Фланцевое соединение
FLANGE CONNECTION

Изобретение относится к трубопроводным системам и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где необходимо устранение течи во фланцевом соединении путем замены уплотнительной прокладки между фланцами.
Фланцевые соединения являются одним из ключевых элементов трубопроводных систем и используются для соединения между собой труб, технологических емкостей, насосных агрегатов, ресиверов, трубопроводной арматуры различного назначения и иных элементов трубопроводных систем.
При замене изношенной уплотнительной прокладки возникает необходимость раскрытия фланцевого соединения. Процесс раскрытия весьма трудоемок и требует значительных временных, трудовых, материальных и энергетических затрат. Из исследованного уровня техники выявлено большое количество устройств для раскрытия фланцевых соединений, в основе которых лежит принцип клинового раскрытия соединений, и сопутствующих устройств для установки прокладок и соединения фланцев.
Устройства для раскрытия фланцевых соединений, известные как разгонщики фланцевых соединений, представляют собой систему, предназначенную для вгонки клиньев между двух фланцев и раздвижки их вместе с трубами, к которым они присоединены. Современные виды разгоночного оборудования выделяют три типа: механический, гидравлический и автономный. Механические модели приводятся в работу мускульной силой операторов. Гидравлические модели дополняются насосными механизмами гидравлического исполнения. У автономных моделей гидравлическая установка встроена в конструкцию разгонщика.
В зависимости от области применения и конструктивного исполнения все модели разгонщиков подразделяются на клиновидные или ступенчатые. Клиновидные модели используются ограниченно до определенных зазоров между фланцами и диаметров шпилек. Ступенчатые модели применяют преимущественно для крупных фланцевых соединениях с зазором между фланцами более 6 мм. И это преимущественно фланцевые соединения с овальными, восьмигранными или линзовыми прокладками с толщиной прокладок до 45 мм по ГОСТ Р 53561-2009.
Особенностью фланцевых соединений является то, что все конструкции фланцевых соединений предусматривают разовое использование пластичных уплотнительных прокладок. Усилие затяжки при этом должно обеспечить поджатие пластичного материала прокладок к уплотнительным поверхностям фланцев до заполнения микронеровностей сопрягаемых поверхностей и дополнительно учесть усилие, необходимое для сжатия сопрягаемых труб. Последняя составляющая может быть весьма существенной и значительно увеличить усилие затяжки шпилек, что в итоге приводит к существенному напряженному состоянию как шпилек, так и стягиваемых труб. При таких больших усилиях возникают проблемы с падением ресурса резьбового соединения и возможностью обеспечения равномерного удельного давления на уплотняемых поверхностях в процессе монтажа и эксплуатации фланцевых соединений. Все это приводит к тому, что при замене уплотнительных прокладок часто возникает необходимость замены и крепежных элементов.
Известно фланцевое соединение по ОСТ 26-01-48-82 «Сборочные единицы и детали трубопроводов. Фланцевые соединения с двухсторонней заглушкой или кольцом. Конструкция и размеры», содержащее два фланца с уплотнительными поверхностями в форме кольцевых канавок трапецеидальной формы, двухсторонний диск между фланцами с аналогичными уплотнительными поверхностями, металлическую уплотнительную прокладку овальной формы, стяжные элементы в виде шпилек с гайками и шайбами и распорные элементы в виде болтов. Фланцевое соединение предназначено для работы в условиях больших давлений с коррозионнообразующими средами, фланцы соединены сваркой с толстостенными трубами. В таких условиях приходится часто менять прокладки. Для смены прокладок приходится применять раздвижные устройства, устанавливать компенсаторы, а распорные элементы в таких случаях служат для удержания фланцев в предварительно разомкнутом состоянии при смене прокладок. Надо отметить, что в таких условиях и сами компенсаторы имеют небольшой ресурс и их тоже приходится периодически менять, что требует еще больших затрат, чем замена прокладок.
Известно фланцевое соединение по патенту РФ 2330209 МПК F16L 23/18, принятое за прототип предлагаемого изобретения. Фланцевое соединение содержит фланцы, уплотнительную прокладку, соединительные элементы и элементы их размещения, выходной фланец снабжен выступающим в направлении к входному фланцу буртом цилиндрической формы, в котором выполнена цилиндрической формы канавка с установленными в ней уплотнительными элементами, между торцовой поверхностью бурта и торцовой поверхностью входного фланца, содержащего уплотнительные поверхности под установку уплотнительной прокладки, установлен зазор. Описанное фланцевое соединение работает в условиях агрессивных рабочих сред, требующих периодической замены прокладок, сопряженной с высокими трудозатратами. Установленное в кольцевой канавке уплотнение в виде одного или нескольких колец тарельчатой формы, действующих как лабиринтное уплотнение, снижает давление потока среды, поступающей к уплотнительной прокладке, что позволяет увеличить ресурс уплотнительной прокладки. Однако, и при изменении ресурса требуется периодическая замена прокладок, сопряженная с теми же трудозатратами, не зависящими от периодичности их смены. При этом надо отметить, что увеличение ресурса уплотнительной прокладки соответственно переносит коррозионную нагрузку на кольца, образующие лабиринтный проход потока среды к уплотняющей прокладке, а это в свою очередь требует увеличения раздвижки фланцевого уплотнения на величину, позволяющую сменить не только уплотнительную прокладку, но и кольца в канавке бурта. В этом случае возникает необходимость применения разгонщика фланцев и выполнения следующих действий. Если зазор между фланцами меньше 4 мм, то применяют вначале клиновидные головки разгонщика, устанавливая их в зазор между фланцами под углом 180° относительно друг друга. Подавая давление на клиновидные головки, разводят фланцы на определенное расстояние, в образовавшийся зазор вводят блок безопасности и переправляют на него нагрузку. Если образовавшийся зазор недостаточен для замены прокладки и колец, то применяют следующую ступень клиновидных или ступенчатых головок и устанавливаемых блоков безопасности. При этом необходимо выполнять условия равномерного разведения фланцев с обеих сторон. Кроме того, раздвижка фланцев часто сопровождается расцентровкой их проходных отверстий, что требует применения устройств выравнивания фланцев, а для стягивания фланцев применять устройства сгона фланцев, позволяющие поддерживать одинаковый зазор между сопрягаемыми поверхностями фланцев и предотвратить повреждение прокладки.
Целью изобретения является повышение ремонтопригодности фланцевых соединений, снижение трудозатрат на проведение операций по смене уплотнительных прокладок и снижение напряженного состояния стяжных элементов фланцевого соединения и присоединяемых к нему элементов трубопроводной системы.
Поставленная цель достигается сочетанием известных и новых признаков изобретения. Известные признаки заключаются в том, что во фланцевом соединении, содержащем фланцы, уплотнительную прокладку, соединительные элементы и элементы их размещения, входной фланец снабжен уплотнительными элементами под установку уплотнительной прокладки, выходной фланец снабжен выступающим в направлении к входному фланцу цилиндрической формы буртом, в котором образована цилиндрическая канавка с установленными в ней уплотнительными элементами, а между торцевой поверхностью бурта и торцевой поверхностью входного фланца установлен зазор.
Новые признаки заключаются в том, что фланцевое соединение снабжено подвижным фланцем, установленным между входным и выходным фланцами на принадлежащем выходному фланцу бурте с возможностью герметичного перемещения по нему, на торцевой поверхности подвижного фланца, обращенной к входному фланцу, выполнены уплотнительные поверхности под установку уплотнительной прокладки, при этом подвижный фланец и соединяемый с ним фланец снабжены соосными отверстиями для размещения соединительных крепежных элементов, а зазор между торцевой поверхностью бурта и торцевой поверхностью входного фланца установлен большим толщины уплотнительной прокладки, обеспечивающим ее свободное удаление из пространства между торцами входного и подвижного фланцев, по крайней мере на 1-3 мм, причем крепежные элементы, соединяющие входной и выходной фланцы, снабжены ограничителями их перемещения относительно друг друга и присоединяемых элементов трубопроводной системы, выполненными преимущественно в виде втулок, установленных между торцами входного и выходного фланцев, а элементы размещения шпилек во входном и выходном фланцах, по крайней мере находящиеся в зоне выемки уплотнительной прокладки выполнены в форме открытых пазов. Новым признаком является также то, что крепежные элементы, соединяющие подвижный и входной фланцы установлены резьбовой частью в выполненных в подвижном фланце резьбовых отверстиях, а цилиндрической частью установлены в соосных с ними цилиндрических отверстиях входного фланца, и выполнены преимущественно в форме болтов.
Другой новый признак заключается в том, что подвижный фланец соединен с выходным фланцем, а перемещающие подвижный фланец крепежные элементы установлены резьбовой частью в выполненных в выходном фланце резьбовых отверстиях, а цилиндрической частью установлены в соосных с ними цилиндрических отверстиях подвижного фланца, закреплены в них с возможностью осевого совместного перемещения крепежных элементов и подвижного фланца в направлении герметизации и разгерметизации фланцевого соединения, и выполнены преимущественно в форме болтов, содержащих нажимную часть, контактирующую с обращенным к выходному фланцу торцом подвижного фланца, и отжимную часть, устанавливаемую в отверстиях подвижного фланца.
Новые признаки позволяют получить следующие преимущества:
- отсутствие необходимости сжимать и разжимать трубопровод при замене уплотнительных прокладок или уплотнительных элементов;
- практичность в эксплуатации: замена прокладок или перекрытие трубопровода может быть произведено в течение нескольких минут одним оператором;
- при смене уплотнительных прокладок не требуется применения вспомогательных устройств: разгонщиков, выравнивателей, сгонщиков фланцев;
- минимальное напряженное состояние всех крепежных элементов;
- конструкция обеспечивает длительный срок службы фланцев и крепежных элементов;
- конструкция обеспечивает герметичность фланцевого соединения при свободном и перекрытом проходе.
Изобретение поясняется описанием и графическими материалами, где изображено:
- на фиг. 1 - продольный разрез фланцевого соединения в рабочем положении с подвижным фланцем, соединенным с входным фланцем;
- на фиг. 2 - вид на фиг. 1 по стрелке А;
- на фиг. 3 - вид на фиг. 1 по стрелке В;
- на фиг. 4 - разрез по Б-Б на фиг. 2 фланцевого соединения в нерабочем положении;
- на фиг. 5 - разрез по Г-Г на фиг. 4 с удаленной из фланцевого соединения частью крепежных элементов и заменяемых элементов;
- на фиг. 6 - продольный разрез фланцевого соединения в рабочем положении с подвижным фланцем соединенным с выходным фланцем;
- на фиг. 7 - вид на фиг. 6 по стрелке Д;
- на фиг. 8 - вид на фиг. 6 по стрелке Е;
- на фиг. 9 - разрез по И-И на фиг. 7 фланцевого соединения в нерабочем положении;
- на фиг. 10 - разрез по К-К на фиг. 9 с удаленной из фланцевого соединения частью крепежных элементов и заменяемых элементов.
Фланцевое соединение содержит входной 1 и выходной 2 фланцы с проходными отверстиями и присоединительными элементами к трубопроводу, уплотнительную прокладку 3, подвижный фланец 4, крепежные элементы в форме болтов 5, соединяющих подвижный фланец с входным фланцем, крепежные элементы в форме шпилек 6 с гайками 7, соединяющие входной и выходной фланцы, ограничители строительной длины L фланцевого соединения, выполненные в форме втулок 8, установленных на шпильках 6 между торцами соединяемых фланцев. Входной фланец снабжен уплотнительными поверхностями 9 (в приведенном примере выполнены в виде трапецеидальной торцевой канавки под уплотнительную прокладку овальной формы). Выходной фланец со стороны подвижного фланца снабжен направляющим буртом 10 цилиндрической формы с уплотняющими элементами в форме колец 11. Подвижный фланец снабжен со стороны входного фланца уплотнительными поверхностями 12, аналогичной с входным фланцем формы, и установлен на бурте 10 выходного фланца с возможностью герметичного перемещения по нему.
Входной и выходной фланцы снабжены соосными отверстиями 13 и 14 под установку шпилек, а подвижный фланец снабжен соосными с ними отверстиями 15 под установку втулок 8 ограничителей. При этом часть отверстий 13 и 14, попадающих в зону выемки шпилек и втулок ограничителей, выполнена в форме открытых пазов 16 на входном и выходном фланцах и 17 на подвижном фланце (фиг. 5).
Подвижный фланец 4 соединен болтами 5 с входным фланцем 1 (фиг. 1-5), при этом в входной фланец снабжен цилиндрическими отверстиями 18, а подвижный соосными с ними резьбовыми отверстиями 19. Между торцом 20 бурта 10 и торцом 21 входного фланца установлен постоянный зазор «», величина которого больше толщины «Н» прокладки 3 на установленную величину, преимущественно в пределах 1-3 мм, обеспечиваемый постоянством строительной длины «L».
Разъем фланцевого соединения (фиг. 1) для удаления и замены уплотнительной прокладки 3 и уплотнительного кольца 11 происходит следующим образом. Ослабляют гайки 7 шпилек 6 и через открытые пазы удаляют из соединения шпильку с гайками и втулкой, попавшие в зону удаления 22 уплотнительной прокладки (фиг. 5), вращением болтов 5 отводят подвижный фланец на расстояние от торца входного фланца для одновременного удаления уплотнительной прокладки 4 и уплотнительного кольца 11, выворачивают болты 5, попавшие в зону удаления уплотнительной прокладки, из резьбовых отверстий подвижного фланца и удаляют их из фланцевого соединения. В приведенном примере достаточно удалить одну шпильку 6 и два болта 5 (фиг. 5). При этом оставшиеся крепежные элементы входного и выходного фланцев и втулки ограничителя сохраняют в течение всего процесса замены уплотнений неизменными строительную длину «L» и центровку проходных отверстий и уплотнительных поверхностей всех фланцев.
Во фланцевом соединении, изображенном на фиг. 6-10, подвижный фланец соединен с выходным 2 фланцем. Перемещение подвижного фланца осуществляется крепежными элементами, соединяющими его с выходным фланцем. Крепежные элементы выполнены в приведенном примере в виде соединенных между собой болта 23 и винта 24. Болты 23 установлены резьбовой частью 25 в резьбовых отверстиях 26 выходного 2 фланца, цилиндрическая ступенчатая часть 27 выполнена на соединяемом с ним винте 24. Цилиндрические отверстия 28 в подвижном фланце выполнены ответной ступенчатой формы, в них размещаются головка и цилиндрическая часть винта 24 с возможностью свободного вращения в этих отверстиях.
Разъем фланцевого соединения, изображенного на фиг. 5 в положении герметичного прохода рабочей среды, для замены уплотнительной прокладки 3 и уплотнительного элемента 11 происходит следующим образом. Вращением болтов 23 против часовой стрелки вводят нажимные части 29 винтов 24 в контакт с торцом 30 ступенчатых отверстий в подвижном фланце, затем равномерно вращая болты 23 в определенном порядке отводят подвижный фланец на расстояние «» для свободного удаления уплотнительной прокладки 3 и далее на расстояние «» для свободного удаления уплотнительного элемента 11 (фиг. 9). После этого удаляют попадающие в зону выемки крепежные элементы, соединяющие входной 1 и выходной 2 фланцы. В приведенном примере для выемки уплотнительной прокладки 3 и уплотнительного элемента 11 достаточно удалить одну шпильку 6 с ограничительной втулкой 8 и гайками 7, как это показано на фиг. 10. Оставшиеся крепежные элементы с ограничителями сохраняют неизменной строительную длину «L» фланцевого соединения и центровку всех фланцев. После замены уплотнительного элемента 11 и уплотнительной прокладки 3, вращая болты 23 по часовой стрелке в последовательности, не допускающей заклинивание резьбы, перемещают подвижный фланец по бурту до установки его в рабочее положение, показанное на фиг. 6, затем устанавливают удаленные шпильки с втулками на штатные места, производят их затяжку и подтяжку болтов 23, проверяя усилие затяжки на соответствие паспортным характеристикам. После чего производят проверку фланцевого соединения на герметичность. Цилиндрические отверстия 18 на входном фланце используют для проверки соединения винтов 24 с болтами 23 и при необходимости их подтяжки.