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

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может быть использовано для герметизации фланцевых соединений промышленных трубопроводов, в частности тепловой и ядерной 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 и при проведении ремонтных работ, связанных с заменой уплотнительной прокладки, и, как правило, проводимых в сложных условиях, поскольку зазор между зеркалами фланцев незначительно превышает толщину заменяемой уплотнительной прокладки, что вызывает определенные трудности при размещении уплотнительной прокладки между зеркалами фланцев. В связи с этим возникает насущная потребность иметь такую уплотнительную прокладку, которая позволила избежать повреждения уплотнительной прокладки и упростить ее установку между зеркалами фланцев.
Известна уплотнительная прокладка для фланцевых соединений [DE 2738244, публ. 01.03.1979]. Известная прокладка содержит жесткую металлическую кольцевую часть, образующей зону для уплотнительной части уплотнительной прокладки, и несколько радиально расходящихся лапок, упрощающих установку уплотнительной прокладки между фланцами соединения в процессе его герметизации и ремонта. Лапки образуют с жесткой металлической кольцевой частью единое целое путем прочного с ней соединения и предназначены для установки прокладки на зеркале одного из фланцев соединения, путем их отгибания. Лапки могут быть приварены к жесткой металлической кольцевой части. В этом случае в кольцевой металлической части при приварке лапок возникают термические напряжения, которые приводят к нарушению плоскостности уплотнительной прокладки. Для обеспечения высокой плоскостности уплотнительной прокладки необходимо осуществить ряд технологических мероприятий для компенсации термических напряжений, что приводит к повышению себестоимости изготовления уплотнительной прокладки. Если же лапки и жесткое металлическое кольцо составляют одно целое, имеет место большой отход металла. С учетом того, что для ответственных фланцевых соединений при изготовлении уплотнительных прокладок используют нержавеющую сталь, стоимость такой прокладки значительна. Кроме того, 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 В1, публ. 04.09.2002], которая в отличие от уплотнительной прокладки по патенту DE 2738244 может быть установлена на фланцах разных диаметров за счет увеличенной длины лапок. Такая уплотнительная прокладка неудобна в транспортировке и требует принятия соответствующих мер по обеспечению сохранности уплотнительного элемента.
Известна кольцевая прокладка [US 6550775 В2, публ. 22.04.2002.], предназначенная для обеспечения уплотнения между гофрированным патрубком и цилиндрической поверхностью патрубка, расположенного внутри гофрированного патрубка. Известная кольцевая прокладка состоит из опорной и уплотнительной частей. Опорная часть включает основание с канавкой под гребень уплотнительной части и усы, простирающиеся радиально наружу от основания. Уплотнительная часть, выполненная из мягкого эластомерного материала, имеет вышеупомянутый гребень для его размещения в канавке опорной части и такую конфигурацию, которая образует уплотнительный контакт с усами опорной части, поверхностями гофрированного патрубка и цилиндрической поверхностью второго патрубка. Известное техническое решение не предназначено для герметизации фланцевых соединений.
Известно уплотнительное приспособление [US 6536778 ВВ, публ. 25.03.2003.], выполненное в виде блока, состоящего из опорной кольцевой пластины и кольцевого уплотнительного вкладыша, вставленного в эту пластину, так что противоположные торцевые поверхности вкладыша выступают за соответствующие торцы пластины. Вкладыш образован пружинным элементом, заключенным в оболочку из упруго деформируемого материала, а упруго деформируемая оболочка снабжена круговой кольцевой кромкой для закрепления кольцевого уплотнительного вкладыша на опорной кольцевой пластине. В связи с тем, что как при монтаже, так и при ремонте фланцевого соединения, возможно перемещение уплотнительного вкладыша относительно опорной пластины, не исключено повреждение его уплотнительной поверхности.
Наиболее близкой по своей технической сущности по отношению к заявляемому изобретению является уплотнительная прокладка для герметизации фланцевого соединения [US 6857632 В2, публ. 22.02.05.]. Уплотнительная прокладка для герметизации фланцевого соединения, содержащая уплотнительный элемент и опорное средство для фиксации в нем уплотнительного элемента с радиально направленной державкой, выступающей над фланцами соединения. При этом уплотнительный элемент в виде О-образного кольца выполнен из эластомерного материала, а опорное средство выполнено из несжимаемого материала, при этом опорное средство вмонтировано в уплотнительное кольцо. Поэтому уплотнительная прокладка имеет значительную толщину, что особенно не желательно при ремонте трубопроводной арматуры, поскольку увеличенный зазор между фланцами при ремонте 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 кольцевой уплотнительный элемент и опорное средство с радиально направленной державкой, выступающей над фланцами соединения, для фиксации уплотнительного элемента, согласно изобретению кольцевой уплотнительный элемент снабжен кольцевой круговой кромкой, приспособленной для ее размещения в опорном средстве, а опорное средство состоит из двух кольцевых частей, имеющих связанные между собой торцевые поверхности и отходящие от каждой торцевой поверхности радиально внутрь кольцевые поверхности, совместно образующих кольцевую полость под вышеуказанную круговую кольцевую кромку кольцевого уплотнительного элемента, а радиально направленная державка связана с одной из кольцевых частей опорного средства.
Технический результат достигается также тем, что кольцевой уплотнительный элемент выполнен в виде плоского жесткого кольца, на торцевых поверхностях которого концентрично расположены упругие уплотнительные кольца из расширенного графита, диаметр которых меньше диаметра плоского жесткого кольца, с образованием круговой кольцевой кромки под вышеуказанную круговую кольцевую полость опорного средства, при этом кольцевой уплотнительный элемент заключен в оболочку из пористого политетрафторэтилена.
Технический результат достигается также тем, что оболочка кольцевого уплотнительного элемента выполнена однослойной из политетрафторэтилена с пористостью в пределах 50-60%.
Технический результат достигается также тем, что оболочка кольцевого уплотнительного элемента выполнена двухслойной, при этом внутренний слой политетрафторэтилена со стороны упругих уплотнительных колец имеет пористость в пределах 30-40%, а наружный слой политетрафторэтилена имеет пористость в пределах 50-60%.
Целесообразно каждый слой оболочки кольцевого уплотнительного элемента образовать 3-5 слоями лент из пористого политетрафторэтилена соответствующей пористости.
Каждый слой оболочки может быть образован обвивкой лентами из пористого политетрафторэтилена с натяжением и внахлест кольцевой поверхности кольцевого уплотнительного элемента.
Целесообразно, чтобы толщина лент из пористого политетрафторэтилена была не больше 0,25 мм.
Технический результат достигается также тем, что одна из кольцевых частей опорного средства выполнена в виде кольцевого сегмента и дополнительного средства закрепления кольцевого уплотнительного элемента на опорном средстве.
Технический результат достигается тем, что дополнительное средство закрепления кольцевого уплотнительного элемента на опорном средстве выполнено в виде сегмента тождественного по форме вышеуказанному кольцевому сегменту и установлено с возможностью его фиксации на опорном средстве.
Технический результат достигается также тем, что дополнительное средство закрепления кольцевого уплотнительного элемента на опорном средстве выполнено в виде лепестков, закрепленных на опорном средстве.
Технический результат достигается также тем, что дополнительное средство закрепления кольцевого уплотнительного элемента на опорном средстве выполнено в виде сегмента тождественного по форме вышеуказанному кольцевому сегменту и установлено с возможностью перемещения по державке и фиксации на опорном средстве.
Желательно уплотнительную прокладку снабдить средством, позволяющим идентифицировать ее назначение, и расположить это средство на язычке.
Отличительная особенность заявляемой уплотнительной прокладки для герметизации фланцевого соединения состоит в том, что в отличие от прототипа кольцевой уплотнительный элемент вмонтирован в опорное средство. Для этого кольцевой уплотнительный элемент снабжен кольцевой круговой кромкой, приспособленной для ее размещения в опорном средстве, а опорное средство снабжено полостью под кольцевую круговую кромку кольцевого уплотнительного элемента для закрепления кольцевого уплотнительного элемента на опорном средстве. В результате значительно сокращается толщина уплотнительной прокладки и одновременно обеспечивается жесткая фиксация уплотнительного элемента в опорном средстве. 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. Соединение радиально направленной державки с кольцевой частью опорного средства не привело к увеличению толщины уплотнительной прокладки, но одновременно упростило установку уплотнительной прокладки между зеркалами фланцев.
Выполнение уплотнительного элемента в виде плоского жесткого кольца, на торцевых поверхностях которого концентрично расположены упругие уплотнительные кольца из расширенного графита, диаметр которых меньше диаметра плоского жесткого кольца, обеспечивает получение простым способом круговой кольцевой кромки под кольцевую полость опорного средства. В результате обеспечивается точная центровка кольцевого уплотнительного элемента в опорном средстве. Заключение кольцевого уплотнительного элемента в оболочку из пористого политетрафторэтилена способствует расширению диапазона применения уплотнительной прокладки.
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 - разрез по А-А (вариант);
фиг.5 - кольцо расширенного графита из гофрированной ленты;
фиг.6 - кольцо расширенного графита, вырезанное из листа;
фиг.7 - уплотнительный элемент в разрезе;
фиг.8 - уплотнительный элемент в разрезе (вариант);
фиг.9 - средство индексации;
фиг.10 - опорное средство (вариант);
фиг.11 - опорное средство (вариант);
фиг.12 - опорное средство (вариант).
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. Уплотнительная прокладка 1 (фиг.2 и 3) содержит кольцевой уплотнительный элемент 6 и опорное средство 7 с радиально направленной державкой 8, выступающей над фланцами 3 и 4 фланцевого соединения 2, для фиксации уплотнительного элемента (фиг.1). Опорное средство 7 состоит из двух кольцевых частей 9, имеющих связанные между собой, например, с помощью точечной сварки торцевые поверхности 10 и отходящие от торцевых поверхностей радиально внутрь кольцевые поверхности 11, совместно образующие полость 12. Одна из кольцевых частей 9 прочно связана с державкой 8.
Кольцевой уплотнительный элемент 6 выполнен в виде плоского жесткого кольца 13, на торцевых поверхностях которого концентрично расположены упругие уплотнительные кольца 14 из расширенного графита, диаметр которых меньше диаметра плоского жесткого кольца, с образованием круговой кольцевой кромки 15 под вышеуказанную круговую кольцевую полость 12 опорного средства 7. Кольцевой уплотнительный элемент 6 заключен в оболочку 16 из пористого политетрафторэтилена. Применение расширенного графита в качестве упругих уплотнительных колец позволяет расширить диапазон применения такой уплотнительной прокладки, поскольку расширенный графит не стареет, не затвердевает, его свойства не изменяются в процессе длительной эксплуатации, а также могут иметь высокую упругую деформацию в пределах до 10% 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. При этом оболочка кольцевого уплотнительного элемента может быть выполнена однослойной (фиг.3) из политетрафторэтилена с пористостью в пределах 50-60% или она может быть выполнена из двух слоев (фиг.4) политетрафторэтилена разной пористости, при этом внутренний слой 17 политетрафторэтилена со стороны расширенного графита имеет пористость 30-40%, а наружный слой 18 политетрафторэтилена имеет пористость 50-60%. Каждый слой оболочки кольцевой поверхности кольца из расширенного графита 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 политетрафторэтилена 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 кольцевого уплотнительного элемента за счет образования складок на его поверхности в силу жесткости такого политетрафторэтилена.
Выбор числа слоев обвивки кольцевого уплотнительного элемента 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 кольцевой уплотнительный элемент. 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 кольцевом уплотнительном элементе. А за счет того, что политетрафторэтилен с пористостью 50-60% обладает высокой податливостью в поперечном направлении, при обвивке на поверхности кольцевого уплотнительного элемента исключается образование морщин со стороны его внутреннего диаметра. При этом каждый слой оболочки образован обвивкой кольцевого уплотнительного элемента из пористого политетрафторэтилена с натяжением и внахлест, что способствует получению более качественной поверхности кольцевого уплотнительного элемента. 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
3
3
Целесообразно плотность расширенного графита упругих уплотнительных колец иметь в пределах 1,2-1,8 г/см. При плотности расширенного графита 1,8 г/см упругая деформация упругих уплотнительных колец 14 имеет максимальное значение и находится в пределах 10% от его толщины. Такую плотность расширенного графита упругих уплотнительных колец 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 кольцевого уплотнительного элемента сложно, поскольку кольца 14 из расширенного графита в этом случае имеют малую прочность. Кроме того, упругая деформация такого кольцевого уплотнительного элемента 6 может оказаться недостаточной для обеспечения герметичности фланцевого соединения 2 в условиях меняющейся окружающей температуры. Следует отметить, что снижение плотности расширенного графита от 1.8 г/см до 1.2 г/см сказывается на снижении себестоимости уплотнительной прокладки, поэтому там, где по условиям эксплуатации может быть применен расширенный графит с меньшей плотностью, следует применять его.
Упругое уплотнительное кольцо 14 из расширенного графита (фиг.5) может быть образовано путем навивки пространственной спирали из плакированной пористым политетрафторэтиленом 19 гофрированной ленты 20 из расширенного графита с последующим прессованием спирали до образования плоского кольцевого уплотнительного элемента 6 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 14 (фиг.6) больших размеров, целесообразно применить армирующий элемент 21 в виде ленты, поместив его между двумя гофрированными лентами 20 из расширенного графита. Армирующий элемент 21 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. Наличие армирующего элемента увеличивает прочностные характеристики уплотнительной прокладки и не сказывается на ее упругости, поскольку упругость уплотнительной прокладки определяется плотностью расширенного графита.
Упругое уплотнительное кольцо 14 (фиг.7) может быть вырезано из листа расширенного графита и быть выполненным либо из одного кольца 22 расширенного графита, либо из пакета колец 22 с расположенным между соседними кольцами из расширенного графита армирующими элементами 23 (фиг.8). Армирующие элементы 23 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 металлическая фольга, как об этом было указано выше.
Уплотнительная прокладка может быть снабжена средством 24, позволяющим идентифицировать ее назначение (уплотняемая среда, температура, давление и т.д.), расположенным на державке 8 (фиг.9).
Одна из кольцевых частей 9 опорного средства 7 может быть выполнена в виде кольцевого сегмента 25 и дополнительного средства закрепления кольцевого уплотнительного элемента 6 на опорном средстве 7. Это дополнительное средство закрепления кольцевого уплотнительного элемента 6 на опорном средстве 7 (фиг.10) может быть выполнено в виде сегмента 26 тождественного по форме вышеуказанного кольцевого сегмента 25 и установленного с возможностью его фиксации на опорном средстве 7 с помощью лепестков 27. Дополнительное средство закрепления кольцевого уплотнительного элемента 6 на опорном средстве 7 (фиг.11) может быть выполнено в виде сегмента 28 тождественного по форме вышеуказанного кольцевого сегмента 25 и установленного с возможностью его перемещения на ползунке 29 по державке 7 и фиксации на опорном средстве 7 с помощью лепестков 30. Дополнительное средство закрепления кольцевого уплотнительного элемента 6 на опорном средстве 7 (фиг.12) может быть выполнено в виде лепестков 31, закрепленных на одном из кольцевых частей опорного средства 7. Выполнение опорного средства 7 в виде кольцевого сегмента 25 и дополнительного средства закрепления кольцевого уплотнительного элемента 6 на опорном средстве 7, как это показано на фиг.9-11, позволяет осуществить замену кольцевого уплотнительного элемента 6 в опорном средстве 7, т.е. позволяет многократность использования опорного средства 7. Кроме того, возможность извлечения и установки кольцевого уплотнительного элемента 6 в опорном средстве 7 позволяет осуществлять ремонт кольцевого уплотнительного элемента 6 путем дополнительной обвивки его поврежденного участка лентами пористого политетрафторэтилена.
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. Она может быть установлена опорным средством 7 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.
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 кольцевого уплотнительного элемента с опорным средством достигается простыми способами. Уплотнительная прокладка со стационарно установленным кольцевым уплотнительным элементом в опорном средстве целесообразно применять при работе во вредных условиях, например в ядерной энергетике или в химической промышленности, когда время проведения ремонтных работ должно быть сведено к минимуму, а любые непредвиденные неполадки в уплотнительной прокладке должны быть исключены. При работе в тепловой энергетике целесообразно использовать уплотнительную прокладку с многократно используемым опорным средством, которое позволяет, имея комплект сменных кольцевых уплотнительных элементов, производить замену поврежденного кольцевого уплотнительного элемента на новый или производить ремонт самого кольцевого уплотнительного элемента.
В заявляемом изобретении упругие уплотнительные кольца могут быть изготовлены из любого другого уплотнительного материала, наилучшим образом отвечающего герметизируемой среде и ее параметрам, в частности, они могут быть изготовлены из паронита, при этом кольцевой уплотнительный элемент должен быть заключен в оболочку из пористого политетрафторэтилена.