Фланцевое соединение с торовым уплотнителем

Предлагаемая полезная модель относится к области фланцевых соединений сосудов, аппаратов и трубопроводов. Она может быть использована в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известно фланцевое соединение (Машины и аппараты химических производств: учебник для вузов / под общей редакцией А.С. Тимонина /. - Калуга: Издательство «Ноосфера», 2014, страница 82), состоящее из двух симметрично расположенных фланцев, закрепленных на соединяемых частях корпуса, установленной между ними прокладки, обеспечивающей герметичность соединения, и крепежных деталей.
Недостатками аналога является низкая термостойкость, возможность разгерметизации соединения после снятия тепловой нагрузки и необходимость постоянной периодической подтяжки крепежных элементов в процессе эксплуатации соединения.
Известно фланцевое соединение (Уплотнения и уплотнительная техника: справочник, / под общ. ред. А.И. Голубева и Л.А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с., 141, рис. 3.31), состоящее из двух симметрично расположенных фланцев, закрепленных на соединяемых частях корпуса, установленного между ними полого трубчатого кольца, обеспечивающего герметичность соединения, и крепежных деталей.
Недостатком этого фланцевого соединения в условиях определенных силовых и тепловых нагрузок является незначительная герметизирующая способность из-за повышенной его осевой податливости.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели аналогом является фланцевое соединение (Уплотнения и уплотнительная техника: справочник, / под общ. ред. А.И. Голубева и Л.А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с., 113, рис. 3.4), состоящее из двух симметрично расположенных фланцев, закрепленных на соединяемых частях корпуса, установленного между ними в канавке одного из фланцев резинового уплотнителя, выполненного в виде тора, обеспечивающего герметичность соединения, и крепежных деталей.
Вследствие практически неизменяемого объема резиновой прокладки при ее деформации обеспечивается равномерное распределение приложенной осевой силы по всей поверхности контакта резиновой прокладки со стенкой канавки, выполненной во фланце.
Недостатком указанного фланцевого соединения является снижение с течением довольно короткого времени напряжения в сжатой при сборке соединения прокладке из-за старения резины. Процесс старения сопровождается накоплением необратимых остаточных деформаций в прокладке. Кроме того, резиновый уплотнитель устойчив не во всякой уплотняемой среде.
Цель полезной модели - снижение требования к точности выполнения сопрягаемых уплотняющих поверхностей и повышение рабочего диапазона силовых и термических нагрузок при надежной работе фланцевого соединения.
Поставленная цель достигается тем, что уплотнитель выполнен в виде тонкостенного, пустотелого уплотнительного кольца торообразной формы, заполненного несжимаемой жидкой средой, которое размещено между фланцами в кольцевой канавке, радиальное сечение которой соответствует поперечному сечению уплотнительного кольца.
Конструкция полезной модели поясняется чертежом, на котором представлено предлагаемое фланцевое соединение с уплотнительным тонкостенным кольцом торообразной формы до нагружения его крепежными элементами при сборке.
Фланцевое соединение состоит из фланцев 1 и 2, крепежных деталей - 3, тонкостенного пустотелого уплотнительного кольца торообразной формы - 4, заполненного жидкостью - 5.
Между торцами фланцев соединения до их осевого нагружения крепежными элементами необходим монтажный зазор δ, требуемый для исключения отклонения геометрических параметров тонкостенного пустотелого уплотнительного кольца торообразной формы и кольцевой канавки после сборки соединения и обеспечивающий силовой контакт всей внешней его поверхности с поверхностью кольцевой канавки.
Выбор величины этого зазора или относительной осевой деформации уплотнительного кольца обосновывается значениями разности соответствующих геометрических параметров уплотнительного кольца и канавки, выполненной во фланцах.
Поперечное сечение тонкостенного пустотелого уплотнительного кольца торообразной формы может иметь форму прямоугольника или окружности. Радиальное сечение его в виде окружности более предпочтительно, исходя из технологии выполнения.
При сжатии тонкостенного пустотелого уплотнительного кольца торообразной формы, заполненного жидкостью, осевой нагрузкой, произойдет уменьшение его вертикального диаметра и увеличение поперечного диаметра при отсутствии ограничения, если за осевое направление принимаем ось фланцевого соединения. В полости уплотнительного кольца повышается давление жидкости за счет деформации оболочки под действием приложенной осевой силы, что дает возможность уменьшить требуемую осевую силу при сборке соединения.
Увеличение температуры жидкости в уплотнительном кольце приведет к увеличению давлении жидкости в нем (температурное самоуплотнение), однако разрыв при этом уплотнительного кольца исключен, так как весь материал кольца испытывает всестороннее сжатие. Поэтому для изготовления уплотнительного кольца можно использовать любой материал, не учитывая его механических свойств. Для снижения давления, вызванного ростом температуры, можно в полость уплотнительного кольца поместить отдельные замкнутые пустотелые сегменты, деформация которых под действием роста давления жидкости в полости кольца увеличит свободный объем уплотнительного кольца, так как значение коэффициента термического расширения жидкости превышает его значение для воздуха, заполнявшего эти сегменты, и тем самым уменьшит давление жидкости во внутренней полости уплотнительного кольца. Число этих сегментов или их суммарный внутренний объем зависит от возможной максимальной температуры нагрева тонкостенного уплотнительного кольца.
Применение пустотелого, тонкостенного уплотнительного кольца, заполненного несжимаемой жидкостью, существенно снижает требования к точности его изготовления и соответствующей ему канавки во фланцах, а также требуемую для герметичности соединения осевую нагрузку при сборке соединения.
Особенно эффективно применение этого вида уплотнения для разъемов повышенного диаметра, у которых возможна локальная протечка уплотняемой среды. Для обычных прокладочных соединений для устранения этой локальной протечки требуется обжатие всей уплотняющей поверхности прокладки. В рассматриваемом фланцевом соединении локальная протечка уплотняемой среды практически исключается, так как полное силовое прилегание внешней поверхности уплотнительного кольца к стенкам канавки обеспечивается за счет давления жидкости, заполняющей его внутреннюю полость.