УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПРОКЛАДКА ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ
SEALING GASKET FOR ENCAPSULATING OF FLANGED JOINT

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может быть использовано для герметизации фланцевых соединений промышленных трубопроводов, в частности тепловой энергетике, а также в химической и нефтегазовой промышленности.
Одной из причин часто встречающегося повреждения трубопроводных сетей является пробивание уплотнительных прокладок во фланцевых соединениях, которое может быть вызвано либо некачественным монтажом фланцевого соединения, либо неправильной установкой уплотнительной прокладки между зеркалами фланцев. Поэтому при сборке фланцевого соединения желательно иметь уплотнительную прокладку, которая упростила бы процесс его герметизации. Это же требование предъявляется к уплотнительным прокладкам при проведении ремонтных работ. Ремонт поврежденного фланцевого соединения, связанного с заменой уплотнительной прокладки, как правило, проводится в сложных условиях, при этом зазор между зеркалами фланцев незначительно превышает толщину заменяемой уплотнительной прокладки, что вызывает определенные трудности при размещении уплотнительной прокладки между зеркалами фланцев. Вертикальное положение фланцев дополнительно усложняет герметизацию и ремонт фланцевого соединения. В связи с этим возникает насущная потребность иметь такую уплотнительную прокладку, которая позволила упростить ее установку при герметизации фланцевого соединения.
Известна уплотнительная прокладка для фланцевого соединения [SU 1516700 А1, опубл. 10/1989 г.]. В процессе герметизации фланцевого соединения на поверхности уплотнительного материала уплотнительной прокладки образуют электрические заряды плотностью, достаточной для удерживания уплотнительной прокладки на зеркале вертикально расположенных фланцев. Такой способ герметизации фланцевых соединений и замене поврежденной уплотнительной прокладки не может быть применен при герметизации фланцев и ремонте трубопроводных сетей в тепловой энергетике, в химической и нефтегазовой промышленности.
Известно уплотнительное приспособление [DE 3038327 A2, опубл. 05/2003 г.] для обеспечения эффективной герметичности соединения концевых участков двух труб с прокладкой, имеющей центральную уплотнительную секцию, деформируемую при стягивании концевых фланцев болтами, пропускаемыми через разнесенные в окружном направлении соосные отверстия, предусмотренные в этих фланцах. Добиться соосного совпадения отверстий прокладки и отверстий под болты во фланцах при проведении ремонтных работ сложно.
Известна уплотнительная прокладка для фланцевых соединений [DE 2738244, опубл. 03/1979]. Известная прокладка содержит жесткую металлическую кольцевую часть и несколько радиально расходящихся лапок, упрощающих центровку уплотнительной прокладки между фланцами соединения в процессе его герметизации и ремонта. Лапки образуют с жесткой кольцевой частью единое целое путем прочного с ней соединения. Жесткая металлическая кольцевая часть образует жесткую зону для уплотнительной части уплотнительной прокладки, а для центрирования используют периферийную поверхность одного из фланцев соединения. Уплотнительный элемент размещают на центрирующем средстве в виде жесткой металлической кольцевой части с лапками, которые загибают на фланец соединения. Лапки могут быть либо приварены к жесткой металлической кольцевой части, либо составлять с ней одно целое. В кольцевой металлической части при приварке лапок возникают термические напряжения, которые могут привести к нарушению плоскостности уплотнительной прокладки. Поэтому для обеспечения высокой плоскостности уплотнительной прокладки необходимо осуществить специальные технологические мероприятия для компенсации термических напряжений, что приводит к повышению себестоимости изготовления уплотнительной прокладки. Когда же лапки и жесткое металлическое кольцо составляют одно целое, имеет место большой отход металла. С учетом того, что в химической, нефтегазовой и тепловой энергетике при изготовлении уплотнительных прокладок используют нержавеющую сталь, стоимость такой прокладки значительна. Известная уплотнительная прокладка предназначена для фланца определенного размера и нет никакой возможности установить прокладку на фланце другого диаметра.
Известна уплотнительная прокладка для фланцевого соединения [US 6367802, опубл. 09/2002], которая в отличие от уплотнительной прокладки по патенту DE 2738244 может быть установлена на фланцах разных диаметров за счет увеличения длины лапок. Такая уплотнительная прокладка неудобна в транспортировке и требует принятия соответствующих мер по обеспечению сохранности уплотнительного элемента.
Известна уплотнительная прокладка для герметизации фланцевого соединения [FR 2093415 А1, опубл. 03.03.72 г.], состоящая из пластины, с обеих сторон которой расположены кольцевые выступающие ребра, сжимаемые при сборке соединения. От пластины в радиальном направлении отходит язычок, толщина которого меньше толщины пластины. Пластина, ребра и язычок выполнены из одного и того же материала. Поскольку все элементы уплотнительной прокладки выполнены из одного и того же материала, то это ограничивает возможность применения такой уплотнительной прокладки, поскольку не все уплотнительные материалы могут быть применены для ее изготовления как с точки зрения механической прочности, так и с точки зрения стоимости уплотнительного материала. Язычок предназначен для удобства установки уплотнительной прокладки в процессе ремонта фланцевого соединения, поскольку позволяет упростить центровку уплотнительной прокладки между фланцами соединения в процессе его ремонта. Данное изобретение предназначено для использования в моющих машинах и не может быть использовано для уплотнения трубопроводных систем, в частности в химической и нефтегазовой промышленности и в тепловой энергетике.
Наиболее близкой по своей технической сущности по отношению к заявляемому изобретению является уплотнительная прокладка для герметизации фланцевого соединения [US 2004160018, опубл. 08/2004, также опубликовано, как US 6857632 В2]. Известная уплотнительная прокладка содержит уплотнительный элемент и средство ее центрирования относительно фланцев соединения с радиально направленным язычком, выступающий над фланцами соединения. При этом уплотнительный элемент выполнен в виде O-образного кольца, выполненного из эластомерного материала, а средство центрирования выполнено из несжимаемого материала, вмонтированного в уплотнительное кольцо. В силу того, что средство центрирования вмонтировано в уплотнительный элемент, уплотнительная прокладка имеет значительную толщину, а поэтому при ремонте трубопроводной арматуры необходимо иметь значительный зазор между сопрягаемыми фланцами, что не всегда можно обеспечить. Кроме того, выполнение уплотнительного элемента из эластомерного материала сужает область использования известной уплотнительной прокладки, поскольку эластомерные материалы пригодны для ограниченного перечня рабочих сред. С такой прокладкой трудно работать в зимних условиях, поскольку уплотнительный элемент теряет свою эластичность. Сборка такой прокладки представляет известную сложность, поскольку необходимо средство центрирования вмонтировать в уплотнительное кольцо.
В основу настоящего изобретения была поставлена задача разработать уплотнительную прокладку, применение которой значительно упростило бы процесс герметизации фланцевого соединения, в частности при проведении ремонтных работ на трубопроводных системах, и расширило диапазон ее применения.
Технический результат при использовании заявляемого изобретения заключается в упрощении изготовления уплотнительной прокладки, в упрощении герметизации фланцевых соединений в том числе при проведении ремонтных работ, связанных с заменой уплотнительной прокладки и в расширении диапазона ее применения в отношении уплотняемых рабочих сред.
Технический результат достигается тем, что в уплотнительной прокладке для герметизации фланцевого соединения, содержащей уплотнительный элемент и средство центрирования уплотнительной прокладки относительно фланцев соединения с радиально направленным язычком, выступающим над фланцами соединения, согласно изобретению уплотнительный элемент выполнен в виде кольца из расширенного графита, кольцевая поверхность которого заключена в оболочку из пористого политетрафторэтилена, а плотно охватывающее его по периферийной поверхности и соединенное с ним средство центрирования выполнено из гофрированного картона, при этом соединение средства центрирования с уплотнительным элементом осуществлено путем обмотки язычка и уплотнительного элемента лентой из пористого политетрафторэтилена.
Технический результат достигается также тем, что оболочка кольцевой поверхности кольца из расширенного графита выполнена двухслойной, при этом внутренний слой политетрафторэтилена со стороны расширенного графита имеет пористость в пределах 30-40%, а наружный слой политетрафторэтилена имеет пористость в пределах 50-60%.
Технический результат достигается также тем, что каждый слой оболочки кольцевой поверхности кольца из расширенного графита, в свою очередь, образован 3-5 слоями лент из пористого политетрафторэтилена соответствующей пористости.
Технический результат достигается также тем, что каждый слой оболочки образован обвивкой лентами из пористого политетрафторэтилена с натяжением и внахлест кольцевой поверхности кольца из расширенного графита.
Обвивка лентами может быть осуществлена или диагонально однонаправленным, или диагонально перекрестным способом.
Целесообразно, чтобы толщина лент из пористого политетрафторэтилена была не больше 0,25 мм.
3
Технический результат достигается также тем, что расширенный графит уплотнительного элемента имеет плотность в пределах 1,2-1,8 г/см.
Кольцо из расширенного графита может быть образовано путем навивки пространственной спирали из гофрированной ленты расширенного графита до необходимой толщины кольца.
Гофрированная лента расширенного графита может быть снабжена армирующим элементом.
Армирующий элемент может быть выполнен из органического материала, в частности арамида, полиэтилена, полипропилена или нейлона.
Армирующий элемент может быть выполнен из неорганического материала, в частности стекловолокна или трикотажного полотна из керамических, кварцевых или углеродных волокон.
Армирующий элемент может быть выполнен из металлической фольги, в том числе нержавеющей стали.
Толщину армирующей металлической фольги целесообразно иметь в пределах 0,05-0,4 мм.
Кольцо из расширенного графита может быть вырезано из листа расширенного графита.
Кольцо из расширенного графита может быть выполнено в виде комплекта колец из расширенного графита, снабженных армирующими элементами, расположенными между соседними кольцами.
Армирующие элементы могут быть выполнены либо из органического материала, либо из неорганического материала, либо из металлического материала.
Технический результат достигается также тем, что обмотка язычка выполнена, по крайней мере, двухслойной.
Целесообразно ширину обмотки язычка выполнить равной ширине ленты из пористого политетрафторэтилена.
Желательно, чтобы толщина ленты обмотки язычка была не больше 0,1 мм.
Целесообразно, чтобы пористость ленты обмотки язычка была не ниже 50%.
Целесообразно соединение средства центрирования с уплотнительным элементом осуществить дополнительной их обмоткой лентой из пористого политетрафторэтилена.
Желательно уплотнительную прокладку снабдить средством, позволяющим идентифицировать ее назначение, и расположить это средство на язычке.
3
Отличительная особенность заявляемой уплотнительной прокладки для герметизации фланцевого соединения состоит в том, что уплотнительный элемент выполнен в виде кольца из расширенного графита, кольцевая поверхность которого заключена в оболочку из пористого политетрафторэтиленом, а плотно охватывающее его по периферийной поверхности и соединенное с ним средство центрирования выполнено из гофрированного картона, при этом соединение средства центрирования с уплотнительным элементом осуществлено путем обмотки язычка и уплотнительного элемента лентой из пористого политетрафторэтилена. Применение расширенного графита в качестве уплотнительного элемента позволяет расширить диапазон применения такой уплотнительной прокладки, поскольку расширенный графит не стареет, не затвердевает, его свойства не изменяются в процессе длительной эксплуатации, а заявляемая его плотность в пределах 1,2-1,8 г/смпозволяет иметь высокую упругую деформацию уплотнительной прокладки в пределах до10% от толщины кольцевого элемента. Заключение кольцевой поверхности кольца из расширенного графита в оболочку из пористого политетрафторэтилена предохраняет расширенный графит от разрушений, что также позволяет расширить диапазон применения уплотнительной прокладки. Так как средство центрирования выполнено из гофрированного картона, а его периферийная поверхность имеет ячеистую структуру, это обеспечивает простую сборку, поскольку при начальном их соединении между собой с натягом, плотно охватывает, имеет место частичное затекание пористого политетрафторэтилена в ячеистую структуру гофрированного картона. В результате упрощается процесс обмотки язычка и уплотнительного элемента лентой из пористого политетрафторэтилена, а следовательно, упрощается процесс изготовления уплотнительной прокладки. При проведении герметизации фланцевых соединений такая уплотнительная прокладка легко устанавливается в нужном положении относительно герметизируемых фланцев, что особенно важно при проведении ремонтных работ, упрощает процесс их герметизации, так как не требует подготовки зеркала фланцев, поскольку пористый политетрафторэтилен не образует прочных соединений с фланцами, но при этом компенсирует шероховатость зеркал фланцев. Все это повышает надежность герметизации фланцевых соединений, замена такой уплотнительной прокладки не вызывает затруднений.
Эти и другие особенности заявляемого изобретения будут приведены ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
фиг.1 - фланцевое соединение;
фиг.2 - уплотнительная прокладка;
фиг.3 - разрез по А-А;
фиг.4 - однонаправленная навивка кольца расширенного графита;
фиг.5 - диагонально-перекрестная навивка кольца расширенного графита;
фиг.6 - кольцо расширенного графита из гофрированной ленты;
фиг.7 - кольцо расширенного графита из армированной гофрированной ленты;
фиг.8 - вырезанное кольцо расширенного графита;
фиг.9 - вырезанное кольцо расширенного графита с армирующими элементами;
фиг.10 - уплотнительная прокладка с дополнительными обмотками. Заявляемая уплотнительная прокладка 1, предназначенная для герметизации фланцевого соединения 2 (фиг.1), устанавливается между двумя фланцами 3 и 4 соединения 2 с крепежными элементами 5. Крепежные элементы 5 могут быть выполнены в виде известных болтовых или шпилечных пар, или в виде известных накидных болтов, шарнирно установленных на одном из фланцев соединения 2. Уплотнительная прокладка 1 (фиг.2 и 3) содержит уплотнительный элемент 6, выполненный в виде кольца 7 из расширенного графита, кольцевая поверхность которого заключена в оболочку 8 из пористого политетрафторэтилена, и выполненное из гофрированного картона средство центрирования 9 уплотнительной прокладки 1 относительно фланцев 3 и 4 соединения 2. Средство центрирования 9 плотно охватывает уплотнительный элемент 6 по периферийной поверхности и соединено с ним. Средство центрирования 9 снабжено радиально направленным язычком 10, выступающим над фланцами соединения 2. Соединение средства центрирования 9 с уплотнительным элементом 6 осуществлено путем обмотки язычка 9 и уплотнительного элемента 6 лентой 11 из пористого политетрафторэтилена.
Согласно изобретению плакирующая оболочка 8 выполнена из двух слоев политетрафторэтилена разной пористости, при этом внутренний слой 12 политетрафторэтилена со стороны расширенного графита имеет пористость 30-40%, а наружный слой 13 политетрафторэтилена имеет пористость 50-60%. При этом каждый слой оболочки кольцевой поверхности кольца из расширенного графита, в свою очередь, образован 3-5 витками лент политетрафторэтилена соответствующей пористости для каждого слоя, а каждый слой оболочки образован обвивкой кольцевой поверхности кольца из расширенного графита лентами из пористого политетрафторэтилена с натяжением и внахлест. Оболочка, выполненная только из одного политетрафторэтилена пористостью 50-60%, позволяет получить монолитную уплотнительную прокладку за счет соединения витков ленты между собой, но не исключен контакт уплотняемой среды с расширенным графитом из-за высокой пористости плакирующей оболочки. Оболочка, выполненная только из одного политетрафторэтилен пористостью 30-40%, исключает контакт уплотняемой среды с расширенным графитом, но не обеспечивает сцепление витков ленты между собой. Двухслойная оболочка из политетрафторэтилена заявленной пористости позволяет исключить контакт уплотняемой среды с расширенным графитом, т.е. исключает возможность его разрушения от воздействия на него уплотняемой среды, и одновременно позволяет получить монолитную уплотнительную прокладку за счет соединения витков ленты политетрафторэтилена между собой без применения дополнительных средств соединения. Применение для внутреннего слоя оболочки политетрафторэтилена с пористостью меньше заявленной исключает возможность получения качественной обвивки кольцевой поверхности кольца из расширенного графита за счет образования складок в силу жесткости такого политетрафторэтилена.
Выбор числа слоев обвивки кольцевой поверхности кольца из расширенного графита лентами из пористого политетрафторэтилена зависит от агрессивности среды и ее параметров. Чем агрессивнее среда и чем выше ее параметры, тем большее количество слоев пористого политетрафторэтилена должно быть навито на кольцевую поверхность. Практические испытания показали, что увеличивать количество слоев пористого политетрафторэтилена выше верхнего предела нецелесообразно, поскольку не приводит к увеличению надежности уплотнительной прокладки. Обвивка с натяжением лент из пористого политетрафторэтилена исключает рыхлость пористого политетрафторэтилена на кольцевой поверхности кольца из расширенного графита. А за счет того, что политетрафторэтилен с пористостью 50-60% обладает высокой податливостью в поперечном направлении, при обвивке на кольцевой поверхности кольца из расширенного графита исключается образование морщин со стороны внутреннего диаметра кольца.
Навивка по спирали лентами из пористого политетрафторэтилена осуществляют или диагонально однонаправленным (фиг.4), или диагонально перекрестным (фиг.5) способом. Выбор способа навивки не имеет принципиального значения.
Целесообразно, чтобы толщина лент из пористого политетрафторэтилена была не больше 0,25 мм, поскольку при большем значении толщины получить качественную навивку невозможно.
3
3
3
Согласно изобретению расширенный графит уплотнительного элемента имеет плотность в пределах 1,2-1,8 г/см. При плотности расширенного графита 1,8 г/см упругая деформация уплотнительного элемента 6 имеет максимальное значение и находится в пределах 10% от его толщины. Такую плотность расширенного графита уплотнительного элемента целесообразно иметь в уплотнительной прокладке, устанавливаемой во фланцевом соединении системы, работающей со значительным перепадом температур. При плотности расширенного графита ниже 1,2 г/см осуществлять обвивку кольцевой поверхности кольца из расширенного графита лентами из пористого политетрафторэтилена сложно, поскольку вышеуказанное кольцо в этом случае имеет малую прочность. Кроме того, упругая деформация такого уплотнительного элемента может оказаться недостаточной для обеспечения герметичности фланцевого соединения в условиях меняющейся окружающей температуры.
Кольцо 7 из расширенного графита (фиг.6) может быть образовано путем навивки пространственной спирали из плакированной пористым политетрафторэтиленом гофрированной ленты 14 из расширенного графита с последующим прессованием спирали до образования плоского кольца необходимой толщины. Плакирование осуществляют лентой из политетрафторэтилена с пористостью 50-60% и толщиной не более 0,045 мм. Так как расширенный графит не обладает высокой прочностью, то при изготовлении кольца 7 (фиг.7) больших размеров целесообразно применить армирующий элемент 15 в виде ленты, поместив его между двумя лентами расширенного графита 16. Армирующий элемент 15 может быть выполнен либо из органического материала, в частности арамида, полиэтилена, полипропилена или нейлона, либо из неорганического материала, в частности стекловолокна или трикотажного полотна из керамических, кварцевых или углеродных волокон, либо из металлической фольги, в том числе нержавеющей стали. Выбор вида материала армирующего элемента и его параметры определяются условиями эксплуатации уплотнительной прокладки и экономической целесообразностью применения того или иного вида материала армирующего элемента. В частности, при выполнении армирующего элемента из органического или неорганического материала его толщину выбирают в пределах 0,05-0,5 мм, а при выполнении армирующего элемента из нержавеющей стали его толщину целесообразно выбирать в пределах 0,05-0,4 мм. Меньшее значение вышеуказанных толщин армирующего элемента практически не увеличивает прочностные характеристики трехслойной ленты, а значение выше верхнего предела увеличивает жесткость трехслойной ленты до такой степени, что исключает возможность получения на ней качественных гофр. Наличие армирующего элемента увеличивает прочностные характеристики уплотнительной прокладки и не сказывается на ее упругости, поскольку упругость уплотнительной прокладки определяется плотностью расширенного графита.
Кольцо 7 (фиг.8) может быть вырезано из листа расширенного графита и быть выполненным либо из одного кольца расширенного графита, либо оно может быть выполнено из пакета колец с расположенным между соседними кольцами из расширенного графита армирующими элементами 17 (фиг.9). Армирующие элементы могут быть выполнены в виде гладких колец или перфорированных колец либо выполнены из сетки. При этом в качестве материала для армирующих элементов может быть использован либо органический материал, либо неорганический материал, либо металл с толщинами, указанными выше.
Обмотку радиально направленного язычка 10 и уплотнительного элемента 6 производят лентой 18 из пористого политетрафторэтилена и выполняют, по крайней мере, двухслойной. Ширина обмотки язычка равна ширине ленты 18 из пористого политетрафторэтилена. Толщина ленты 18 не больше 0,1 мм, а ее пористость не ниже 50%. Такая обмотка обеспечивает надежное соединение уплотнительного элемента и средства его центрирования между собой, предохраняет язычок от случайного повреждения и одновременно увеличивает прочность уплотнительной прокладки. При больших размерах уплотнительной прокладки соединение средства центрирования с уплотнительным элементом (фиг.10) осуществлено дополнительной их обмоткой лентой из пористого политетрафторэтилена, применяемой для обмотки язычка и уплотнительного элемента. Поскольку эта лента имеет высокую пористость и малую толщину, то незначительное местное утолщение на уплотнительной прокладки, образованное этими обмотками, не повлияет на герметизирующие свойства уплотнительной прокладки.
Уплотнительная прокладка может быть снабжена средством 19, позволяющим идентифицировать ее назначение (уплотняемая среда, температура, давление и т.д.), расположенным на язычке 10.
При герметизации фланцевого соединения, связанного с установкой новой или заменой поврежденной уплотнительной прокладки 1, для получения надежного герметичного фланцевого соединения, уплотнительную прокладку необходимо выставить вдоль продольной оси фланцев соединения. Центрирование уплотнительной прокладки 1 осуществляется с использованием крепежных элементов 5. В зависимости от вида фланцевого соединения, его размеров, а также условий при которых проводится герметизация фланцевого соединения может быть выбран наиболее целесообразный для данной конкретной обстановки способ центрирования уплотнительной прокладки. Она может быть установлена наружной кромкой средства центрирования 9 на два по соседству расположенные крепежные элементы 5. Поскольку в большинстве своем фланцы фланцевого соединения стандартизованы - это означает, что все отверстия фланцев под крепежные элементы 5 расположены с высокой точностью относительно его продольной оси.
В случае герметизации фланцевых соединениях значительных размеров на средстве центрирования, выполненном из гофрированного картона, легко могут быть выполнены либо сквозными отверстиями, либо U-образные пазы (не показаны), количество и место расположение которых совпадает с крепежными элементами 5 фланцевого соединения 2.
Таким образом, при герметизации фланцевых соединений или при проведении ремонтных работ заявляемая уплотнительная прокладка легко выставляется относительно фланцев соединения, создавая условия для его качественного монтажа. Заявляемая прокладка проста в изготовлении, поскольку соединение уплотнительного элемента и средства его центрирования достигаются простыми средствами, при этом может быть изготовлена уплотнительная прокладка любых размеров. Применение расширенного графита, заключенного в оболочку из политетрафторэтилена, делает заявляемую уплотнительную прокладку универсальной в отношении как уплотняемых рабочих сред, так и в отношении ее параметров, а применение пористого политетрафторэтилена позволяет простым способом получить монолитную прокладку.