СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА РАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ
MANUFACTURING METHOD OF SEALING ELEMENT OF DETACHABLE CONNECTION

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано при изготовлении и эксплуатации разъемных соединений с уплотнениями типа «металл по металлу», например в трубопроводной арматуре, в соединениях трубопроводов, в разъемных соединениях сосудов, работающих в условиях высоких давлений, глубокого вакуума, высоких и низких температур в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известен способ изготовления уплотнительного элемента разъемного соединения (патент RU №2168084 С2, МПК F16J 15/08, опубликовано 27.05.2001 г.), совпадающий по назначению с заявляемым. Известный способ включает процессы получения заготовок и их обработки в горячем состоянии для формирования из них уплотнительных элементов.
Известный способ является сложным (нагрев, осадка, раскатка, отжиг, закалка, старение) и не может обеспечить работу уплотнительного элемента только в упругой области, так как сформированный из многократно деформированной и закаленной заготовки уплотнительный элемент имеет одинаковую с ней степень упругости и пластичности и предназначен для работы в упругопластической области. Пластическая составляющая его работы не исключает того, что расчетное усилие герметизации может вызвать напряжения, превышающие предел текучести металла уплотнительного элемента и привести к появлению в нем необратимых остаточных деформаций, снижающих надежность его работы и сокращающих его эксплуатационный ресурс. Поэтому он требует замены на новый уплотнительный элемент после его однократного использования.
Известен способ изготовления уплотнительного элемента разъемного соединения (Гридин Геннадий Дмитриевич, «Технологическое обеспечение герметичности разъемных соединений сосудов высокого давления при применении мягких покрытий». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Иркутск: ИПИ, 1980. 204 с. /стр.56-57, рисунок 3.1/), включающий формирование уплотнительного элемента, имеющего вид кольцевого уплотнительного выступа (пояска) с трапецеидальным профилем и с плоской уплотнительной поверхностью. Уплотнительный элемент может быть сформирован на упорной поверхности одной из соединяемых деталей разъемного соединения. Формирование кольцевого уплотнительного выступа производят методом точения с последующим нанесением на его уплотнительную поверхность слоя более пластичного материала.
Уплотнительный элемент, изготовленный известным способом, не может иметь высоких упругих свойств, а наличие пластичного слоя ограничивает его применение в условиях высоких температур и относительных перемещений. Кроме того, он требует восстановления или замены на новый уплотнительный элемент после его однократного использования.
Известен способ изготовления или ремонта уплотнительного элемента разъемного соединения (Руководящий документ РД 153-34.1-39.603-99 «Руководство по ремонту арматуры высоких параметров», введено в действие с 01.11.2000 г., раздел 1, пункт 1.3; пункт 6.1, подпункты 6.1.1, 6.1.2, 6.1.3, 6.1.4. Сайт: www.энергорешение.рф), который может включать формирование на упорной или уплотнительной поверхности фланца кольцевого уплотнительного элемента (выступа, пояска) с трапецеидальным профилем методом точения с последующей плазменно-дуговой наплавкой его плоской уплотнительной кольцевой поверхности твердыми сплавами, например стеллитом. Контактная поверхность сформированного известным способом уплотнительного элемента должна быть дополнительно обработана точением и доведена до высокого класса чистоты с помощью притирания.
Известный способ изготовления является сложным и не позволяет обеспечить повышение герметичности уплотнения и надежности его работы, так как при наплавке жесткого кольцевого выступа твердыми сплавами возможно возникновение несовершенств, микротрещин, пор, разрывов в наплавленном слое металла или в основном металле при его нагреве. Кроме того, при создании необходимой величины контактного давления на его уплотнительной поверхности могут возникать осевые напряжения, превышающие предел текучести металла в той части уплотнительного элемента, которая расположена под наплавкой, что может приводить к его необратимым пластическим деформациям и снижать надежность его работы и эксплуатационный ресурс. Поэтому при ремонте указанного разъемного соединения требуется обязательное восстановление контактной поверхности уплотнительного элемента или его замена на новый.
Известен способ изготовления уплотнительного элемента разъемного соединения, наиболее близкий по технической сущности заявляемому способу его изготовления (Руководящий документ РД 153-34.1-39.603-99 «Руководство по ремонту арматуры высоких параметров», введено в действие с 01.11.2000 г., раздел 1, пункт 1.4; раздел 5, пункт 5.2, подпункт 5.2.10; раздел 6, пункт 6.1, подпункты 6.1.1, 6.1.2, 6.1.3, 6.1.4; пункт 6.2. Сайт: www.энергорешение.рф), включающий формирование уплотнительного элемента, расположенного на упорной (уплотнительной) поверхности фланца и имеющего вид кольцевого уплотнительного выступа с трапецеидальным или прямоугольным профилем, методом точения с последующей обработкой его плоской уплотнительной поверхности в холодном состоянии методом притирания или поверхностной пластической деформации с помощью обрабатывающего инструмента, например обкатыванием с помощью цилиндрического ролика, имеющего гладкую рабочую поверхность. Подачу обрабатывающего инструмента осуществляют в направлении, параллельном упорной (уплотнительной) поверхности фланца, а не перпендикулярном к ней, что не позволяет повысить качество обработки уплотнительной поверхности из-за образующихся волнообразных следов обкатки, обусловливающих неравномерность твердости контактной поверхности. В известном способе величину деформирующей силы не представляется возможным связать с расчетной величиной контактного давления в уплотнительной паре. По известному способу, действию пластической деформации при обкатывании роликом подвергается только тонкий слой контактной поверхности уплотнительного элемента, имеющей макро- и микронеровности.
Известный способ изготовления является достаточно сложным и не может обеспечить глубокого деформирующего воздействия на всю высоту уплотнительного элемента, то есть его смятия до уровня упорной поверхности фланца, из-за относительно небольшой величины деформирующей силы. Известный способ позволяет произвести только сглаживание шероховатостей на поверхности контакта уплотнительного элемента и в какой-то мере повысить твердость его поверхностного слоя. При этом твердость и упругость основного металла уплотнительного элемента и той части металла фланца, которая находится под основанием уплотнительного элемента, не повышаются. Согласно нормативным документам, требуемая величина контактного давления на контактной поверхности должна быть не менее чем в 3 раза выше величины давления рабочей среды. Поэтому в уплотнительном элементе, изготовленном известным способом и работающем в упругопластической области, могут возникать напряжения, превышающие предел текучести металла в той части уплотнительного элемента, которая расположена под упрочненным слоем металла. Это может приводить к его необратимым пластическим деформациям и со временем снижать надежность работы уплотнительного элемента, особенно при его циклическом нагружении. В связи с этим имеется вероятность снижения герметичности и сокращения эксплуатационного ресурса уплотнительного элемента. Кроме того, его герметичность может быть понижена из-за вероятности возникновения перенаклепа или увеличения шероховатости на его рабочей поверхности при ее обкатке роликом с продольной подачей. Поэтому при ремонте разъемного соединения требуется обязательное восстановление контактной поверхности такого уплотнительного элемента или изготовление нового.
Задачей изобретения является упрощение процесса изготовления уплотнительного элемента, повышение его герметичности, надежности его работы, эксплуатационного ресурса и снижение усилия герметизации.
Задача решается тем, что в способе изготовления уплотнительного элемента на одной из деталей фланцевого разъемного соединения, включающем предварительное формирование исходного кольцевого уплотнительного выступа треугольного профиля, последующую его обработку пластической деформацией обрабатывающим инструментом путем смятия от его вершины в направлении, перпендикулярном к упорной поверхности фланца деформирующей силой, обеспечивающей возможность его упругого восстановления, до высоты, равной 10-60% высоты исходного кольцевого уплотнительного выступа после снятия деформирующей силы, при этом ширину b основания исходного кольцевого выступа определяют по зависимости
а
к
-0,03β
b=+1,2·е,
а
к
где  - заданная ширина поверхности контакта кольцевого уплотнительного выступа, мм;
е - основание натурального логарифма;
β - среднее значение внутренних углов при основании исходного кольцевого выступа, которое выбирают в пределах 10...60°.
Деформационная сила может быть снята после контактирования рабочей поверхности обрабатывающего инструмента с упорной поверхностью фланца.
Обработка исходного кольцевого выступа пластической деформацией может быть произведена с помощью жесткого штампа, имеющего плоскую и гладкую рабочую поверхность.
Обработка исходного кольцевого выступа методом пластической деформации может быть произведена с помощью обкатки цилиндрическим роликом с гладкой рабочей поверхностью.
Технический результат изобретения выражается в проявлении изготовленным кольцевым уплотнительным элементом (выступом, пояском) свойства упругого тела. Экспериментально подтверждено, что упругость изготовленного кольцевого уплотнительного элемента находится в области подчинения закону Гука, благодаря чему он упруго восстанавливает необходимую рабочую высоту после снятия деформирующей силы смятия. Кроме того, как показали исследования, рабочая поверхность кольцевого уплотнительного элемента приобретает и высокую степень чистоты, и высокую твердость и не требует дополнительных операций по ее доводке. В изготовленном по предлагаемому способу кольцевом уплотнительном элементе не могут происходить необратимые деформации, так как они уже произведены в процессе смятия исходного кольцевого выступа. Поэтому изготовленный по предлагаемому способу кольцевой уплотнительный элемент сохраняет свои герметизирующие свойства после многократных сборок-разборок разъемного соединения. Он может надежно работать в условиях значительных колебаний рабочих давлений и температур, а также при изгибных нагрузках и вибрациях.
Треугольный профиль исходного кольцевого выступа позволяет осуществить его пластическую деформацию штампом или роликом в режиме свободного и равномерного деформирования (смятия). При этом посредством деформирующей силы создаются напряжения в исходном кольцевом выступе и в прилегающих к его основанию нижележащих слоях металла фланца, превышающие предел текучести в 3,5…6,5 раза. Поэтому не только кольцевой уплотнительный элемент, но также и прилегающие к его основанию нижележащие слои металла фланца деформируются и получают более высокую твердость, а следовательно, и более высокую упругость, что исключает вероятность их пластической деформации при эксплуатации. Кроме того, треугольный профиль исходного кольцевого выступа позволяет повысить средние напряжения, которые создаются по ширине поверхности контакта полученного кольцевого уплотнительного элемента, благодаря чему обеспечивается значительное повышение его герметизирующих свойств, по сравнению с герметизирующими свойствами уплотнительного элемента, изготовленного известным способом.
Границы выбора высоты исходного кольцевого выступа и его внутренних углов при основании определены экспериментально и обеспечивают получение кольцевого уплотнительного элемента (выступа) необходимой рабочей высоты с гарантированным свойством ее упругого восстановления.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан схематически исходный кольцевой выступ и его треугольный профиль после его обработки методом точения; на фиг.2 - вид на изготовленный кольцевой уплотнительный элемент (выступ) и его трапецеидальный профиль, полученный после завершения процесса смятия исходного кольцевого выступа; на фиг.3 - вид на жесткий штамп и на уплотнительный выступ в момент контактирования штампа с упорной поверхностью фланца (штриховая линия) и после отведения штампа от упорной поверхности (сплошная линия); на фиг.4 - схема расположения цилиндрического ролика в процессе обкатки исходного кольцевого выступа на упорной поверхности фланца; на фиг.5 - вид на уплотнительный элемент в незатянутом положении разъемного соединения (осевой разрез); на фиг.6 - вид на уплотнительный элемент в затянутом положении разъемного соединения (осевой разрез).
Заявляемый способ изготовления уплотнительного элемента разъемного соединения осуществляется следующим образом.
1
лев
прав
лев
прав
1
При изготовлении уплотнительного элемента, например для фланцевого разъемного соединения, вначале на упорной (уплотнительной) поверхности 1 фланца 2 формируют кольцевой уплотнительный элемент в виде исходного кольцевого выступа 3, концентрично расположенного вокруг уплотняемого отверстия 4. Процесс формирования исходного кольцевого выступа 3 производят любым из известных приемов лезвийной обработки металла, например методом точения с последовательной установкой резца на заданные (в плане) углы φ или φ (на чертежах не показаны). В процессе точения получают исходный кольцевой выступ 3 с треугольным профилем и с внутренними углами β и β (фиг.1) при его основании 5, которые могут быть неравными и могут находиться в пределах 10…60°, поэтому выбирают среднее значение этих углов, представляемое углом β. Эти углы β и β соответственно равны углам φ или φ. Ширину и основания 5 исходного кольцевого выступа 3 определяют по зависимости
а
к
-0,03β
b=+1,2·е,
а
к
где  - заданная ширина поверхности контакта кольцевого уплотнительного элемента, мм;
е - основание натурального логарифма;
β - среднее значение внутренних углов при основании 5 исходного кольцевого выступа 3, которое выбирают в пределах 10…60°.
В зависимости от параметров уплотнения ширина b основания 5 может находиться в пределах от 1,0 до 10 мм.
лев
прав
лев
прав
лев
прав
упр
упр
к
Высоту Н исходного кольцевого выступа 3 определяют геометрически согласно среднему значению выбранных углов β и β. Чем больше среднее значение углов β и β, тем больше высота Н исходного кольцевого выступа 3. Например, при ширине b основания 5 исходного кольцевого выступа 3, равной 2 мм, и при углах β и β, составляющих каждый по 60°, и, следовательно, при их среднем значении, составляющем угол β, равный также 60°, высота Н исходного кольцевого выступа 3 составит 1,732 мм. Острую вершину 6 исходного кольцевого выступа 3 с треугольным профилем скругляют, чтобы не было заусенцев. Затем производят его обработку в холодном состоянии методом пластической деформации, например с помощью жесткого штампа 7 с плоской и гладкой рабочей поверхностью 8 путем свободного смятия исходного кольцевого выступа 3 от его вершины 6 в направлении, перпендикулярном к упорной поверхности 1 фланца 2. При больших диаметрах исходного кольцевого выступа 3 целесообразно использовать жесткий штамп 7, имеющий кольцевую форму и диаметр, соответствующий диаметру исходного кольцевого выступа 3. Ширину L рабочей поверхности жесткого штампа 7 выполняют в 4…6 раз большей, чем рассчитанная ширина b основания 5 исходного кольцевого выступа 3. Процесс пластической деформации смятия исходного кольцевого выступа 3 производят деформирующей силой, обеспечивающей возможность упругого восстановления полученного кольцевого уплотнительного элемента до высоты, равной 10-60% от высоты Н исходного кольцевого выступа после снятия деформирующей силы. Под действием указанной силы, создаваемой прессом, жесткий штамп 7 своей рабочей поверхностью 8 сминает исходный кольцевой выступ 3 до уровня упорной поверхности 1 фланца 2. После достижения контакта (соприкосновения) рабочей поверхности 8 жесткого штампа 7 с упорной поверхностью 1 фланца 2 (фиг.3) деформирующую силу снимают, и процесс изготовления кольцевого уплотнительного элемента 9 (фиг.3) на этом заканчивается. Воздействие деформирующей силы на исходный кольцевой выступ 3 создает в нем напряжения, превышающие предел текучести обрабатываемого металла в 3,5…6,5 раза. В результате исходный кольцевой выступ 3 сминается и приобретает вид кольцевого уплотнительного элемента 9, который одновременно погружается в основной металл фланца 2 (фиг.3). При этом в самом кольцевом уплотнительном элементе 9 и в кольцевой области, расположенной под его основанием 5, происходит упругопластическая деформация металла фланца 2. Благодаря этому кольцевой уплотнительный элемент 9, а также прилегающая к его основанию нижележащая кольцевая область металла фланца 2 получают более высокую твердость и, следовательно, более высокую упругость. Поэтому изготовленный кольцевой уплотнительный элемент 9 приобретает более высокую степень упругости по сравнению с упругостью исходного кольцевого выступа 3. За счет этого после снятия деформирующей силы высота h полученного кольцевого уплотнительного элемента 9 (фиг.2) упруго восстанавливается на 10…60% от высоты Н исходного кольцевого выступа 3. Например, согласно проведенным исследованиям, для нержавеющей стали, при высоте Н исходного кольцевого выступа 3, равной 1,732 мм, абсолютное значение высоты h полученного кольцевого уплотнительного элемента 9 составит 0,23 мм, то есть 13,3% от высоты Н исходного кольцевого выступа 3. При этом, вследствие смятия вершины 6 исходного кольцевого выступа 3, профиль сформированного кольцевого уплотнительного элемента 9 принимает трапецеидальную форму (фиг.2), а его уплотнительная поверхность 10 по всей ее заданной ширине α поверхности контакта получается плоской и гладкой и при этом она характеризуется высокой степенью чистоты, составляющей Ra=0,08…0,2 мкм (Rz=0,4…1,6 мкм), и высокой твердостью.
упр
Для обработки исходного кольцевого выступа 3, принадлежащего плоской, конической или цилиндрической упорной поверхности 1 деталей разъемного соединения, может быть использован цилиндрический ролик 11 (фиг.4) с гладкой рабочей поверхностью, имеющей высокую твердость. Минимальная ширина L рабочей поверхности цилиндрического ролика 11 (фиг.4) также определяется шириной b основания 5 исходного кольцевого выступа 3. В этом случае процесс пластической деформации смятия исходного кольцевого выступа 3 осуществляют посредством его обкатки цилиндрическим роликом 11 с подачей, направленной перпендикулярно к упорной поверхности 1 фланца 2 (фиг.1). При этом ось 12 вращения цилиндрического ролика 11 располагают в горизонтальной плоскости, проходящей через линию центров станка, и ориентируют ее параллельно образующей упорной поверхности 1 фланца 2 (фиг.4) или конической, или цилиндрической упорной поверхности обрабатываемой детали (на чертежах не показаны). Ролик 11, установленный на оси 12 в специальной державке (на чертежах не показана) с возможностью его вращения вокруг этой оси 12, закрепляют в резцедержателе токарного станка (на чертежах не показаны). Деталь разъемного соединения, например фланец 2 с исходным кольцевым выступом 3, закрепляют в патроне токарного станка (на чертежах не показан). После этого включают вращение шпинделя станка и включают подачу цилиндрического ролика 11, которую производят от вершины 6 исходного кольцевого выступа 3 в направлении, перпендикулярном к упорной поверхности 1 фланца 2 (фиг.1). Ролик 11 приводится во вращение за счет силы трения, возникающей при его прижатии к исходному кольцевому выступу 3 на торцевой поверхности вращающегося фланца 2. Деформирующую силу прижатия цилиндрического ролика 11 к вершине 6 исходного кольцевого выступа 3 выбирают такой величины, чтобы она создавала в нем напряжения, превышающие предел текучести обрабатываемого металла в 3,5…6,5 раза. Под действием этой силы при равномерной подаче цилиндрического ролика 11 происходит обкатывание и смятие исходного кольцевого выступа 3 до уровня упорной поверхности 1 фланца 2. В момент контактирования (соприкосновения) рабочей поверхности цилиндрического ролика 11 с плоской или конической, или цилиндрической упорной поверхностью 1 обрабатываемой детали, в данном примере - с плоской торцевой поверхностью 1 фланца 2, производят дополнительно два-три оборота шпинделя для выравнивания уплотнительной поверхности 10 полученного кольцевого уплотнительного элемента 9. После этого выключают подачу цилиндрического ролика 11, отводят его от поверхности 10 полученного кольцевого уплотнительного элемента 9, и останавливают вращение шпинделя. В результате воздействия деформирующих нагрузок, значительно превышающих предел текучести материала исходного кольцевого выступа 3, формируется кольцевой уплотнительный элемент 9, который приобретает повышенную степень упругости по сравнению с упругостью исходного кольцевого выступа 3. Благодаря этому после снятия деформирующей силы его высота h (фиг.2) упруго восстанавливается на 10…60% от высоты Н исходного кольцевого выступа 3. При этом, вследствие смятия вершины 6 исходного кольцевого выступа 3, профиль сформированного кольцевого уплотнительного элемента 9 принимает трапецеидальную форму (фиг.2), а его уплотнительная поверхность 10 получается плоской и гладкой и характеризуется высокой степенью чистоты, составляющей Ra=0,08…0,2 мкм (Rz=0,4…1,6 мкм), и высокой твердостью.
упр
Разъемное соединение, например фланцевого типа, может иметь уплотнительный элемент, изготовленный по предложенному способу в виде кольцевого уплотнительного выступа (пояска) 9. Герметизация таких разъемных соединений имеет свои особенности. Кольцевой уплотнительный элемент 9 может быть выполнен на торцевой стороне каждого фланца 2 (на чертежах не показано) или на торцевой стороне одного из них (фиг.5 и 6). Торцевые стороны фланцев 2 в том или другом случае выполняют роль упорных поверхностей 1, и имеют кольцевые участки (на чертежах не обозначены), выполняющие роль ответных уплотнительных поверхностей, сопрягаемых с уплотнительной поверхностью 10 кольцевого уплотнительного элемента 9. Затяжку фланцевого разъемного соединения производят до плотного контакта торцевых упорных поверхностей 1 фланцев 2. Кольцевой уплотнительный элемент 9 своей уплотнительной поверхностью 10 упруго прижимается к ответной кольцевой уплотнительной поверхности (на чертежах не обозначена) другого фланца 2 и одновременно упруго погружается основанием 5 в основной металл «своего» фланца 2 до момента полного взаимного контакта ответных уплотнительных 10 и упорных поверхностей 1 (фиг.6). В результате в зоне контакта кольцевого уплотнительного элемента 9 с ответной уплотнительной поверхностью (на чертеже не обозначена) фланца 2 создается область повышенного контактного напряжения герметизации. При этом напряжение затяжки, приходящееся на общую поверхность контакта уплотнительных поверхностей 10 и упорных поверхностей 1 фланцев 2, не превышает предела текучести применяемых материалов уплотнительной пары. После снятия усилия герметизации кольцевой уплотнительный элемент 9 упруго восстанавливается на высоту h, то есть до исходной высоты и формы, которые он имел до сборки соединения.
Уплотнительный элемент, изготовленный по предложенному способу и выполненный в виде кольцевого уплотнительного выступа 9, может быть использован в разъемных соединениях, имеющих, например, цилиндрические или конические сопрягаемые поверхности. В указанных случаях герметизация этих соединений производится аналогично описанному выше процессу герметизации для фланцевых соединений.
По сравнению с прототипом предложенный способ изготовления уплотнительного элемента 9 значительно упрощается, так как достаточно одной технологической операции - глубокого пластического деформирования исходного кольцевого выступа, чтобы получить новое качество уплотнительного элемента 9, то есть сообщить ему свойство высокой упругости и одновременно обеспечить высокую степень чистоты (Ra=0,08…0,2 мкм, Rz=0,4…1,6 мкм) и твердости его уплотнительной поверхности.
Уплотнительный элемент 9, изготовленный по предложенному способу, позволяет упростить конструкцию и повысить герметичность и надежность работы различных разъемных соединений за счет сокращения количества промежуточных уплотнительных деталей - сменных упругих прокладок, уплотнительных, упорных и центрирующих колец и т.п.
На этапе ремонта разъемных соединений изобретение позволяет исключить технологические операции, связанные с восстановлением уплотнительных поверхностей, так как уплотнительный элемент 9, изготовленный по предложенному способу, допускает более 20 разборок-сборок с сохранением высоких эксплуатационных характеристик соединения.
Предварительно проведенные эксперименты по изготовлению уплотнительных элементов 9 предлагаемым способом, а затем их испытания на прочность и плотность в собранных разъемных соединениях показали, что соединения могут выдерживать давление более 100 МПа и допускают при сборке многократный поворот уплотнительных поверхностей 10 относительно друг друга при сохранении высокой герметичности соединения.