Термокомпенсируемое фланцевое соединение

Предлагаемая полезная модель относится к области фланцевых соединений сосудов, аппаратов и трубопроводов и может быть использована в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известно фланцевое соединение деталей (RU 2123631, 20.12/1998, F16L 23/02 (2006.01)), включающее уплотнительный элемент из эластичного материала, концевыми участками установленный в кольцевых канавках трапецеидального профиля, образованных во фланцах, соответствующих форме этих участков, а средняя его часть, соединяющая концевые участки, имеет прямоугольный профиль.
Недостатками этого аналога является возможность разгерметизации соединения после снятия тепловой нагрузки и необходимость постоянной точной подтяжки крепежных элементов в процессе эксплуатации.
Известно фланцевое соединение (Справочник / А.А. Волошин, Г.Т. Григорьев. - 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Машиностроение. Ленинградское отд, 1979, страница 11), состоящее из двух симметрично расположенных фланцев, закрепленных на соединяемых частях корпуса, установленной между ними мягкой прокладки, обеспечивающей герметичность соединения, ограничительного кольца, расположенного за диаметром болтовой окружности, и крепежных деталей (болтов или шпилек, гаек и шайб).
Недостатком этого фланцевого соединения является возможная потеря герметичности при колебаниях термических нагрузок. Поэтому при использовании полимерных прокладок, его болты необходимо постоянно подтягивать, чему будет препятствовать ограничительное кольцо. При превышении расчетного значения температуры не исключается нарушение прочности элементов соединения.
Наиболее близким к полезной модели аналогом (прототипом) является фланцевое соединение (Машины и аппараты химических производств: учебник для вузов / под общей редакцией А.С. Тимонина /. - Калуга: Издательство «Ноосфера», 2014, страница 84, фиг 2. 5. 3 б), состоящее из двух симметрично расположенных фланцев, закрепленных на соединяемых частях корпуса и имеющих на уплотняемых поверхностях выступ и впадину, между которыми установлена прокладка, обеспечивающая герметичность соединения, и крепежных деталей (болтов или шпилек, гаек и шайб).
Недостатком указанного фланцевого соединения является возможность возникновения температурных нагрузок на элементы соединения. Это связано с тем, что прокладка выполнена из материала, твердость которого значительно меньше, чем у материала, замыкающего прокладку элементов (фланцев) и, как правило, ее материал имеет более высокое значение коэффициента термического расширения, чем материал (обычно сталь) замыкающих прокладку деталей. При постоянной рабочей температуре среды разность значений коэффициентов термического расширения материалов элементов соединения не отражается на герметичности соединения. При изменении ее температуры изменяется и температура элементов соединения, а следовательно, и нагрузка на них. Так, при увеличении температуры, а элементы фланцевого соединения находятся в условиях жесткой связи, увеличивается нагрузка и на прокладку, что увеличивает степень герметичности соединения за счет термического самоуплотнения, и растет нагрузка на болты и фланцы. При снижении температуры нагрузка на все элементы соединения падает. Снижение нагрузки на прокладку, а также ее остаточная деформация, возникшая при увеличении нагрузки с ростом температуры, приводит к нарушению герметичности соединения.
Цель полезной модели - исключение температурной нагрузки на элементы фланцевого соединения в процессе эксплуатации в условиях изменения температуры уплотняемой среды. Поставленная цель достигается тем, что во фланцевом соединении выступ фланца выполнен удлиненным, на внешней боковой поверхности которого проточена кольцевая прорезь, в которую вставлены два полукольца, изготовленные из материала, значение коэффициента термического расширения которого меньше, чем значение коэффициента термического расширения материала замыкающих прокладку деталей.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлено термокомпенсируемое фланцевое соединение.
в
Термокомпенсируемое фланцевое соединение состоит из двух симметрично расположенных фланцев 1 и 3, закрепленных на соединяемых частях корпуса и имеющих выступ и впадину, установленной между ними прокладки 7 высотой h, в удлиненном выступе фланца 1 проточена кольцевая прорезь, в которой размещены два полукольца 5 высотой h, нижний элемент 4 выступа фланца соединен с телом фланца 1 гибким элементом 6.
Для нормальной работы термокомпенсируемого фланцевого соединения в условиях изменения температуры рабочей среды необходимо компенсировать разность между температурной деформацией его элементов.
в
д
п
Для обеспечения равенства этих температурных деформаций в кольцевую прорезь удлиненного выступа фланца 1 вставлено два полукольца 5, коэффициент термического расширения материала (α) которых меньше коэффициента термического расширения материала замыкающих фланцев 1 и 3, крепежных элементов 2 (α) и прокладки 7 (α).
в
в
п
д
Определяя высоту h полуколец 5, или при заданной высоте - требуемый их материал (α), при условии, что высота прокладки, а также ее материал (α) и материал замыкающих деталей (α) известны, обеспечивают равенство коэффициентов термического расширения деталей соединения. В этом случае температурная деформация набора колец, состоящего из прокладки 7, нижнего элемента выступа фланца 4 и полуколец 5, размещенных в кольцевой прорези высотой Н, равна деформации соответствующей высоты участка крепежного элемента. В этом случае температурная нагрузка отсутствует.
Технический результат при использовании заявляемой полезной модели заключается в надежной работе термокомпенсируемого фланцевого соединения с прокладкой при изменении рабочих температур за счет выравнивания осевой температурной деформации набора колец, состоящего из прокладки, нижнего элемента выступа фланца и полуколец, размещенных в кольцевой прорези удлиненного выступа фланца, и замыкающих его деталей.