Фланцевое соединение для труб и аппаратов
FLANGE CONNECTION FOR PIPES AND APPARATUSES

Изобретение относится к фланцевым соединениям для трубопроводов, аппаратов или сосудов и может быть использовано преимущественно в разъемных соединениях трубопроводов с арматурой и агрегатами, например, на магистральных трубопроводах транспортировки природного газа или нефти, а также, например, в составе газораспределительных станций.
Трубопроводные системы в целом, а фланцевые соединения труб в частности, работают в весьма сложных условиях и подвергаются воздействию весьма широкого спектра сил различной природы. В том числе: вызванными температурными факторами окружающей среды и состоянием рабочего тела; статическими и динамическими воздействиями собственно трубопроводной системы, частью которой они являются; динамическим воздействием внешних взаимодействующих с фланцевым соединением систем; широкоамплитудными колебаниями и низкочастотной вибрацией; прочими обстоятельствами.
В результате этого на фланцевые соединения действуют силы растяжения, направленные вдоль оси труб; силы изгиба, направленные перпендикулярно оси труб; тангенциальные силы, создающие крутящий момент относительно центральных осей. В подавляющем большинстве случаев все эти силы действуют одновременно и вызывают внутренние напряжения в деталях соединения, которые аккумулируются и передаются в конечном итоге на шпильки стягивающие фланцы - последнее замыкающее звено соединения, которое и обеспечивает работоспособность фланцевого соединения и его надежность.
Известно фланцевое соединение оборудования, содержащее уплотнительную металлическую прокладку в канавках уплотняемых поверхностей соединения, имеющую предохранительное упругое уплотнительное кольцо, установленное в выполненной в ней внутренней кольцевой канавке. Предохранительное упругое уплотнительное кольцо выполнено с возможностью взаимодействия с уплотняемыми поверхностями соединения оборудования для защиты соединения от воздействия перекачиваемой среды (см. патент РФ на изобретение №2178510, опубл. 20.01.2002). Уплотнительные металлические прокладки при использовании их в соединениях трубопроводов требуют больших стягивающих усилий фланцев для обеспечения герметичности этих фланцевых соединений. При этом основной недостаток заключается в том, что эти соединения не защищены от воздействия атмосферных осадков, что приводит в процессе эксплуатации к коррозии металлических уплотнительных элементов и, как следствие, к утечкам из фланцевых соединений перекачиваемых по трубопроводу жидких углеводородов.
Наиболее близким, взятым в качестве прототипа, является фланцевое соединение труб и аппаратов, по патенту RU №2635952, опубликован 17.11.2017 г., содержащее скрепленные между собой стягивающими шпильками и гайками и сопряженные по контактной поверхности два металлических фланца, в каждом фланце со стороны контактной поверхности выполнен паз и расположенную в пазах между фланцами металлическую кольцевую прокладку. Главным недостатком прототипа является не оптимальная конструкция, с точки зрения восприятия и перераспределения внутренних напряжений по элементам соединения, которые возникают при эксплуатации от воздействия внешних сил. В реальных условиях эксплуатации, например, на бурильных установках или энергетических машинах, кроме различного рода статических сил на трубопроводную систему и фланцевые соединения воздействует динамические, например - вибрация. Во многих случаях весьма значительная и, чаще всего интегральная, включающая низкочастотные колебания (1-3 колебания в секунду) с большой амплитудой и высокочастотные колебания (более 10 колебаний в секунду) с малой амплитудой. В этом случае на напряжение в шпильках, возникшее от суммарного воздействия усилия затяга и усилия изгиба, накладываются знакопеременные напряжения от вибрации. Шпилька достаточно быстро (например, в течении полугода) может набрать несколько сотен тысяч колебаний или циклов, что приводит к малоцикловой или цикловой усталости материала шпильки. В результате предел усталостной прочности материала шпильки понижается и напряжения могут перейти из упругой области, обеспечивающей целостность шпильки и ее прочность, в область пластической деформации, то есть длина шпильки под действием изложенных факторов начнет увеличиваться ("металл потечет"), а усилие затяга шпильки будет ослабевать. При этих условиях наступает разгерметизация фланцевого соединения, что потребует незамедлительного вывода оборудования из эксплуатации.
Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в повышении надежности фланцевого соединения, расширении области применения и повышении эксплуатационной надежности при сверхвысоких давлениях рабочей среды в трубопроводе или аппарате (от 800 до 1500 кг\см2) и уменьшения затрат на обслуживание, связанных с восстановлением соединения и сокращением времени простоя.
Технический результат достигается за счет того, что фланцевое соединение для труб и аппаратов содержащее скрепленные между собой стягивающими шпильками и гайками и сопряженные по контактной поверхности два металлических фланца, в каждом фланце со стороны контактной поверхности выполнен паз и расположенную в пазах металлическую кольцевую прокладку, согласно заявленному решению, контактная поверхность фланцев выполнена в виде пространственного тела, содержащего последовательно сопряженные по направлению от центральной оси фланцев к периферии, элементы плоского кольца, эллипсоида и конуса, причем внутренний диаметр d кольцевой плоскости равен внутреннему проходному диаметру фланца, а наружный диаметр d2 кольцевой плоскости находится из соотношения: d2=d+К1×S, где:
- К1 - позиционный коэффициент в интервале от 1,2 до 1,5,
- s - величина зазора между фланцами на внешнем диаметре;
угол между основанием конусной поверхности и образующей конуса составляет 0,3-1,2 градуса, а паз фланца выполнен в виде прямоугольной трапеции, причем глубина паза Н, определяется из соотношения:
Н=К1×0,5 В, где:
- В - ширина металлической кольцевой прокладки;
при этом опорная контактная поверхность паза фланца находится с внешней стороны по отношению к центральной оси соединения и расположена под углом β1, принимаемым в интервале от 14,8 до 16,5 градусов по отношению к кольцевой плоскости контактной поверхности фланца, диаметр средней оси паза находится из соотношения:
dcp=d+К1×d,
на металлической кольцевой прокладке с наружной стороны оппозитно друг другу выполнены конические контактные поверхности, а в центральной части выполнен разгрузочный кольцевой паз, причем угол β2 между основанием конусной поверхности и образующей конуса определяется из соотношения:
β2=β1+Δβ, где:
- Δβ находится в интервале от 0,8 до 1,6 градуса;
при этом ширина разгрузочного кольцевого паза составляет от 0,2 до 0,3 ширины В металлической кольцевой прокладки. Кроме этого, в отверстиях фланцев под установку шпилек со стороны расположения гаек, выполнены сферические расточки, оппозитные сферическим поверхностям, выполненным на гайках, а контактные поверхности фланцев, пазов и металлической кольцевой прокладки обработаны модифицирующим антифрикционным составом на основе фторорганических соединений.
Заявленный технический результат достигается за счет создания конструкции фланцевого соединения с такими геометрическими характеристиками, которые позволяют наиболее эффективно воспринимать нагрузку от внутренних и внешних сил и распределять напряжения, вызываемые ими между составными элементами соединения так, чтобы на замыкающее и наиболее слабое звено - шпильки, которые изначально нагружены усилием затяга - передавалось возможно меньшее усилие от внешнего воздействия, в идеале дополнительное воздействие от внешних сил, передаваемое шпилькам должно стремиться к нулю. Заявленная конструкция обеспечивает повышение степени герметизации при сверхвысоких давлениях рабочей среды в трубопроводе или аппарате (от 800 до 1500 кг\см2) и устранения причин, вызывающих разгерметизацию фланцевого соединения в условиях колебаний температуры рабочей и окружающей среды, колебания давления рабочей среды, вибрации, гидроударов и других внешних воздействующих на фланцевое соединение факторов, за счет обеспечения работы материалов фланцев и кольцевой прокладки в области упругой деформации, обеспечения центровки фланцев и кольцевой прокладки, с одной стороны, и фланцев и стягивающих шпилек, с другой стороны и обеспечения абсолютной неподвижности всех элементов соединения и его работы как жесткого монолита в пределах расчетных нагрузок трубопроводной системы вне зависимости от внешних воздействующих факторов. Такая монолитность фланцевого соединения исключает передачу боковых (радиальных), осевых и крутящих усилий внешнего воздействия, от фланцев к стягивающим шпилькам, а, следовательно, исключает накопление в них циклических внутренних напряжений и потерю прочностных свойств, ослабление усилия обтяжки и создания условий разгерметизации, что обеспечивает надежность работы фланцевого соединения.
Заявленное решение поясняется чертежами, где:
На Фиг. 1 - показано фланцевое соединение в сборе
На Фиг. 2 - показан фланец
На фиг. 3 - показано соединение фланцев без крепежных элементов
На фиг. 4 - показан фланец в разрезе
На фиг. 5 - показана металлическая кольцевая прокладка
Фланцевое соединение для труб и аппаратов содержит скрепленные между собой стягивающими шпильками 3 и гайками 4 и сопряженные по контактной поверхности 5 два металлических фланца 1. В каждом фланце 1 со стороны контактной поверхности 5 выполнен паз 6. В пазах 6 расположена металлическая кольцевая прокладка 2. Контактная (сопрягаемая) поверхность 5 фланцев 1 выполнена в виде сложного пространственного тела содержащего последовательно сопряженные по направлению от центральной оси 7 фланцев 1 к периферии элементы кольцевой плоскости 8, эллипсоида 9 и конуса 10 (см. фиг. 4). Внутренний диаметр d кольцевой плоскости 8 равен внутреннему проходному диаметру фланца 1, а наружный диаметр d2 кольцевой плоскости 8 находится из соотношения:
d2=d+К1×S,
где К1 - позиционный коэффициент выбирается в интервале от 1,2 до 1,5,
s - величина зазора между фланцами на периферийном диаметре;
Угол α между основанием 11 конуса 10 и образующей конуса 12 составляет 0,3-1,2 градуса. Паз 6 выполнен в виде прямоугольной трапеции, причем глубина паза Н, определяемой из соотношения:
Н=К1×0,5 В,
где коэффициент В - ширина уплотнительной кольцевой прокладки 2;
Опорная контактная поверхность 14 паза 6 находится с внешней стороны по отношению к центральной оси 7 соединения и расположена под углом β1 принимаемым в интервале от 14,8 до 16,5 градусов по отношению к кольцевой плоскости 8 контактной поверхности 5 фланца 1.
Диаметр средней оси 15 паза 6 находится из соотношения:
dcp=d+К1×d.
На уплотнительной металлической прокладке 2 (фиг. 5) с наружной стороны оппозитно друг другу выполнены конусные контактные поверхности 16, а в центральной части выполнен разгрузочный кольцевой паз 17, причем угол β2 между основанием 18 конусной поверхности 16 и образующей конуса 19 определяется из соотношения:
β2=β1+Δβ,
где Δβ находится в интервале от 0,8 до 1,6 градуса;
Ширина В1 кольцевого паза 6 составляет от 0,2 до 0,3 ширины В уплотнительной кольцевой прокладки 2.
В отверстиях 18 во фланцах 1 под установку шпилек 3 со стороны расположения гаек 4 выполнены сферические расточки 20 оппозитные сферическим поверхностям 21, выполненным на гайках 4.
Контактные поверхности 5 фланцев 1 и уплотнительной прокладки 2 обработаны модифицирующим антифрикционным составом на основе фторорганических соединений.
Фланцевое соединение труб работает следующим образом.
При предварительной обтяжке собранных фланцев 1 и установленной между ними кольцевой прокладки 2 стягивающими шпильками 3, происходит плотный контакт по зеркалу плоских поверхностей фланцев. При увеличении усилия обтяжки происходит деформация фланцев 1 и кольцевой прокладки 2 в области упругих деформаций материалов фланцев и прокладки. При этом фланцы начинают сопрягаться по эллипсоидным 9 и коническим 10 контактным поверхностям фланцев 1. Затяжка прекращается после полного смыкания поверхностей, геометрия которых определена таким образом, что создаваемые при обтяжке внутренние напряжения не переходят в область пластической деформации и изделие работает как жесткий монолит в области упругих деформаций.
В свою очередь металлическая кольцевая прокладка 2 при обтяжке, упираясь в конические поверхности пазов фланцев, также деформируется за счет наличия кольцевого паза 17. Геометрия пазов 6 и металлической кольцевой прокладки 2, выбранная в соответствии с формулой изобретения не позволяет материалу прокладки перейти в область пластической деформации и обеспечивает работу исключительно в области упругих деформаций. Кроме того, при обтяжке происходит центровка шпилек 3 благодаря сферическим поверхностям в паре гайка-фланец.
Такая монолитность фланцевого соединения устраняет передачу боковых (радиальных), осевых и крутящих усилий внешнего воздействия, чем бы они не были вызваны, от фланцев к стягивающим шпилькам, а, следовательно, исключает накопление в них циклических внутренних напряжений и потерю прочностных свойств, ослабление в силу этого усилия обтяжки и создания условий разгерметизации. Это обстоятельство является ключевым для обеспечения надежных условий герметичности трубопроводной системы.