ФЛАНЦЕВЫЙ РАЗЪЕМ
FLANGE CONNECTOR

Изобретение относится к конструкции уплотнений фланцевых соединений большого диаметра, областью его применения являются установки и аппараты, предназначенные для работы при высоких температурах и давлениях, в том числе - в переменных режимах (например, ядерные энергетические установки), а преимущественно - главные циркуляционные насосные агрегаты (ГЦНА) для энергоблоков атомных электростанций.
Известен фланцевый разъем, примененный как главный разъем вертикального лопастного насоса, входящего в состав ГЦНА типа ГЦН-317 [см., например, Пак П.Н., Белоусов А.Я., Пак С.П. [см., например, Пак П.Н., Белоусов А.Я., Пак С.П. Насосное оборудование атомных станций - М.: Энергоатомиздат, 2003 - 450 с: С.81, 83 (Рис.4.14)], включающий два фланца, основную и вторичную прокладки, размещенные между фланцами, а также крепежные детали. Основная прокладка выполнена из металла (например, из аустенитной стали), а вторичная - из резины. Каждый узел крепления включает шпильку, набор тарельчатых пружин и гайку. Набор из нескольких десятков тарельчатых пружин установлен на шпильку с упором в ближний к гайке фланец для компенсации разницы тепловых расширений частей фланцевого соединения. Из-за использования основной прокладки из металла это устройство требует высоких усилий затяжки для обеспечения герметичности стыка, приводящих к повреждаемости уплотнительных поверхностей фланцев, что вызывает в процессе эксплуатации необходимость восстановления поверхностей разъема. Вторичная прокладка из резины предназначена не для обеспечения герметичности стыка, а для образования между прокладками и уплотнения полости контроля протечек главного разъема.
К недостаткам этого устройства относятся также значительная, в общем случае, трудоемкость процесса затяжки шпилек с помощью их предварительного растяжения, а также невозможность обеспечения полной равномерности и стабильности затяжки. Для исключения перетяжки шпилек и недопустимых пластических деформаций на металлической прокладке предварительное растяжение шпилек (например, с помощью гидравлических домкратов) производят не менее, чем двумя домкратами, установленными диаметрально противоположно, растягивая каждую шпильку за несколько (до трех) этапов, с последующей довытяжкой отдельных шпилек до требуемого удлинения в пределах заданного допуска. Значительный разброс (по геометрическим и прочностным характеристикам) отдельных наборов тарельчатых пружин требует предварительного тарирования каждого набора и последующего комплектного его использования. Использование тарельчатых пружин обуславливает (при эксплуатации) нестабильность затяжки со временем из-за релаксации в условиях рабочих температур, а также в переменных режимах (в частности, разогрев - расхолаживание и подъем - снижение давления) из-за гистерезиса усилия при загрузке и разгрузке разъема, вызванного контактно-фрикционными силами между тарельчатыми пружинами.
7
Известен фланцевый разъем [патент РФ 2191940: МПК F16J 15/02. - Опубл. 27.10.2002, Бюл. №30], включающий два фланца, крепежные элементы и основную и вторичную прокладки с элементами из расширенного графита, размещенные между фланцами и установленные на одном уровне. Высота элемента из расширенного графита превышает высоту любого из остальных элементов прокладки. Обе прокладки размещены в кольцевых каналах на торцовой поверхности одного из фланцев, причем глубина каналов меньше высоты элементов из расширенного графита. Плотность расширенного графита в основной прокладке выше плотности расширенного графита во вторичной прокладке. Преимуществами прокладок из расширенного графита являются высокие пластичность и упругость, что обеспечивает, в частности, снижение (по сравнению с металлическими прокладками) усилий затяжки и требований к уплотнительным поверхностям, а также термостойкость и экологическая чистота. Из описания изобретения следует, что крепежные элементы каждого узла крепления образуют в частном случае болтовое соединение. Недостатком этого устройства является невозможность, в общем случае, восприятия вторичной прокладкой рабочего давления уплотняемой среды (например, теплоносителя первого контура ядерного реактора) при отказе основной прокладки.
Задача, решаемая изобретением, состоит в увеличении удобства эксплуатации фланцевого разъема (в частности, в упрощении затяжки крепежных элементов за счет снижения трудоемкости и сокращения длительности этого процесса) при повышении его надежности. Среди технических результатов изобретение обеспечивает (во всех случаях испрашиваемого объема правовой охраны),
во-первых, увеличение количества шпилек, которые целесообразно одновременно растягивать при заданной равномерности (величине допуска) их удлинения,
во-вторых, уменьшение числа этапов предварительной затяжки шпилек при заданной равномерности (величине допуска) их удлинения и упрощение каждого этапа,
в-третьих, увеличение равномерности усилий, создаваемых шпильками фланцевого разъема при его предварительной затяжке и во время работы, а также повышение стабильности этих усилий,
в-четвертых, увеличение числа равноценных барьеров на возможном пути утечки уплотняемой среды через фланцевый разъем.
В частном случае выполнения изобретение обеспечивает одинаковую, по существу, скорость накопления усталостных повреждений у шпильки и втулки каждого узла крепления.
В качестве решения задачи предлагается фланцевый разъем, включающий два фланца, основную и вторичную прокладки с элементами из расширенного графита, установленные между фланцами в одной, по существу, плоскости с размещением в кольцевых каналах, причем у каждой из прокладок высота недеформированного элемента из расширенного графита выполнена большей высоты любого из остальных элементов этой прокладки, а также глубины охватывающего ее кольцевого канала, и крепежные элементы, который от прототипа отличается тем, что
каждый узел крепления содержит шпильку с гайкой и втулку, охватывающую шпильку и установленную на последнюю с упором в ближний к гайке фланец,
при этом указанные крепежные элементы, прокладки и каналы выполнены с возможностью полного соприкосновения контактирующих поверхностей фланцев в процессе обжатия прокладок в результате затяжки не более половины шпилек на усилие, соответствующее установлению в этих шпильках номинального усилия затяжки после затяжки остальных шпилек и с возможностью получения при этом одинаковой плотности у элементов из расширенного графита.
В частных случаях шпилька и втулка в каждом узле крепления могут быть выполнены из одинакового материала и с одинаковой площадью поперечного сечения (то есть равнопрочными с точки зрения усталостных повреждений), а кольцевые каналы - на торцовой поверхности одного из фланцев.
На чертеже показана часть осевого сечения фланцевого разъема, расположенная левее оси симметрии сечения (для случая главного разъема вертикального лопастного насоса в составе ГЦНА).
Фланцевый разъем включает фланец 1 корпуса насоса и фланец 2 выемной части насоса, основную прокладку 3 и вторичную прокладку 4, а также крепежные элементы.
Обе прокладки 3 и 4 установлены между фланцами 1 и 2 на одном уровне (по существу, в одной плоскости) с размещением в кольцевых каналах на торцовой поверхности нижнего (в данном частном случае) фланца 1. У каждой из прокладок 3 и 4 высота недеформированного элемента из расширенного графита выполнена большей высоты любого из остальных элементов этой прокладки (в масштабе чертежа элементы, составляющие прокладки, не выделены), а также глубины охватывающего эту прокладку кольцевого канала. Масса прокладок 3 и 4 и объем соответствующих кольцевых каналов выполнены с возможностью получения (в процессе обжатия прокладок) одинаковой плотности у элементов из расширенного графита каждой из прокладок после полного соприкосновения контактирующих поверхностей фланцев 1 и 2.
Крепежные элементы составляют узлы крепления, каждый из которых содержит шпильку 5, одним концом ввернутую в резьбовые отверстия фланца 1, и гайку 6, навернутую на противоположный конец этой шпильки 5, а также втулку 7, охватывающую шпильку 5 и установленную на последнюю с упором в ближний к гайке 6 (по направлению оси шпильки 5) верхний (в данном частном случае) фланец 2. Применение указанных втулок позволяет снизить коэффициент основной нагрузки путем увеличения податливости шпилек. Для уменьшения напряжений изгиба верхний торец втулки 7 выполнен сферической формы и предназначен для взаимодействия со сферической шайбой 8. Шпильки 5 и втулки 7 целесообразно выполнять из одинакового материала, имеющего предел прочности выше предела прочности материала каждого из фланцев 1 и 2, и с одинаковой площадью поперечного сечения.
С фланцевым разъемом работают следующим образом. В процессе сборки основную 3 и вторичную 4 прокладки размещают в кольцевых каналах на торцовой поверхности фланца 1. На каждую шпильку 5, ввернутую в резьбовое отверстие фланца 1, устанавливают втулку 7, сферическую шайбу 8 и навертывают гайку 6. При этом втулку 7 центрируют за счет, например, скользящей посадки по резьбе шпильки 5, а окончательно - за счет сферической шайбы 8 с аналогичной посадкой. Необходимые для уплотнения фланцевого разъема усилия создают путем удлинения шпилек 5. Для предварительного растяжения в стесненных и неудобных условиях на месте эксплуатации ГЦНА наиболее целесообразно применять растягивающее устройство в виде съемного гидравлического домкрата (отдельно для каждой шпильки 5). Это позволяет, в частности, совместить обслуживание главного разъема (причем, без использования основного грузоподъемного оборудования энергоблока) с другими работами на данном ГЦНА. Применяемый одновременно для группового растяжения комплект одинаковых домкратов должен быть снабжен общим источником подачи рабочей жидкости. Число домкратов в этом комплекте на практике может быть принято равным половине, трети или четверти общего числа шпилек (в зависимости, в частности, от кратности общего числа шпилек двум, трем или четырем).
На первом этапе предварительной затяжки, установив съемные гидравлические домкраты (на чертеже не показаны) на первую группу шпилек 5 фланцевого разъема и воздействуя на них с помощью домкратов, производят одновременное растяжение этой группы шпилек 5 (не более половины их общего числа) на величину удлинения, соответствующего установлению в этих шпильках номинального усилия затяжки (в общем случае, после проведения затяжки остальных шпилек 5). Навернув гайки 6 на шпильки 5 первой группы до упора сферических шайб 8 во втулки 7, прекращают воздействие гидравлических домкратов на указанные шпильки 5. После этого осевое усилие, возникшее за счет удлинения каждой из шпилек 5, воздействует на гайку 6 и передается (через сферическую шайбу 8, втулку 7, верхний фланец 2) на элементы из расширенного графита каждой из прокладок 3 и 4, упруго деформируя их. При полном соприкосновении контактных поверхностей фланцев 1 и 2 каждая из прокладок 3 и 4 заполняет объем соответствующего канала, а элемент прокладки из расширенного графита приобретает плотность (причем, одинаковую у обеих прокладок), необходимую для обеспечения плотности и герметичности стыка фланцевого разъема. При выходе из строя основной прокладки 3 сохранить работоспособность фланцевого разъема позволит прокладка 4 с той же плотностью элемента из расширенного графита. На втором этапе, установив съемные гидравлические домкраты на следующую группу шпилек 5, аналогично производят растяжение второй группы шпилек 5 на величину удлинения, соответствующего установлению в этих шпильках номинального усилия затяжки (в общем случае, после проведения затяжки остальных шпилек 5). Поскольку на втором этапе вытяжку производят уже при полном соприкосновении контактных поверхностей соединяемых фланцев 1 и 2, то при достаточно большой жесткости этих фланцев взаимное влияние шпилек 5 будет пренебрежимо малым, а поэтому величина затяжки шпилек 5 первой группы не изменится.
Если группа одновременно растягиваемых шпилек включают половину от общего числа шпилек, то процесс затяжки заканчивается на втором этапе, если же - треть, то конечным станет третий этап. На любом этапе растяжение каждой из шпилек 5 производят однократно (исключена необходимость в последующей корректировки путем довытяжки), что обусловлено практической идентичностью как шпилек 5, так и втулок 7. В частности, втулки 7 достаточно просто изготовить (в отличие от длительного и сложного процесса изготовления тарельчатых пружин), причем с одинаковыми, по существу, геометрическими размерами и прочностными характеристиками (в отличие от наборов тарельчатых пружин). Применение комплекта таких втулок 7 обеспечивает на любом этапе как равномерность затяжки шпилек 5, так и возможность контроля усилия затяжки каждой шпильки 5 по давлению рабочей жидкости в соответствующем гидравлическом домкрате. Использование для этого предварительно полученной зависимости удлинения шпильки от давления значительно уменьшает длительность уплотнения фланцевого разъема.
При эксплуатации с переменными режимами (в частности, разогрев - расхолаживание и подъем - снижение давления) применение втулок 7 обеспечивает стабильность затяжки шпилек 5, а выполнение втулок 7 и шпилек 5 из одинакового материала и с одинаковой площадью поперечного сечения - обоснованность одновременной замены пары шпилька-втулка после накопления усталостных повреждений.
Следует также отметить, что применение втулок 7 уменьшает общее количество, массу и стоимость крепежных элементов в каждом узле крепления фланцевого разъема.