КОМПАКТНЫЙ ФЛАНЕЦ

Полезная модель относится к машиностроению и предназначена для соединения труб в различных конструкциях в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, на платформах и при добыче на континенте, а также в перерабатывающей промышленности, атомных электростанциях и других отраслях.
Известно фланцевое соединение трубопроводов (Авторское свидетельство СССР №329343, кл. F 16 L 23/00, 1972.1), содержащее соединяющие трубопроводы фланцы, в торцевой поверхности которых имеется кольцеобразная канавка с уплотнительным кольцом.
Недостатком известного фланцевого соединения является невозможность повторного использования фланцев в случае выхода из строя самих трубопроводов.
Известно фланцевое соединение трубопроводов (Авторское свидетельство СССР №375864, кл. F 16 L 23/00, 1973), содержащее соединяемые трубопровод с фланцевым поясом и поворотное кольцо, на внутренней поверхности которого образован опорный пояс с противоположно расположенными на нем вырезами.
Недостатком известного фланцевого соединения является то, что опорный пояс поворотного кольца не сплошной (имеет противоположно расположенные на нем вырезы), и поэтому фланцевое соединение трубопроводов, особенно с отбортовкой на соединяемых торцах, имеет низкую надежность, из-за невозможности прижима отбортовок в местах противоположных вырезов опорного пояса поворотного кольца.
Известно фланцевое соединение трубопроводов (Авторское свидетельство СССР №974018, кл. F 16 L 23/00, 1982), содержащее трубопровод с фланцем (фланцевым поясом) и (поворотное) прижимное кольцо с внутренним вырезом, выполненным в виде сочетания двух усеченных эллипсов, имеющих общую ось и общий центр.
Недостатком известного устройства является то, что опорный пояс (поворотного) прижимного кольца не сплошной (имеет вырез, выполненный в виде сочетания двух усеченных эллипсов имеющих общую ось и общий центр), и поэтому фланцевое соединение трубопроводов, особенно с отбортовкой на соединяемых торцах, имеет низкую надежность из-за невозможности прижима отбортовок торцов трубопроводов в местах фигурных эллипсных вырезов прижимного кольца (или опорного пояса прижимного кольца).
Известно выполнение прижимной втулки (фланца) уплотнения (Патент США №1486708, 11.03.1924), в виде двух взаимозаменяемых деталей с центральным отверстием и периферийными отверстиями под стяжные болты. Вместе детали втулки (фланца) удерживаются внешней направляющей втулкой уплотнителя и сложными профильными направляющими, выполненными перпендикулярно разрезу втулки (фланца). Стяжные болты (резьбовые соединения) служат как для зажима уплотнителя во втулке, так и для удержания вместе деталей втулки (наряду со втулкой и профильными направляющими).
Недостатком известного устройства является то, что оно предназначено для удержания в рабочем состоянии уплотнителя и его быстрой смены (без разборки оборудования), и это не позволяет применять его для фланцевого соединения трубопроводов. Кроме того, известное устройство материалоемко и требует значительных материальных и временных затрат для своего изготовления (из-за сложности своей конструкции и, особенно, профильных направляющих).
Наиболее близким аналогом - прототипом заявленной полезной модели, является "Фланец для труб, снабженных на концах буртами" (Авторское свидетельство СССР №61960, кл. F 16 L 23/02, 29.11.1940), содержащий две взаимозаменяемые шайбы с центральными отверстиями, и периферийными отверстиями под стяжные болты, причем каждая шайба снабжена отверстием, очерченным по кривой, образованной сопряжением дуги, описанной из центра шайбы радиусом, равным наружному радиусу трубы, и эксцентричной с ней дуги, радиус которой примерно равен радиусу бурта трубы, что дает возможность завести бурт в отверстие шайбы и плотно охватить каждой шайбой трубу на половине ее окружности. Причем одна половина каждой из составляющей фланца шайб имеет вдвое меньшую толщину, чем вторая половина для того, чтобы выступающая часть одной шайбы (более толстая) была при сборке сопряжена со впадиной (тонкой частью) второй шайбы.
Недостатком прототипа является его громоздкость, недостаточный диапазон применения по температурным режимам и по давлению, а также сложность монтажа.
Указанные недостатки ставят задачу упрощения конструкции устройства, технологии ее сборки, повышения надежности и расширения режимов эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что компактный фланец выполнен в виде втулки с отверстием в центре, с крепежными отверстиями по окружности от центра и кольцевой канавкой под уплотнительное кольцо, где кольцевая канавка выполнена трехгранной, торцевая поверхность с кольцевой канавкой имеет выпуклый скос с наивысшей точкой, примыкающей к отверстию в центре, и наружную фаску по наружному диаметру фланца, тыльная поверхность фланца выполнена параллельной торцевой поверхности, уплотнительное кольцо, расположенное в канавке, выполнено металлическим и имеет в сечении фигурный профиль,
внутренний диаметр канавки расположен на уровне внешнего диаметра соединительной трубы. Материал уплотнительного кольца обладает упругими характеристиками, присущими пластику, уплотнительное кольцо, расположенное в канавке, может иметь в сечении фигурный восьмигранный профиль, болты выполнены предварительно напряженными, а переход между фланцем и трубой выполнен эллипсным.
На фиг.1 изображен общий вид компактного фланца с уплотнительным кольцом; на фиг.2 изображен разрез фланца перед сборкой, где 1 - компактный фланец, 2 - уплотнительное кольцо, 3 - сварная канавка, 4 - болт, 5 - гайка, 6 - зазор между фланцами, на фиг.3 показано взаимное расположение компактного фланца 1 с уплотнительным кольцом 2.
Предлагаемый компактный фланец - это более легкое по весу болтовое соединение, обладающее высокой прочностью и улучшенными усталостными характеристиками.
Конструкция фланца обеспечивает полный эффект герметичности при статических и динамических нагрузках. Срок службы по критерию усталости металла у предложенного компактного фланца выше, чем у привариваемой к нему трубы.
Высокие эксплуатационные характеристики фланца достигаются благодаря уникальному материалу, из которого изготовлен фланец, геометрии его конструкции и использованию контакта «металл по металлу». Материал для изготовления фланца обладает упругими характеристиками, присущими пластику.
Использование предварительно напряженных болтов позволяет исключить регулировку и подтяжку болтов в процессе работы соединения.
Существенной отличительной особенностью заявленного компактного фланца является геометрия конструкции его торцевой поверхности. Торцевая поверхность имеет слегка выпуклый скос с наивысшей точкой, так
называемой пяткой, примыкающей к отверстию и небольшую наружную фаску по наружному диаметру фланца.
В процессе сборки фаска перекрывается, тем самым обеспечивается плотный контакт частей фланца. Предварительное натяжение болтов передается главным образом между поверхностями фланцев на пятку, и лишь небольшое сжимающее усилие передается через наружную фаску. Тыльная поверхность фланца параллельна торцевой поверхности фланца для предотвращения изгиба болтов в собранном состоянии.
Уплотнительное кольцо фланцевого соединения - это гибкое металлическое кольцо, расположенное в канавке. Внутренний диаметр канавки расположен на уровне внешнего диаметра соединительной трубы. При эксплуатации наружная фаска выполняет функции внешнего барьера и препятствует контакту торцевых поверхностей и болтов с наружной средой. Для обеспечения коррозийной стойкости уплотнительного в конструкции применен широкий спектр покрытий. При этом уплотнительное кольцо одного диаметра пригодно для целого класса давлений.
Использование технологии уплотнения «металл по металлу» в сочетании с подбором материала с определенными пластическими свойствами создают эффект самоуплотнения для выбранной геометрической формы уплотнительного кольца.
Особенностью конструкции является то, что лишь небольшая часть затяжки соединения передается через гибкое уплотнительное кольцо. Плотный контакт частей фланца после сборки и небольшой скос на передней части фланца обеспечивают неподвижное состояние всех частей фланцевого соединения относительно друг друга в процессе эксплуатации. Кроме того, эллипсный переход между фланцем и трубой способствует снижению концентрации напряжений в сборке и в эксплуатации.
Конструкция предложенного компактного фланца такова, что динамическая нагрузка с соединении не передается на болты, поэтому болты не подвержены усталостному разрушению.
Соединение работает как жесткий монолит в пределах расчетных нагрузок, поскольку отсутствует относительное смещение поверхностей фланцев друг относительно друга при любых нагрузках в расчетных режимах эксплуатации.
Особенности конструкции и материалов фланца обеспечивают следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- повышенная защита против утечек, сравнимая со сварным швом трубопровода,
- высокая надежность и коррозионная стойкость,
- длительный ресурс,
- уменьшенные габаритные размеры и вес,
- повышенная механическая прочность,
- легкая и быстрая сборка,
- снижение затрат на обслуживание,
- многократное использование уплотнительного кольца,
- широкий рабочий диапазон температур от -750 С до +720 С без дополнительного перетягивания болтов.