СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ НЕПОДВИЖНЫХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
METHOD OF SEALING FIXED SPLIT JOINTS

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений, в частности, для герметизации фланцевых и резьбовых соединений, в том числе криогенного оборудования.
Известен способ формирования покрытий на поверхностях металлических материалов [Патент РФ 2240360, МПК C21D 10/11, опубл. 20.11.2004], в котором устанавливают кристаллографические направления легчайшего намагничивания в покрытиях металлических материалов параллельно вектору результирующей намагниченности доменов при деформации растяжением или сжатием. При этом направление внешнего магнитного поля совмещают с кристаллографическими направлениями легчайшего намагничивания, а покрытие предварительно обрабатывают комплексом NiFe или TeFe.
Результат изобретения основан на учете однонаправленного приложения внешней (деформирующей) нагрузки и не позволяет быть реализованным при ее знакопеременной многовекторной характеристике. Кроме того, эксплуатация соединения происходит в условиях внешне индуцируемого магнитного поля, что конструктивно осложнено для соединений разных типов.
Известно уплотнительное устройство для герметизации вращающихся валов [Патент РФ 2031290, МПК F16J 15/40, опубл. 20.03.1995], в корпусе которого установлены охватывающие цилиндрическую уплотняемую поверхность источник магнитного поля и полюсные наконечники с выступами. Торцевые поверхности выступов выполнены коническими. Упругие герметизирующие кольцевые элементы из магнитомягкого материала с антифрикционным покрытием расположены в рабочих зазорах. Герметизирующие элементы выполнены с сечением, соответствующим поверхностям, образующим рабочий зазор между выступами полюсных наконечников и уплотняемой поверхностью.
Несмотря на то, что изобретение обеспечивает адаптируемую характеристику напряженности магнитного поля, влияющую на степень герметичности, недостатком его является невозможность обеспечить герметичность на участках поверхностей стыка, выходящих за пределы контура полюсных наконечников с герметизирующими элементами. Кроме того, герметизирующие элементы индуктора с охватываемой поверхностью вала образуют пару трения, не обеспечивающую сопряжение деталей по критерию контактного давления и точности сборки.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому оказывается конструкция уплотнения неподвижного соединения [Патент РФ 2175416, МПК F16J 15/14, опубл. 27.10.2001], в котором на обращенных друг к другу поверхностях фланцев выполнены взаимно сопрягаемые канавки, образующие кольцевую полость, в которой установлено упругое тонкостенное непроницаемое С-образное в осевом сечении уплотнительное кольцо. Уплотнительное кольцо касается своими выпуклыми участками поверхностей полости, принадлежащих обоим фланцам. Полость заполнена ферромагнитной жидкостью и в ней размещена кольцевая электромагнитная система, сердечник которой выполнен из материала, обладающего высокой остаточной намагниченностью. При этом электромагнитная система имеет схему управления, состоящую из блока питания, датчиков и преобразующего устройства. Кроме того, фланец содержит систему сквозных каналов для заполнения кольцевой полости ферромагнитной жидкостью.
К недостаткам известной конструкции следует отнести сложность обеспечения соответствия величин намагниченности ферромагнитной жидкости, формируемой при непосредственном индуцировании и в условиях остаточной индукции, а также сложность изготовления системы каналов, усложняющих конструкцию соединения.
Задача изобретения - создание на стыке соединяемых деталей благоприятного контактного давления на основе эффекта магнитострикции герметизирующего покрытия, величина и знак которой устанавливается адаптированной к топографии сопрягаемых поверхностей и знаку их механической деформации, который, в свою очередь, зависит от агрегатного состояния внешней среды.
Технический результат: обеспечение герметичности неподвижных разъемных соединений.
Это достигается тем, что в способе обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений нанесением на поверхности деталей соединения магнитострикционных покрытий в магнитном поле формируют структуру покрытия, состоящую из магнитострикционной подложки и герметизирующего упруго деформируемого наружного слоя, при этом знак магнитострикции выбирают из необходимости обеспечения увеличения объема магнитострикционного материала подложки при деформации покрытия растяжением или сжатием, а эксплуатацию соединения проводят в условиях остаточной намагниченности материала покрытия. В качестве магнитострикционной подложки покрытия используются магнитострикционные магнитотвердые материалы, причем при эксплуатации соединений в среде сжимаемых жидкостей или газов - обладающие отрицательной магнитострикцией, а в среде несжимаемых жидкостей или газов - положительной.
Магнитострикционную подложку покрытия формируют на предварительно текстурированных в плоскости {100} и химически протравленных поверхностях деталей соединения.
На фиг.1, 2, 3 показаны схемы герметизации соединений.
В способе обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений сопрягаемые поверхности деталей соединения предварительно текстурируют в плоскости {100}, а затем подвергают химическому травлению известным способом. В результате кристаллы, ориентированные с отклонением от {100}, полностью вытравливаются.
В образующиеся структурные несплошности осаждают покрытие со структурой в последовательности «магнитострикционная подложка герметизирующий наружный слой», после чего осуществляют сборку соединения.
Материалы магнитострикционной подложки подбирают с учетом свойств (агрегатного состояния) внешней герметизируемой среды и знака магнитострикционного эффекта, величина которого зависит от напряженно-деформационного состояния на стыке поверхностей деталей.
При образовании на стыкуемых поверхностях деталей локализованных несплошностей вследствие, например, износа или технологических (металлургических) причин, имеет место потеря герметичности соединения. При эксплуатации в условиях взаимодействия с несжимаемой жидкостью, вследствие проникновения жидкости в контактную зону соединения, в указанных областях создается избыточное гидростатическое давление, способствующее дальнейшей разгерметизации. Давление передается через упругий герметизирующий верхний слой покрытия на подложку.
Поскольку в качестве подложки покрытия применен магнитострикционный материал, согласно эффекту Виллари, его намагниченность, зависит от знака магнитострикции и вида деформации, обусловленной превалирующим вектором силового нагружения. Так как всякая система стремится к состоянию, характеризующимся минимумом свободной энергии, магнитные моменты атомов под действием упругих напряжений устанавливаются в таком положении, при котором магнитоупругая энергия оказывается минимальной.
Из уровня техники известно, что деформация сжатием материалов с отрицательной магнитострикцией (например, феррита кобальта, никеля и др.) приводит к повышению намагниченности, следствием чего является уменьшение размеров (повышение плотности).
Таким образом, если покрытие, характеризующееся отрицательной магнитострикцией, в условиях остаточной намагниченности испытывает деформацию сжатием, то при его деформации растяжением внешним силовым полем, обусловливающим снижение намагниченности, материал покрытия будет увеличиваться в объеме.
Например, если никелевое покрытие (отрицательная магнитострикция) в условиях остаточной намагниченности испытывает деформацию сжатием (от запрессовки деталей соединения), то при образовании на поверхности стыка вследствие механических (трибологических) процессов (разрушения, износа) очаговых пустотелых несплошностей и тем самым снижения герметичности в локализованных участках покрытия давление будет понижаться. При этом деформация сжатием в этих участках переходит в деформацию растяжением по отношению к соседним участкам покрытия, по-прежнему оказывающимся сжатыми, что обусловливает снижение намагниченности и, как следствие, обусловливает увеличение объема магнитострикционной подложки покрытия.
Действительно образование несплошностей механической природы в металлах характеризуется пониженным давлением в пределах их полостей, вследствие чего возникает перепад давлений с окружающей (внешней) средой, способствующий проникновению герметизирующей среды в пределы стыка. Герметичность в этом случае снижается.
Предполагается также обратный эффект, когда контактное давление (натяг) в сопряжении деталей, наоборот, повышается. Это возникает вследствие проникновения в пределы стыка несжимаемых жидкостей из внешней среды, или образования вследствие химических процессов (молизации, первичной кристаллизации, радиационного облучения и др.) газовых полостей, сила внутреннего давления в которых складывается из парциальных давлений отдельных газов.
4
2
9
-2
Действительно, пористость возникает и в процессе формирования электролизных покрытий, а также при первичной кристаллизации металла в результате выделения газов. Размер этих пор может составлять 10''-10'' мм а давление составлять р=10 Дин·см.
2
Для материалов с положительной магнитострикцией (например, TbFe) деформация сжатием со стороны образующихся областей обусловливает снижение намагниченности, следствием чего является уменьшение размеров (повышение плотности).
Однако, если железистое покрытие (положительная магнитострикция) в условиях остаточной намагниченности испытывает деформацию сжатием от газонаполненной несплошности или области гидростатического давления несжимаемой жидкости, то снижение намагниченности и уменьшение размеров (сжатие материала) оказываются факторами, способствующими понижению давления в этих областях. При этом в соседних недеформированных областях намагниченность, наоборот возрастает вследствие деформации материала растяжением, что обусловливает увеличение объема. Герметизирующий эффект при этом реализуется за счет «выдавливания» газовой полости в область с пониженным давлением.
В качестве герметизирующего слоя применяется фторопласт, резина, каучук, для формирования которых могут быть использованы известные технологии напыления или ротационного формования.
Реализация предложенного способа осуществляется следующим образом.
Сопрягаемые поверхности деталей 2 и 5 (фиг.1) соединения предварительно текстурируют в плоскости {100}, а затем подвергают химическому травлению известным способом. В результате кристаллы, ориентированные с отклонением от {100}, полностью вытравливаются.
На поверхности формируют покрытие 3 из материалов, свойства которых приведены в таблице, а затем герметизирующий наружный слой 4 из резины.
При образовании на стыке соединения локализованной несплошности вследствие проникновения герметизируемой среды 1 магнитострикционная подложка 3, расширяясь, способствует вытеснению над поверхностью материала герметизирующего наружного слоя 4, заполняющего образовавшуюся несплошность.
Таблица.
Материалы для магнитострикционного слоя покрытия (подложки)
Материал
Магнитные параметры
Темп, эксплуат.Т max; °С
Величина магнитострикции и условия ее обеспечения
Br, Тл
BH<sub>c</sub>, кА/м
(BH), max, кДж/м<sup>3</sup>
Т<sub>к</sub>,°С
λ<sub>111</sub>10<sup>6</sup>
Н//[100], кА/м
Примечание
Феррит кобальта CoFe<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
0,4
60
30
450
80
-600
1,28
Т=300 К
TbFe<sub>2</sub>
320 Т-300 К
70 Т=300 К
425
35
Насыще-ния +2500
2000
Т=300 К
После кристаллизационного отжига при Т=400°С в течение 2-х час
+4400
2000
Т=4,2 К