УПЛОТНЕНИЕ ГЛАВНОГО РАЗЪЕМА НАСОСНОГО АГРЕГАТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК
SEALING OF MAIN SOCKET OF PUMP UNIT OF POWER NUCLEAR STATIONS

Изобретение относится к конструкции уплотнений фланцевых соединений большого диаметра и может быть применено в энергетических установках, например в ядерных, а также в аппаратах химических производств, работающих при высоких температурах и давлениях.
2
2
Уплотнение главного разъема насосного агрегата энергетических ядерных установок работает при температурах 270-300°C под давлением порядка 150 кг/см. Необходимость выдерживать высокое рабочее давление и обеспечивать герметичность разъема требуют сжимающего усилия на фланцах разъема порядка 6000 кг/см.
Конструкция главного разъема включает фланец, находящийся на корпусе насосного агрегата, который частично охватывает фланец выемной части (крышки). Между этими двумя фланцами размещены основное и вторичное уплотнения. Диаметры охватывающей и охватываемой поверхностей фланцев, по крайней мере, дважды ступенчато меняются, образуя кольцевые уступы на разной глубине охвата, а уплотнения расположены на разной высоте и зафиксированы в осевом направлении между плоскими поверхностями соответствующих уступов. Изначально основное уплотнение выполнялось из нержавеющей стали и обеспечивало необходимую плотность разъема при устойчивых рабочих температурах и при высоком качестве поверхности фланцев. Однако поскольку деформация уплотнения из нержавеющей стали не является упругой, его надежность резко снижалась при переменных тепловых режимах работы. Кроме того, вследствие наличия высоких контактных напряжений с течением времени происходил износ привалочных поверхностей фланцев, появлялись дефекты, которые не могли быть заполнены материалом уплотнения, что приводило к разгерметизации разъема.
Вторичное уплотнение, изготовленное из резины, выполняло вспомогательную функцию и не было рассчитано на сколь-нибудь продолжительную работу в случае, если основное уплотнение перестает обеспечивать необходимую плотность соединения.
Для увеличения надежности указанного разъемного соединения была предложена конструкция основного уплотнения, выполненного из расширенного графита, завальцованного в металлическую оболочку [патент №2191939 РФ, МПК F16J 15/02, опубл. 27.10.2002].
Уплотнение изготовлено из графитового материала, преимущественно путем спиральной намотки ленты из графитовой фольги. Графитовый материал завальцовывают в оболочку из нержавеющей стали толщиной около 0,5 мм. Для снижения нагрузки на уплотнение вместе с ним в разъем дополнительно устанавливают металлическое дистанционное кольцо, изготовленное из обычной мягкой стали.
Оболочка делает уплотнение более прочным и не препятствует упругой деформации графитового материала, обеспечивающей плотность разъема.
Недостатком данного решения является недостаточная упругость уплотнения, ограничивающая его эффективность при перепадах температуры, а также необходимость высокой чистоты обработки привалочных поверхностей фланцев, контактирующих с уплотнением, вследствие невозможности заполнения материалом оболочки глубоких дефектов поверхности фланца, что в свою очередь определяет повышенный прокладочный коэффициент m=3,75-5.
Наиболее близким аналогом к заявляемому - прототипом - является уплотнение, описанное в патенте №2191940 РФ, МПК F16J 15/02, опубл. 27.10.2002.
Конструктивно уплотнение выполнено из трех неразъемно соединенных кольцевых слоев, вложенных друг в друга, причем средний слой в виде кольца выполнен из расширенного графита, а наружный и внутренний слои представляют собой концентрические металлические кольца-обечайки, ограничивающие графитовое кольцо по наружному и внутреннему диаметрам. Графитовый слой уплотнения преимущественно выполнен путем спиральной намотки ленты из графитовой фольги, причем боковые кромки намотанной ленты выходят на торцевые уплотняемые поверхности конструкции. Таким способом предлагается изготавливать основное и вторичное уплотнения. Описанная конструкция позволяет снизить требования к шероховатости уплотняемых поверхностей и увеличить упругость уплотнения за счет прямого контакта упругого графита и уплотнительных поверхностей (прокладочный коэффициент такого уплотнения m=2) и отсутствия конструктивных элементов, препятствующих упругому расширению уплотнения по оси сжатия-раскрытия фланцев, что существенно увеличивает общую надежность соединения.
Существенным недостатком данной конструкции является низкая прочность на сжатие графитового слоя, не превышающая 9-12 МПа, и вследствие этого склонность уплотнения при сжатии увеличиваться по ширине поля за счет увеличения наружного и уменьшения внутреннего диаметров. Таким образом, надежно уплотнение может работать только при условии его плотной посадки в кольцевом канале, когда при сжатии уплотнение имеет возможность опереться на стенки кольцевого канала. Однако поскольку канал для размещения основного уплотнения образован кольцевыми уступами, находящимися на корпусе насосного агрегата и выемной части, при разборке соединения уплотнение, запрессованное между взаимно перемещающимися стенками, разрушается, и графит попадает в полость насоса, что категорически недопустимо. Возможным решением этой проблемы является увеличение жесткости внутреннего металлического кольца за счет увеличения его толщины, но ограничение ширины кольцевого канала не позволяет этого сделать.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка конструкции уплотнения, имеющего достаточную упругость, повышенную прочность на сжатие, работоспособность без опоры на внутреннюю стенку кольцевого канала при отсутствии высокого качества уплотнительных поверхностей.
Технический результат достигнут за счет применения конструкции уплотнения типа «сэндвич», состоящей из чередующихся, расположенных параллельно уплотняемым поверхностям, слоев гибкого листового графита и листового металла. Каждый слой выполнен в виде плоского кольца, слои соединены между собой любым известным способом. Каждые несколько слоев, из которых хотя бы один - металлический, по внутреннему и/или наружному диаметрам окантованы защитными кольцами U или П-образной формы из тонколистового металла для исключения контакта графита с уплотняемой средой. Таким образом, по высоте уплотнение может иметь от одного до нескольких защитных колец по внутреннему и наружному диаметрам.
Для наиболее плотного прилегания уплотнения к поверхности фланцев и заполнения всех неровностей, что в свою очередь приводит к снижению прокладочного коэффициента, внешние слои уплотнения всегда выполняются из гибкого графита. Прокладочный коэффициент прокладки данной конструкции m=2.
Расположение графитовых слоев параллельно плоскости фланцев позволяет существенно увеличить прочность уплотнения на сжатие. Требуемая высота уплотнения, которая в свою очередь определяется необходимой величиной упругого восстановления уплотнения, обеспечивается за счет применения множества слоев графита толщиной 0,3-3 мм, перемежаемых слоями металла толщиной 0,05-2 мм. Тем самым нивелируется эффект снижения прочности листового графита в зависимости от увеличения его толщины. В зависимости от количества слоев графита, их толщины и плотности прочность на сжатие уплотнения может варьироваться в пределах 120-250 МПа, а восстанавливаемость в пределах 10-15%.
Отсутствие эффекта расползания листового графита при нагрузках, меньших допустимых, исключает изменение диаметральных размеров уплотнения и его «распирание» в канале между стенками кольцевых уступов, находящихся на корпусе насосного агрегата и выемной части, что исключает разрушение уплотнения при разборке соединения.
Для предотвращения налипания наружных слоев графита на металл фланцев, предпочтительно использовать гибкий графит с прочностью на сжатие не менее 120 МПа и толщиной не более 3 мм, поскольку известно, что процесс налипания графита происходит только при его раздавливании и сопровождающего этот процесс перемещения графита вдоль поверхности металла.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
2
3
Уплотнение для главного разъема насосного агрегата энергетических ядерных установок выполнено в виде «сэндвича», состоящего из чередующихся, расположенных параллельно уплотняемым поверхностям металлических 1 и графитовых 2 слоев, соединенных между собой любым известным способом, например склейкой, накаткой, напрессовыванием и т.д. Металлические 1 и графитовые 2 слои выполнены в виде плоских колец с внутренним диаметром D и наружным диаметром D.
Каждые несколько слоев, из которых хотя бы один - металлический, по внутреннему D2 и наружному D3 диаметрам окантованы защитными кольцами 3 П-образной формы из тонколистового металла, например, нержавеющей стали, для исключения контакта графита с уплотняемой средой. Возможен вариант выполнения защитных колец 3 U-образной формы.
Общая высота уплотнения и плотность его графитовой составляющей подобраны таким образом, что по мере затягивания шпилек и смыкании данного соединения металл по металлу графит в кольцевом канале, упруго сжимаясь, достигает требуемой плотности и обеспечивает надежную герметичность соединения. Повышение напряжения во фланцевом соединении при дальнейшей затяжке шпилек необходимо уже не для уплотнения, а для компенсации рабочих давлений в агрегате и воспринимается конструктивными элементами фланцев.
Предлагаемая конструкция обеспечивает уплотнению прочность на сжатие не менее 120 МПа без опоры на стенки канала, восстанавливаемость не менее 10%, способность компенсировать дефекты поверхности фланцев до 0,5 мм, что, в свою очередь, позволяет обеспечить герметичность главного разъема насосного агрегата энергетических ядерных установок при давлении до 25 МПа и температурах 270-300°C. При колебаниях температуры или других негативных факторах, приводящих к ослаблению нагрузки на шпильках, уплотнение за счет упругой деформации увеличивается по высоте и компенсирует раскрытие фланцев, сохраняя герметичность соединения.