (фиг. 5) с высотой H2, без покрытия. Важно то, что высота H2 зигов в зоне уплотнения B всегда больше высоты H1 зигов в зоне уплотнения A, такое решение и обеспечивает вторичное уплотнение прокладке.
Первичная зона A и вторичная зона B (фиг. 1, фиг. 6) не ограничены местом расположения на основании прокладки.
Зигов с высотой H2 может быть несколько (фиг. 2). Толщина плакирующего слоя в зоне первичного уплотнения может быть как постоянной, так и отличаться на выступах и впадинах (на фиг. не показано).
В заявленной полезной модели прокладочный коэффициент равен 2,0. Минимальное удельное давление обжатия равен 10-14 МПа. При таком обжатии зиги прокладки с высотой H2, которые не имеют уплотнительного покрытия, плотно прилегая к поверхности фланцев, образуют дополнительный уплотнительный барьер, препятствующий массовому выбросу уплотняемой среды при разрушении основного уплотнительного слоя.
Заявленная прокладка содержит две зоны поверхности A - плакированная по всей поверхности уплотнительным материалом и B - в виде зигов увеличенной высоты не плакированных ничем. Такое решение позволяет при обжатии прокладки зигам вторичного уплотнения коснуться поверхности фланцев одновременно с плакированным материалом и одновременно с ним уплотниться при обжатии. Таким образом, удельное давление обжатия останется низким, а в случае выгорания уплотнительного материала, большой дыры между фланцами не появится.
При этом нет принципиальной разницы в форме зигов вторичного уплотнения. Зона вторичного уплотнения может быть выполнена проволокой с диаметром, который обеспечит высоту H2 большую, чем H1 (фиг. 5). Главное, что при смятии прокладки создается определенное усилие в контакте проволоки с фланцами.
Форма зигов при раскрытии фланцев (например, при термоциклировании) обеспечивает упругое восстановление уплотнения прокладки, что является положительным фактором использования заявленной полезной модели.
Уплотнительная волновая прокладка с вторичным уплотнением используется при обжатии во фланцевом соединении, которое происходит условно в три стадии:
Начальная стадия. На этой стадии мягкий плакирующий слой первичного уплотнения соприкасается с поверхностью фланцев одновременно с не плакированными вершинами волн вторичного уплотнения.
На второй стадии мягкий плакирующий слой первичного уплотнения уплотняется на вершинах металлических выступов, а волны вторичного уплотнения упруго деформируются, прижимаясь к поверхности фланцев.
На третей, окончательной стадии мягкий плакирующий слой первичного уплотнения уплотняется во впадинах металлических выступов а волны вторичного уплотнения упруго деформируясь, еще сильней прижимаются к поверхности фланцев.
Преимущества предлагаемой прокладки:
Наличие зоны вторичного уплотнения и металлического основания волновой формы, плакированное мягким уплотнительным материалом, придает прокладке повышенную упругость, т.е. заявленная прокладка является более надежной по сравнению с прототипом. Кроме того, появилась возможность применять прокладку на фланцах с дефектами поверхности или с перекосами, в условиях перепадов температуры и вибрации. Главное, что герметичность прокладки при этом достигается при существенно меньшем удельном давлении обжатия, поскольку мягкий уплотнительный материал уплотняется сначала на гребнях волн, а не по всей поверхности прокладки.
Наличие зоны вторичного уплотнения в виде не плакированных металлических волн повышенной высоты в случае разрушения первичного уплотнения под воздействием неблагоприятных факторов (например, температуры) препятствует лавинообразному истечению уплотняемой среды через фланцевое соединение, поскольку плотный контакт по границе «металл-металл» гребней волн и поверхности фланцев резко уменьшает открытую площадь фланцевого разъема.
Техническим результатом заявленной полезной модели является то, что за счет мягкого уплотнительного материала прокладки, происходит первичное уплотнение на гребнях волн, суммарная площадь которых равна ½ всей площади прокладки, при существенно меньшем удельном давлении обжатия, который равен 10-14МПа, что значительно меньше, чем в прототипе. А наличие вторичного уплотнения в виде повышенной волны, плотно прижимающейся к поверхности фланцев, резко уменьшает открытую площадь фланцевого разъема при разрушении основного уплотнителя, благодаря чему, резко снижается объем протечек, что повышает надежность прокладки.
При этом в случае нештатных ситуаций, например, при превышении температуры выше критической и выгорании плакирующего уплотнительного слоя и соответственно образования в этой области прокладки зазора, равного толщине этого выгоревшего слоя, как правило, равного 1-2 мм начинает работать
вторичное уплотнение прокладки. Вершины зигов, плотно прилегая к поверхности фланцев, образуют дополнительный уплотнительный барьер, препятствующий мгновенному выбросу большого объема уплотняемой среды.