ИЗОЛИРУЮЩЕЕ ФЛАНЦЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ
ISOLATING FLANGE CONNECTION

Изобретение относится к трубопроводным соединительным устройствам и предназначено для секционирования и разделения на электроизолированные участки магистральных, промысловых, технологических, внутриобъектовых и других трубопроводов с номинальным диаметром от 50 до 600 мм и рабочим давлением до 10 МПа включительно.
Изолирующее фланцевое соединение (ИФС) может устанавливаться:
- в системах электрохимической защиты трубопроводов;
- на трубопроводах вблизи объектов, которые могут являться источниками блуждающих токов (трамвайные депо, силовые подстанции, ремонтные базы и т.п.);
- на трубопроводах - отводах от основной магистрали;
- для электрического разъединения изолированного трубопровода от неизолированных заземленных сооружений (газоперекачивающие, нефтеперекачивающие, компрессорные или водонасосные станции, промысловые коммуникации, артскважины, резервуары и др.);
- при соединении трубопроводов, изготовленных из различных металлов;
- для электрического разъединения трубопроводов от взрывоопасных подземных сооружений предприятий;
- на выходе трубопровода с территории поставщика и входе на территорию потребителя;
- на вводе тепловой сети к объектам, которые могут являться источниками блуждающих токов;
- на участках вводов и выводов ГРП (газораспределительные пункты) и ГРС (газораспределительные станции);
- для электрического отсоединения трубопроводов от подземных сооружений предприятий, на которых защита не предусматривается или запрещена ввиду взрывоопасности;
- в качестве электроизолирующих разъемных соединений (ЭИРС) в судостроении;
- в пневматических и гидравлических системах автоматического управления на железнодорожном транспорте;
- в системе жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) на трубопроводах горячего и холодного водоснабжения, артезианских скважинах;
- в других отраслях промышленности.
Известно фланцевое соединение на высокое давление с диэлектрическим разъемом трубопровода, повышающее стойкость к наружной коррозии и герметичность при высоких давлениях, содержащее фланцевую пару, соединенную между собой диэлектрической прокладкой и удлиненную с обеих сторон при помощи сварки стальными патрубками, во внутренней части которой установлена диэлектрическая трубка, создающая герметичность и электрический разъем по внутренней поверхности трубопровода, при этом диэлектрическая трубка по концам плотно прижата к внутренней поверхности фланцев с приварными патрубками с помощью сварки двумя металлическими наконечниками, причем длина диэлектрической трубки больше диаметра трубопровода, а стальные шпильки с гайками электрически изолированы от стальных фланцев с помощью диэлектрических вставок /1/.
Недостатком известного соединения является то, что оно при номинальных проходах DN≥50 не способно выдерживать давление свыше 6,3 МПа в условиях одновременного действия изгибающего и крутящего моментов и не учтенных факторов при эксплуатации ИФС, а именно скачков внутреннего давления (гидроудары) до 2,2 PN в течение расчетного срока службы (требования ПАО «Газпром» до 30 лет включительно), а также испытание на электрическую прочность переменным током напряжением 5000 В с частотой 50 Гц в течение не менее 1 мин (требование ПАО «Газпром»).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является электроизолирующее фланцевое соединение, содержащее диэлектрическую прокладку, зафиксированную между торцевыми фланцами трубопроводов посредством болтовых (шпилечных) пар с расположенными на них электроизолирующими элементами, образованными путем многослойной намотки ленты пористого политетрафторэтилена на болты (шпильки), которые размещены в отверстиях фланцев фланцевого соединения, а со стороны головок болтов и гаечного окончания предварительно установлены металлические и электроизолирующие из текстолита шайбы /2/.
Однако данное электроизолирующее фланцевое соединение не может использоваться в трубопроводах на высокое давление, где дополнительно действуют знакопеременные крутящиеся и изгибающиеся моменты и скачки внутреннего давления (гидроудары) до 2,2 PN в течение расчетного срока службы (требования ПАО «Газпром» до 30 лет включительно), а также не способно выдерживать испытание на электрическую прочность переменным током напряжением 5000 В с частотой 50 Гц в течение не менее 1 мин (требование ПАО «Газпром»).
Цель изобретения - расширение области применения по различным объектам при различных условных проходах и номинальных давлений и повышение надежности ИФС.
Поставленная цель достигается тем (см. фиг. 1), что ИФС содержит новую по конфигурации электроизолирующую прокладку 2, зафиксированную между фланцами 1 посредством шпилек (болтов) 6, с обеих сторон которых установлены металлические шайбы 5,электроизолирующие шайбы 4, примыкающие к фланцам, электроизолирующие втулки 3 и гайки 7, причем присоединительные поверхности фланцев 1 имеют проточенную канавку под прокладку овального (см. фиг. 2) сечения.
Сущность изобретения состоит в следующем. Для любых ИФС важной особенностью является их сборка и усилия затяжки гаек при их сборке. При затяжки гайки на ключе появляется крутящий момент трения:
р
где М - момент трения в резьбе, Н·м;
т
М - момент трения гайки и шайбы, Н⋅м.
Момент трения в резьбе (гайки и шпильки) определяется по зависимости:
где F - осевое усилие, действующее в шпильке при затяжке гайки (сила, действующая на прокладку), Н;
cp
d - средний диаметр резьбы гайки (шпильки), мм;
р - шаг резьбы, мм;
α - угол профиля резьбы;
- коэффициент трения материала гайки о материал шпильки (=0,37, если сборка ИФС производится без смазки крепежа; =0,26 - при использовании смазки) /3/.
Т.к. угол α для метрической резьбы постоянен, то =1,15ƒ.
Преобразуем зависимость (2) с учетом, что сборка ИФС производится без смазки резьбы:
Момент трения гайки и шайбы определяется по зависимости:
где r - средний радиус упорного пояска гайки, мм;
- коэффициент трения материала гайки о материал шайбы (для сталей без смазки =0,37) /3/.
Осевое усилие, действующее в шпильке при затяжке гайки, находится из условия:
oб
где F - сила, необходимая для обжатия прокладки, Н;
1
F - сила, обеспечивающая герметичность ИФС при номинальном (рабочем) давлении, Н;
2
F - сила, обеспечивающая герметичность ИФС при гидравлических испытаниях, Н;
PN
F - сила, действующая на шпильку при номинальном (рабочем) давлении, Н;
ги
F - сила, действующая на шпильку при гидравлических испытаниях, Н.
Сила, необходимая для обжатия прокладки, определяется следующим выражением:
где n - количество шпилек ИФС;
пp
D - средний диаметр прокладки, мм:
н
D - наружный диаметр прокладки, мм;
в
D - внутренний диаметр прокладки, мм;
0
b - эквивалентная эффективная ширина прокладки, мм;
0
g - удельное давление на прокладку при обжатии, Н/мм.
пp
Средний диаметр D для профильных (овальных) сечений определяется по таблицам в /3/.
Сила, обеспечивающая герметичность ИФС при номинальном (рабочем) давлении, вычисляется по зависимости:
где m - прокладочный коэффициент;
2
PN - номинальное (рабочее) давление, Н/мм.
Сила, обеспечивающая герметичность ИФС при гидравлических испытаниях, определяется зависимостью:
ги
2
где Р - давление при гидравлических испытаниях, Н/мм.
Сила, действующая на шпильку при номинальном (рабочем) давлении, вычисляется по формуле:
Сила, действующая на шпильку при давлении гидравлических испытаний, вычисляется по формуле:
0
0
Указания по определению эквивалентной эффективной ширины прокладки b, значения прокладочного коэффициента m, удельного давления на прокладку при обжатии g в зависимости от характеристик прокладок и использования рабочей среды в ИФС приведены в /3/.
Величина крутящего момента ИФС (статическая прочность ИФС на кручение) может быть выражена при помощи следующего уравнения:
кр
где М - величина статического момента до начала проскальзывания фланцев относительно прокладки, Н⋅мм;
- коэффициент трения фланца о прокладку;
Σ
F - суммарная сила сжатия прокладки (на одну шпильку), Н;
2(9)
D - диаметр уплотнительной поверхности фланца, мм;
1
d - внутренний диаметр фланца, мм;
z - коэффициент распределения нагрузки.
к
Коэффициент распределения нагрузки z учитывает неравномерность прижима от высокого значения около шпильки (болта) до низкого в центре расстояния между шпильками (болтами) и зависит от жесткости фланцев и расстояния (хорды) между шпильками (болтами). Для стальных фланцев, приварных встык, различия в усилии зажима по окружности будут незначительны, т.к. используется одно значение момента затяжки гаек ИФС М, поэтому принимаем z=1,0.
В зависимости (13) не учитывается площадь шпилек (болтов), т.к. это оказывает незначительное влияние на общую прочность при кручении.
Суммарная сила сжатия на прокладку в расчете на одну шпильку с учетом ослабляющего действия на прочность ИФС рабочего давления определяется по зависимости:
Σ
изг
пр
При действии внутреннего давления PN на ИФС при эксплуатации действуют осевая растягивающая сила F и изгибающий момент М. Тогда при определении усилий затяжки гаек следует вместо давления PN использовать приведенное давление Р:
изг
С учетом (15), определим силу, действующую на шпильку при совместном действии рабочего давления PN и изгибающего момента М:
Аналогично, с учетом (15), определим силу, действующую на шпильку, для обеспечения герметичности ИФС:
С учетом добавочных воздействий сил изгибающих моментов, действующих при эксплуатации ИФС на магистралях, уточним осевое усилие, действующее на шпильку:
На практике часто возникает вопрос: выдержат ли электроизолирующие прокладка и втулки совместное действие внутреннего давления, знакопеременных крутящего и изгибающего моментов и не учтенных факторов при эксплуатации ИФС, а именно скачков внутреннего давления (гидроудары) до 2,2PN? Это обстоятельство часто приводит к разрушению электроизолирующих прокладки и втулок, т.е. к нарушению герметичности и изоляционных свойств ИФС.
При использовании электроизолирующих прокладок и втулок из рафлона (используется при изготовлении рафлона нанотехнология) или других современных композиционных материалов и особенности сборки требование по прочности ИФС значительно повышается.
На чертеже (фиг. 1) приведена конструкция ИФС. Изолирующее фланцевое соединение содержит два фланца 1, электроизолирующую прокладку 2, 2n диэлектрических втулок 3, 2n шайб плоских электроизолирующих 4, 2n шайб плоских стальных, n шпилек 6 и 2n гаек.
Отличительная особенность заявляемого ИФС состоит в том, что в нем присоединительные поверхности торцевых фланцев 1 имеют проточенную канавку под прокладку овального (см. фиг. 2) сечения 2. Сами прокладки представляют цельнолитую (цельнопрессованную) конструкцию и могут изготавливаться из электроизолирующего материала, например из рафлона или других современных материалов. Их внешний диаметр равен внешнему диаметру фланца 1.
max
Использование при сборке электроизолирующих втулок 3 из рафлона или других современных композиционных материалов (см. фиг. 3) существенно повышает прочностные характеристики ИФС на величину вращающего момента по зависимости (13) и изгибающего момента (15) с учетом повышения прочности по зависимости (19). Причем электроизолирующие втулки 3 своими выступами при сборке устанавливаются с обеих сторон к электроизолирующей прокладке 2. После затяжки шпилек 6 гайками 7 по усилиям F, рассчитанным по приведенным выше зависимостям, электроизолирующая прокладка 2 будет зажата не только фланцами 1, но и электроизолирующими втулками 3, что обеспечивает их применение в различных областях на весь диапазон условных проходов и номинальных давлений с учетом совместного действия внутреннего давления, знакопеременных крутящего и изгибающего моментов и не учтенных факторов при эксплуатации ИФС, а именно скачков внутреннего давления (гидроудары) до 2,2PN в течение всего расчетного срока службы.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2162981, от 25.01.1999, МПК: F16L 25/00.
2. Патент Российской Федерации №2357146 от 09.01.2008, МПК: F16L 25/02.
3. РД ЭО 0198-2000. Техническое обслуживание и ремонт систем и оборудования АС. Сборка фланцевых соединений. Общие технические требования.