РАЗЪЕМНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована в химической, нефтехимической и в других отраслях промышленности, в частности, во фланцевых разъемных соединениях для трубопроводов и в трубопроводной арматуре.
Известно разъемное соединение торцового типа (патент RU №2305219, МПК F16L 23/00, опубликовано 27.08.2007 г.), содержащее соединяемые элементы (ниппели с фланцами), установленную в зазоре между плоскими уплотняемыми поверхностями фланцев герметизирующую прокладку из упругого материала с помещенным в ее кольцевой канавке ограничительным кольцом из более твердого материала, крепежные элементы.
Из-за отсутствия жестких осевых упорных элементов между фланцами известного разъемного соединения имеется вероятность снижения его герметичности вследствие остаточных деформаций упругой прокладки при изгибных нагрузках на трубопровод, а также при динамических нагрузках, создаваемых рабочей средой.
Известно разъемное соединение торцового типа (Уплотнения и уплотнительная техника / Справочник. М.: «Машиностроение». 1994, стр.115-117, рис.3.19, в), содержащее соединяемые элементы с плоскими уплотняемыми поверхностями, кольцевую канавку, в которую помещено резиновое уплотнительное кольцо круглого сечения. При этом резиновое кольцо установлено в кольцевой канавке с натягом, но с образованием радиального зазора между ним и противоположной стороной канавки. Поэтому требуется, чтобы объем кольцевой канавки (места установки) был больше на 5-10% объема уплотнительного кольца. Кроме того, согласно ГОСТу, в известном соединении предусмотрен обязательный осевой зазор, расположенный между уплотняемыми поверхностями и сообщенный с рабочей средой для обеспечения эффекта самоуплотнения резинового кольца под действием давления рабочей среды. Величина осевого зазора должна составлять не менее 0,02 мм.
Недостаток известного разъемного соединения заключается в том, что рабочая среда, проходящая через обязательный осевой зазор в свободное пространство кольцевой канавки, оказывает непосредственное химическое и динамическое воздействие на материал резинового кольца, что и приводит к его ускоренному старению и, как следствие, - к снижению его герметизирующих свойств. В связи с тем, что резиновое кольцо известного разъемного соединения может находиться под действием высокого давления рабочей среды (например 40…50 МПа), величина его относительной деформации сжатия может достигать 35% и более, что резко ускоряет процесс его старения и накопления в нем необратимых остаточных деформаций. При повышенных параметрах давления и температуры рабочей среды, например при гидроударах, может произойти частичное выдавливание резинового кольца в пространство обязательного осевого зазора, что ускоряет его разрушение. Кроме того, в случаях быстрого сброса давления рабочей среды резиновое кольцо может разрушиться вследствие «кессонного эффекта». В связи с этим надежность работы известного соединения и его циклическая долговечность значительно снижаются.
Известно разъемное соединение торцового типа, наиболее близкое предлагаемому по технической сущности (Уплотнения и уплотнительная техника / Справочник. М.: «Машиностроение». 1994, стр.128-129, рис.3.30), содержащее соединяемые элементы (фланцы) с плоскими уплотняемыми поверхностями, крепежное приспособление для стягивания соединяемых элементов в осевом направлении и удержания их в рабочем положении. В зазоре между соединяемыми элементами установлено упругое уплотнительное кольцо, представляющее собой спирально навитую металлическую ленту, между витками которой размещен неметаллический наполнитель в виде ленты из паронита или асбестовой бумаги. Уплотнительное кольцо, зафиксированное от радиального смещения между ограничительными металлическими кольцами, устанавливают в открытых фланцах между их плоскими уплотняемыми поверхностями и зажимают его между фланцами.
При этом между уплотняемыми поверхностями фланцев и плоскими поверхностями ограничительных металлических колец предусмотрен обязательный осевой зазор, сообщенный с рабочей средой для обеспечения эффекта самоуплотнения уплотнительного кольца под действием давления рабочей среды.
В известном разъемном соединении из-за наличия осевого зазора и отсутствия осевых упоров имеется вероятность значительных отклонений от нормированной величины усилия герметизации в сторону ее превышения при его сборке в процессе затяжки крепежного приспособления. При сборке прототипа требуется создание на его уплотнительном кольце высоких значений начального контактного давления, составляющих 16…60 МПа с учетом его использования для различных рабочих сред. Кроме того, в процессе эксплуатации известного разъемного соединения его уплотнительное кольцо работает в режиме самоуплотнения, то есть на его уплотнительной поверхности создается высокое контактное давление, соразмерное величине давления рабочей среды. Это может приводить к превышению предельной величины относительной деформации сжатия упругой стальной ленты и, следовательно, к снижению ее упругих свойств и к ускоренному ее износу. Наличие обязательного осевого зазора, сообщенного с рабочей средой, также способствует снижению его упругих свойств и ускоренному износу материала уплотнительного кольца из-за непосредственного химического и динамического воздействия на него рабочей среды, свободно проходящей через обязательный осевой зазор между плоскими поверхностями внутреннего ограничительного кольца и торцовыми поверхностями фланцев. Указанные недостатки в значительной мере снижают надежность работы и циклическую долговечность известного разъемного соединения.
Задачей и одновременно техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности работы и увеличение циклической долговечности разъемного соединения.
Поставленная задача решается тем, что в разъемном соединении, содержащем соединяемые элементы с уплотняемыми поверхностями, упругое уплотнительное кольцо, установленное между металлическими кольцами, крепежное приспособление для стягивания соединяемых элементов в осевом направлении и удержания их в рабочем положении, согласно полезной модели упругое уплотнительное кольцо имеет круглое сечение и изготовлено из эластомерного материала, например резины, металлические кольца выполнены в виде осевых упоров, при этом толщину h металлических колец выбирают по зависимости
h=(1,4…1,6)r,
где r - радиус сечения упругого уплотнительного кольца, мм.
Благодаря тому, что в заявленной конструкции разъемного соединения исключен обязательный осевой зазор между торцовыми поверхностями фланцев и контактирующими с ними плоскими поверхностями металлических упорных колец, рабочая среда не может свободно проникнуть к резиновому уплотнительному кольцу, которое оказывается защищенным от ее прямого воздействия. Это означает, что полная герметизация предлагаемого разъемного соединения для всех режимов его эксплуатации обеспечивается уже при его сборке, и резиновое кольцо работает при заданной в процессе сборки величине контактного давления, а не в режиме самоуплотнения, когда на резиновом кольце создается более высокое контактное давление под действием высокого давления рабочей среды. Этим самым исключается вероятность его быстрого старения и разрушения. Кроме того, благодаря наличию упорных металлических колец, толщину h которых рассчитывают в заданных пределах (1,4…1,6)r, на резиновом уплотнительном кольце при сборке заявленного разъемного соединения обеспечивается минимально необходимая величина контактного давления, так как упорные металлические кольца предохраняют резиновое кольцо от его запредельного деформирования полным усилием затяжки крепежного приспособления. Расчеты показывают, что величина относительной деформации сжатия резинового кольца при сборке предложенной конструкции разъемного соединения составляет 20…30%, то есть находится в пределах ее нормативных значений, обеспечивающих на резиновом кольце гарантированную величину контактного давления, находящуюся, соответственно, в пределах 1,5…3,0 МПа во всех режимах эксплуатации. При этом не происходит накопления необратимых остаточных деформаций в резиновом кольце, благодаря чему его упругие свойства не снижаются длительное время. Механизм герметизации предлагаемого разъемного соединения основан на том, что уплотнительное резиновое кольцо и место его установки имеют почти одинаковый объем. В процессе сборки предлагаемого разъемного соединения происходит сжатие уплотнительного кольца плоскими торцовыми поверхностями фланцев, и круглая форма его сечения принудительно изменяется и принимает прямоугольную форму, то есть форму сечения места его установки. Вследствие этого его материал переходит в напряженно-упругое состояние, оказываясь в условиях, близких к условиям всестороннего сжатия. Одновременно увеличивается и площадь контакта резинового кольца с уплотняемыми поверхностями фланцев. Эксперименты показали, что в процессе сборки предлагаемого разъемного соединения при минимальной заданной толщине h упорных колец, соответствующей заявленному пределу {h=1,4r) и, следовательно, наибольшему значению относительной деформации сжатия резинового кольца, составляющему 30%, не происходит выдавливания резинового кольца из места его установки. При этом резиновое кольцо не испытывает запредельных деформаций, благодаря чему у предлагаемого разъемного соединения сохраняется большой резерв циклической долговечности. В случае же выбора меньшей толщины h (например h=1,3r) по отношению к ее минимальному расчетному значению (h=1,4r) значение относительной деформации сжатия резинового кольца превысит 30% и может произойти выдавливание резинового кольца в не закрывшийся зазор между сопрягаемыми поверхностями фланцев и упорных металлических колец до момента их стыковки. Кроме того, даже если не произойдет выдавливания резинового кольца, в нем будут накапливаться необратимые остаточные деформации, снижающие потенциал циклической долговечности предлагаемого разъемного соединения. На резиновом кольце при сборке предлагаемого соединения с максимальным значением толщины h упорных колец, соответствующей заявленному пределу (h=1,6r) и, следовательно, наименьшему нормативному значению относительной деформации сжатия, составляющему 20%, также обеспечивается гарантированная величина контактного давления (не менее 1,5 МПа). В случае выбора большей толщины h (например h=1,7r) по отношению к ее максимальному заявленному значению (h=1,6r) значение относительной деформации сжатия резинового кольца уменьшится (будет менее 20%,), а следовательно, величина контактного давления на резиновом кольце также уменьшится и может оказаться ниже 1,5 МПа, что приведет к снижению степени герметизации, а следовательно, к проникновению рабочей среды к месту установки резинового кольца, а значит, - к снижению надежности работы предлагаемого соединения, а также к снижению его циклической долговечности вследствие разрушающего воздействия рабочей среды. Так как известно, что у резины при ее деформациях практически не изменяется объем, то при всестороннем сжатии упругие свойства резин и других эластичных материалов приближаются к свойствам низкомолекулярных твердых или жидких веществ, которые проявляют свойство несжимаемости. Поэтому резиновое кольцо, находящееся в условиях, близких к всестороннему сжатию, которое строго ограничено заявленными пределами относительной деформации сжатия, выраженными зависимостью h=(1,4…1,6)r, надежно препятствует проникновению рабочей среды к месту его установки и защищает себя от ее химического воздействия и от возможных резких пульсаций давления. Именно потому, что резиновое кольцо заключено уже при сборке предлагаемого соединения в условия, близкие к условиям всестороннего сжатия, механизм его герметизации становится аналогичным механизму герметизации, связанному с эффектом самоуплотнения, но без вредного воздействия рабочей среды на уплотнительное кольцо. Поэтому предлагаемое разъемное соединение надежно работает при высоких давлениях рабочих сред, но при сравнительно невысоких контактных давлениях на уплотнительном резиновом кольце. Испытания предложенного разъемного соединения показали высокую степень его герметичности и высокую надежность работы при давлении рабочей среды до 50 МПа, а также при пульсирующем давлении рабочей среды. После проведения многократных сборок-разборок при произвольной ориентации резинового кольца предложенное разъемное соединение сохранило свою полную герметичность, чем подтверждается наличие значительного запаса его циклической долговечности.
Сущность предлагаемой полезной модели представлена на чертежах, где на фиг.1 показан общий вид разъемного соединения с резиновым уплотнительным кольцом и металлическими кольцами при затянутом положении его крепежного приспособления, продольный разрез; на фиг.2 - разъемное соединение с резиновым уплотнительным кольцом и металлическими кольцами при незатянутом положении его крепежного приспособления, продольный разрез; на фиг.3 - сечение резинового уплотнительного кольца, установленного между металлическими кольцами, при незатянутом крепежном приспособлении, вид А на фиг.2.
Предлагаемое разъемное соединение содержит соединяемые элементы, выполненные в виде стальных ниппелей 1 и 2 и фланцев 3 и 4 с плоскими уплотняемыми поверхностями (на чертежах не обозначены). К ниппелям 1 и 2 могут быть присоединены трубопроводы (на чертежах не показаны). Между плоскими торцовыми уплотняемыми поверхностями фланцев 3 и 4 установлено упругое уплотнительное кольцо 5 круглого сечения, зафиксированное в радиальном зазоре, образованном между двумя концентрично расположенными металлическими (стальными) кольцами 6 и 7 разного диаметра. Металлические кольца 6 и 7 имеют конструкцию осевых упоров, контактные поверхности которых могут иметь соответствующую чистоту обработки. Уплотнительное кольцо 5 изготовлено из эластомерного материала, например из резины соответствующей группы. Радиальное расстояние в зазоре между металлическими кольцами - внутренним 6 и внешним 7 - выполнено равным диаметру сечения уплотнительного кольца 5 (фиг.3) или немного меньшим его диаметра для удобства фиксации уплотнительного кольца 5. Толщину h металлических колец 6 и 7 выбирают по зависимости
h=(1,4…1,6)r,
где r - радиус сечения уплотнительного кольца, мм.
Указанная зависимость обеспечивает равенство площадей круглого сечения уплотнительного кольца 5 и прямоугольного сечения замкнутого кольцевого пространства, образованного радиальным зазором, созданным между цилиндрическими поверхностями металлических колец 6 и 7, и осевым зазором, созданным между плоскими торцовыми уплотняемыми поверхностями фланцев 3 и 4 в собранном положении разъемного соединения. Для стягивания между собой ниппелей 1 и 2 в осевом направлении и для удержания их в рабочем положении, на фланцах 3 и 4 установлено крепежное приспособление 8, которое может относиться к бугельному типу, как показано на фиг.1, или к типу болтового крепежного приспособления (на чертежах не показано). Крепежное приспособление 8 бугельного типа может быть выполнено в виде двух полуколец, охватывающих собой фланцы 3 и 4 по их наружным сторонам, имеющим конический профиль. Полукольца крепежного приспособления 8, также выполненные с коническими внутренними поверхностями (на чертежах не обозначены), имеют возможность радиального перемещения по боковым коническим поверхностям фланцев 3 и 4. Полукольца крепежного приспособления 8 соединены между собой крепежными деталями, например - резьбовыми шпильками и гайками (на чертежах не показаны).
Предложенное разъемное соединение работает следующим образом. Резиновое уплотнительное кольцо 5, зафиксированное между металлическими кольцами 6 и 7, устанавливают в осевом разъеме между фланцами 3 и 4. После этого максимально сближают ниппели 1 и 2. Затем на фланцы 3 и 4 устанавливают полукольца крепежного приспособления 8, например бугельного типа, и производят затяжку его крепежных деталей (на чертежах не показаны). В процессе затяжки крепежных деталей крепежного приспособления 8 происходит перемещение его полуколец в радиальном направлении к центральной оси соединения. Под действием этого радиального смещения фланцы 3 и 4 с ниппелями 1 и 2 сближаются между собой в осевом направлении вплоть до соприкосновения с металлическими кольцами 6 и 7, которые выполняют роль осевых упоров. При этом плоские торцовые уплотняемые поверхности фланцев 3 и 4 сжимают между собой резиновое уплотнительное кольцо 5, которое, упруго деформируясь в осевом и радиальном направлениях, равномерно и полностью заполняет пространство, имеющее прямоугольное сечение, между фланцами 3 и 4 и металлическими кольцами 6 и 7. В процессе поперечного сжатия резинового уплотнительного кольца 5 его круглое сечение принимает форму прямоугольного, что обеспечивает увеличение площади его уплотнительного контакта с уплотняемыми поверхностями фланцев 3 и 4 и с поверхностями металлических колец 6 и 7. При этом не происходит выдавливания «лишнего» материала кольца 5, так как площади сечения резинового кольца 5 и прямоугольного сечения пространства, в котором оно заключено, практически равны между собой. Затяжка крепежных деталей крепежного приспособления 8 производится до создания расчетного усилия затяжки, величина которого определяет величину предварительного контактного давления, создаваемого на уплотняемых поверхностях фланцев 3 и 4 и на поверхностях резинового уплотнительного кольца 5. Благодаря особым свойствам эластомерных материалов необходимое контактное давление на уплотняемых поверхностях фланцев 3 и 4 достигается при значительно меньшем усилии затяжки, чем в случае использования уплотнительного кольца по прототипу.
При сборке соединения принудительная деформация круглого резинового кольца 5 в прямоугольном сечении места его установки переводит его в условия, близкие к условиям всестороннего сжатия. Согласно расчетам, величина относительной деформации сжатия резинового кольца 5 при сборке разъемного соединения составляет 20…30%, то есть находится в пределах ее нормативных значений, при которых в материале кольца 5 не происходит необратимых деформаций. При этом обеспечивается необходимая величина контактного давления на резиновом кольце 5, составляющая 1,5…3,0 МПа. Для эксплуатации разъемного соединения при высоких значениях давления рабочей среды выбирают наименьший предел толщины h металлических колец 6 и 7, составляющий 1,4r. А для работы при низких и средних значениях давления рабочей среды выбирают несколько большую толщину h металлических колец 6 и 7, составляющую, например 1,5 или 1,6r. Заявленные пределы толщины h металлических колец 6 и 7, гарантируют надежную герметизацию разъемного соединения в диапазонах низких, средних и высоких давлений рабочей среды. При этом упругие свойства резинового кольца 5 не снижаются, так как оно не сообщается с рабочей средой и поэтому не испытывает ее химического и динамического воздействия. В процессе эксплуатации разъемного соединения в силу разных причин рабочая среда может проникнуть через микроканалы контактирующих между собой поверхностей фланцев 3 и 4 и внутреннего упорного металлического кольца 6 к месту установки резинового кольца 5. В этом случае возможно проявление эффекта самоуплотнения резинового кольца 5, соответственно повышается контактное давление на его уплотнительной поверхности, благодаря чему обеспечивается повышенная герметичность соединения.
По сравнению с прототипом предлагаемое разъемное соединение имеет следующие преимущества.
1. Имеет низкую себестоимость за счет использования типовых уплотнительных колец, изготовленных из резины или из другого эластомерного материала, надежно работающих в различных условиях эксплуатации и пригодных для герметизации различных рабочих сред.
2. Позволяет значительно увеличить срок службы разъемного соединения за счет снижения усилия герметизации уплотнительного кольца.
3. Имеет повышенную технологичность за счет упрощения процессов его изготовления, сборки и разборки и за счет возможности его многократного использования.
4. Имеет повышенную ремонтопригодность, так как не требует ремонта уплотнительных поверхностей при его разборке и сборке.