Уплотнение между неподвижными относительно друг друга поверхностями
SEALING BETWEEN SURFACES FIXED RELATIVE TO EACH OTHER

Область техники
Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения защитных крышек контейнеров для транспортировки и/или длительного хранения радиоактивных материалов, а также для герметизации фланцевых соединений трубопроводов, арматуры, сосудов, работающих под давлением, и т.п.
Предшествующий уровень техники
Известно уплотнительное приспособление (WO 3054427 А1), выполненное в виде кольцевого элемента из упруго деформируемого материала, поверхность которого покрыта защитной пленкой из материала, содержащего 50% или более акрилонитрила. Акрилонитрил (полиакрилонитрил) обладает малой эластичностью, низкой морозостойкостью, поэтому его применение в качестве уплотнения ограничено. Необходимо также отметить его невысокие диэлектрические свойства.
Известно уплотнительное приспособление (WO 3016756 А2), имеющего первую секцию из упруго деформируемого материала и вторую секцию из непроницаемого для паров топлива материала. Первая и вторая секции этого приспособления скреплены механическим соединителем или с применением связующего вещества. Наличие механического соединителя усложняет конструкцию уплотнительного приспособления, а применение связующего вещества, безусловно, окажет влияние на уплотняющие свойства приспособления.
Известна многослойная плоская уплотнительная прокладка (US 6565099), имеющая 2 центральный элемент, выполненный из полимерного или эластичного армированного нитями волокна материала, способного выдерживать температуры до 150°С. Наружные поверхности этого элемента полностью закрыты оболочкой из органического воздухонепроницаемого полимерного материала. Известная прокладка обладает низкой термостойкостью.
Известно уплотнение между неподвижными относительно друг друга поверхностями (RU 84895), выполненное в виде спирально навитой прокладки, содержащей чередующиеся полосы профилированные металлической лентой и наполнителем, при этом профилированная металлическая лента на участке спирали, расположенном между слоями наполнителя, имеет прерывистые кромки с образованием выемок, которые выполнены с возможностью заполнения материалом наполнителя в рабочем состоянии прокладки. К недостатком уплотнения можно отнести сложность изготовления таких прокладок диаметром более 1,5 метров (для транспортно-упаковочных комплектов, перевозящих отработанные ядерные отходы, необходимы прокладки диаметром до 2,0 метров).
Известны плоские прокладки (RU 22737778), имеющие металлический слой, выполненный, по меньшей мере, в районе отверстия с буртиком и волнообразным или зубчатым профилем, выполненным в области рядом с указанным буртом. В качестве материала для изготовления использована пружинная сталь или деформируемая в холодном состоянии сталь, которая закаливается с последующим отпуском. Профиль используется в качестве ограничителя деформации для буртика, сформированного вокруг отверстия, и одновременно выполняет функцию уплотнения. Чтобы в различных областях прокладки получить требуемую упругость, жесткость и желательную степень пластической деформации, можно изменять интервалы между гребнями волн или зубьями, и/или их высоты, и/или радиусы отдельных волн. Например, область профиля, расположенная вблизи отверстия, может иметь меньшие интервалы между гребнями волн или зубьями, чем более удаленные области. Поэтому в этой области упругость будет меньше, чем в плотно заполненных областях профиля. Изготовление таких прокладок требует применения специальной оснастки и достаточно трудоемко.
Известна уплотнительная прокладка (RU 2377459) для плоских фланцевых соединений с кольцеобразной металлической основой и прокладками из мягкого материала с обеих сторон, предпочтительно из графита или политетрафторэтилена, причем основа выполнена с радиально-окружными кольцевыми зубцами, по меньшей мере, один из которых поддается при монтаже пластической деформации, при этом толщина основы, измеренная по вершинам зубцов, составляет 1,35 мм, кольцевые зубцы имеют интервал между каждыми двумя 3 соседними кольцевыми зубцами менее 3 мм. Зубцы основы имеют упругость, обеспечивающую им достижение первоначальной высоты после демонтажа уплотнения из фланцев. Недостатком данной прокладки является возможность пластического смятия зубцов прокладки при существенном отклонении поверхности фланцев от плоскостности (коробление фланцев), а также сложность изготовления прокладок больших диаметров и вероятность быстрого износа мягких прокладок на вершинах зубцов.
Известна волновая прокладка (RU 2641987), которая содержит металлическое кольцо с волновым поперечным сечением, размещенное между графитовыми слоями. Однако необходимость устанавливать последовательно две прокладки, чтобы обеспечить двойной барьер герметичности, приведет к удорожанию конструкции.
Известно уплотнительное устройство (RU 2377459) с кольцеобразной металлической основой и прокладками из мягкого материала с обеих сторон, предпочтительно из графита или политетрафторэтилена. Основа имеет радиально-окружные кольцевые зубцы, которые в собранном виде обеспечивают линейный металлический контакт. Металлическая основа имеет толщину менее 0,5 мм, предпочтительно менее 0,49 мм и особенно предпочтительно менее 0,3 мм. Основа содержит, по меньшей мере, один кольцевой зубец также в области прокладок из мягкого материала, и уплотнительное устройство имеет центрирующее кольцо с гофрированным или зубчатым поперечным сечением. Гофры или зубцы центрирующего кольца имеют высоту, меньшую, чем у кольцевых зубцов. Но так как прокладка состоит, по сути, из трех отдельных частей (два плоских графитовых кольца и основа из гнутого металла), то возникает сложность монтажа и обеспечения соосности, особенно если диаметр уплотняющей поверхности 1,5…2 метра, а если необходимо устанавливать две прокладки последовательно, то сложность монтажа еще увеличивается.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является плоская гребенчатая уплотнительная прокладка с двусторонними накладками для герметизации разъемных фланцевых соединений (RU 2482362), содержащая две уплотнительные контактные поверхности, в которых выполнены концентрические V-образные пазы с углом раскрытия 90°, причем на обеих уплотнительных контактных поверхностях гребенчатой уплотнительной прокладки между пазами созданы лежащие в одной плоскости концентрические поверхности постоянной ширины от 0,2 мм до 0,6 мм, при этом дно впадин концентрических пазов выполнено с закруглением радиусом 0,3…0,5 мм, а на обе уплотнительные контактные поверхности гребенчатой прокладки наложена уплотняющая пленка или уплотняющая пластина, выполненная, например, из графита, 4 причем концентрические пазы в уплотнительных контактных поверхностях гребенчатой прокладки имеют меньший объем, чем объем уплотняющей пленки или уплотняющей пластины, которая перекрывает вершины крайних пазов в уплотнительных контактных поверхностях.
Однако известное устройство имеет ограниченную область применения, т.к. при монтаже уплотнительные слои из мягкого материала частично сжимаются в зазоре между фланцами и попадают во впадины волн, где в замкнутом объеме обеспечивается необходимая для герметизации плотность уплотнительного материала. Однако под воздействием большого, а при короблении фланцев еще и неравномерного, давления по длине окружности прокладки волны металлического кольца раздвигаются и могут расплющиваться без возможности последующего восстановления, оставляя уплотнительный материал без радиальной опоры, что может привести к разгерметизации фланцевого соединения.
Уплотнительная пленка или уплотнительная прокладка не закреплены на поверхности металлической основы, что усложняет монтаж и установку прокладки.
Раскрытие изобретения
Особенностью работы уплотнения защитных крышек транспортно-упаковочных контейнеров является высокий уровень радиационного и температурного воздействия в течение всего срока эксплуатации контейнера, а также высокие требования по герметичности уплотняемого соединения в нормальных и аварийных условиях эксплуатации. Возможность аварийных ситуаций должна учитываться в соответствии с требованиями, предъявляемыми к контейнерам указанного назначения нормативными документами РФ и рекомендациями МАГАТЭ (Правила безопасности при транспортировании радиоактивных материалов. НП-053-04. Москва, 2004 г.; Правила безопасной перевозки радиоактивных веществ. Издание 2009 г., МАГАТЭ, Вена, 2009 г.).
К числу факторов, характерных для аварийных ситуаций, относятся высокий уровень деформационно-напряженного состояния конструкции и высокий уровень нагрева при попадании контейнера в зону пожара, что требует от уплотнительного узла повышенных упругих свойств и сохранения работоспособности при высоких температурах и деформации опорных элементов уплотняемого соединения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании уплотнения (прокладки) внутренней и наружной крышек транспортно-упаковочного комплекта, обеспечивающего двойной барьер герметичности и возможность контроля герметичности обоих контуров прокладки.
Технический результат заключается в упрощении монтажа при условии обеспечения высокого уровня герметичности внутренней и наружной крышек транспортно-упаковочного комплекта.
Указанная задача решается и указанный технический результат достигается благодаря тому, что в уплотнении между неподвижными относительно друг друга поверхностями, содержащем металлическое кольцо, размещенное между графитовыми слоями, участки металлического кольца под нанесение графита имеют зубчатый профиль, и графит нанесен кольцами с обеих сторон металлического кольца.
При этом в уплотнении выполнены отверстия для крепежа уплотнения с помощью винтов, а также отверстия для прохода среды при осушке и контроля герметичности полости уплотнения. Каждое отверстие расположено посередине обнижения, которое выполнено с двух сторон между кольцами графита. В качестве графита используют терморасширенный графит. Участки прокладки под нанесение графита имеют зубчатый профиль, что обеспечивает надежное и гарантированное соединение графита с металлом, благодаря чему исключается возможность образования пустот, наличие которых может привезти к нарушению герметичности прокладки. Графит на металлическую основу наносят таким образом, что слой графита становится неотделимым от металла. Монолитное исполнение прокладки позволяет избежать перекосов при монтаже и установке, и таким образом упростить процесс ее установки и монтажа. За счет наличия обнижения с двух сторон прокладка разделена на две части, что позволяет разделить уплотнение на два контура, что в свою очередь, обеспечивает двойной барьер герметичности. Соответственно нет необходимости использовать две различные прокладки, что удешевляет и упрощает конструкцию. Наличие в конструкции прокладки двухстороннего обнижения позволяет осуществлять контроль герметичности обоих контуров прокладки и эффективно проводить процедуру осушения полостей, образующихся в центральной части прокладки. Крепление прокладки к крышке винтами позволяет обеспечить точное позиционирование прокладки относительно уплотняемых поверхностей при сборке и позволяет транспортировать крышку вместе с прокладкой.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен вид уплотнения сверху и поперечные сечения, в увеличенном масштабе, уплотнения в местах выполнения отверстия для крепежа прокладки с помощью винтов (А-А) и отверстия для прохода среды при осушке, и для контроля герметизации в полости прокладки (Б-Б).
На фиг. 2 показан частичный поперечный разрез транспортно-упаковочного комплекта, в увеличенном масштабе - крепление уплотнения.
На фиг. 3 показан частичный поперечный разрез транспортно-упаковочного комплекта, в увеличенном масштабе - канал для контроля герметичности уплотнения.
Вариант осуществления изобретения
Уплотнение выполнено в виде кольца из нержавеющей стали 1, плакированного с двух сторон терморасширенным графитом 2. Участки металлического кольца 1 под нанесение графита 2 имеют зубчатый профиль, и графит 2 нанесен кольцами с обеих сторон металлического кольца 1. Высота зубцов составляет от 0,3 мм до 0,5 мм, угол между зубцами 90°, толщина графитового слоя не превышает высоту зубцов. Общая толщина прокладки составляет от 3 мм до 6 мм. Графит на металлическую основу, с помощью известных технологий, наносят таким образом, что слой графита становится неотделимым от металла.
Внутри уплотнения с одной стороны выполнены отверстия 3, предназначенные для крепления прокладки с помощью винтов 4 в пазу крышки 5, и обнижение 6 с двух сторон, а также отверстие 7 для прохода среды при осушке и контроле герметизации прокладки.
Прокладку устанавливают на нижнюю поверхность крышки 5 и притягивают винтами 4, установленными в отверстия 3 с понижением в прокладке. Винты 4 вворачиваются не в саму крышку 5, а в ремонтные втулки 9, которые запрессовываются в крышку с натягом и фиксируются герметиком. После чего крышку 5 устанавливают на корпус 8 и притягивают шпильками и гайками (на фиг. 2 не показаны). Прокладка готова к работе.
Для контроля герметичности через отверстие 7 создают либо вакуум, либо контрольное давление в полости, для чего в крышке 5 выполнено отверстие 10, соединяющее обе части прокладки с атмосферой. В рабочем состоянии снаружи отверстие в крышке 5 герметизируется пробкой 11 с уплотнительным кольцом из терморасширенного графита 12. При проверке герметичности прокладки вместо пробки вворачивается штуцер, к которому подключают контролирующие устройства, например гелиевый течеискатель. Подключив вакуумный насос к этому же штуцеру, осуществляется осушка полости прокладки от влаги через канал 10.
Промышленная применяемость
Техническое решение, согласно изобретению, может быть использовано для уплотнения защитных крышек контейнеров, предназначенных для транспортировки и/или длительного хранения радиоактивных материалов. Предложенное уплотнение обеспечивает герметичность защитных крышек контейнеров в нормальных и аварийных условиях эксплуатации в соответствии с соответствии с требованиями, предъявляемыми к контейнерам указанного назначения нормативными документами РФ и рекомендациями МАГАТЭ.