ФЛАНЦЕВАЯ МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПРОКЛАДКА
FLANGE METAL GASKET

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в соединениях трубопроводов, фонтанных арматурах нефтяных и газовых скважин, находящихся под внутренним давлением жидких и газообразных сред.
Известно фланцевое соединение трубопроводов (SU 329343, F16L 23/00, публ. 01.01.1972), включающее эластичное тороидальное уплотнение, установленное в кольцевой камере, образованной кольцевыми канавками трапецеидального профиля, на фланцах, соединяемых между собой.
Такое фланцевое соединение не может обеспечить надежную герметизацию, так как тороидальное уплотнение не вписывается в кольцевые канавки, и для заполнения объема канавок фланцев материалом уплотнения потребуется значительная его деформация, что приведет к ее разрушению.
Известно уплотнение фланцевого соединения (SU 1460493, публ. 23.02.1989), содержащее уплотнительное кольцо из эластичного материала, установленное в кольцевой камере, образованной кольцевыми канавками трапецеидального профиля на фланцах, при этом канавки на фланцах выполнены с проточками прямоугольного профиля в донной их части, а уплотнительное кольцо - с центрирующими торцевыми участками соответствующего проточкам профиля, причем эти торцевые участки имеют большую жесткость, чем остальная часть кольца.
Такому уплотнению фланцевого соединения свойственны те же недостатки, что и вышеприведенному. Кроме того, оба соединения в силу наличия эластичного уплотнения не предназначены для герметизации среды высокой температуры и давления. Единственной альтернативой в этом случае являются металлические уплотнения (кольца АРМКО). Применение металлических уплотнений дает возможность обеспечения герметичности при условном давлении в диапазоне от 6,3 до 138 МПа при температуре от -70°C до +600°C. Эти уплотнения представляют собой механически обработанное кольцо с различным профилем в поперечном сечении.
Как известно, прокладочные материалы должны обладать упругостью, стойкостью к среде, в которой работают, сохранять свои физические свойства при рабочей температуре среды и не подвергаться коррозии. При использовании металлических прокладок металл не должен пластически деформировать уплотняющие поверхности фланца, поэтому металл прокладок должен иметь твердость и предел текучести ниже, чем металл уплотняемых поверхностей фланцев. Основные материалы, из которых изготавливают такие уплотнения - нержавеющая сталь, углеродистая сталь, алюминий, монель, никель, инконель, титан, медь. Важное требование при выборе материала уплотнительной прокладки - его твердость должна быть ниже твердости фланцев, чтобы не деформировать фланцевые поверхности при сжатии прокладки. При затяжке фланцев под сжимающей нагрузкой болтов фланцевого соединения прокладки пластически деформируются и заполняют микронеровности паза фланца. Поэтому рабочие поверхности канавок фланцев и металлических прокладок должны быть обработаны до шероховатости 1,6 мкм. Высокая чистота обработки обусловлена необходимостью, - чем она выше, тем плотнее сопрягаемые детали прилегают друг к другу и тем выше качество соединения.
Известно разъемное фланцевое соединение (SU 1638422 А1, публ. 30.03.1991), которое содержит фланцы и две втулки, запрессованные в полость этих фланцев. Наружная поверхность втулок выполнена конической и является внутренней частью пазов под уплотнительное кольцо. Угол наклона конуса втулок выполнен меньше угла наклона конуса наружной части пазов, что обеспечивает равную плотность. Площадь выточек на внутренних торцах втулок выполнена больше площади их торцов со стороны разъема и стыка фланцев. При затяжке соединения это обеспечивает поджим уплотнительного кольца втулками дополнительным усилием от давления среды сверх усилий начальной затяжки.
Указанное фланцевое соединение имеет сложную конструкцию, поскольку для образования паза под уплотнительное кольцо в каждом фланце установлены соответствующие втулки. Такая конструкция может быть применена только в случае ремонта фланцев соединения, когда реставрация паза под уплотнительное кольцо не может быть осуществлена в существующих фланцах соединения.
Известно фланцевое соединение деталей (RU 2224941 С2, публ. 27.02.2004), содержащее стандартную металлическую прокладку и эластичное защитное кольцо, установленное с натягом на внутреннюю поверхность металлической прокладки. Изобретение направлено на защиту металлической прокладки от воздействия рабочей среды.
Однако изобретение имеет ограниченное применение, поскольку защитное кольцо выполнено из эластичного материала, а поэтому использование изобретения напрямую связано с температурой рабочей среды.
Наиболее близкой по своей технической сущности по отношению к заявляемому изобретению является фланцевая металлическая прокладка в форме тороидального кольца, образованного вращением овала или многогранника около оси, лежащей в их плоскости и не пересекающей их, содержащего диаметрально расположенные внешние и внутренние уплотнительные поверхности, взаимодействующими с соответствующими уплотняемыми поверхностями кольцеобразной камеры, образованной фланцами разъемного соединения (US 2004/0150226 A1, публ. 05.08.2004).
Прокладки овального и многогранного сечения изготавливаются исключительно из металла, поэтому для исключения повреждения уплотнительных поверхностей фланцев твердость прокладок должна быть ниже твердости сопрягаемых деталей. При затяжке фланцев происходит соприкосновение уплотнительных поверхностей прокладки с уплотняемыми поверхностями кольцеобразной камеры во фланцах. В результате этого обеспечивается герметичность фланцевого соединения. Однако повторное использование таких прокладок не рекомендуется, поскольку их упругость очень мала. В этом случае для достижения герметичности потребуется более плотное затягивание фланцевого соединения, что неминуемо приводит к повреждению уплотнительных поверхностей фланцев. С учетом одноразового применения их замена и утилизация вызывает значительные затраты.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать такую конструкцию фланцевой металлической прокладки, которая обеспечивала бы повышенную надежность и герметичность фланцевого разъемного соединения, а также возможность ее многократного использования при незначительных затратах на восстановление ее уплотнительных свойств.
Технический результат достигается тем, что на фланцевой металлической прокладке в форме тороидального кольца, образованного вращением овала или многогранника около оси, лежащей в их плоскости и не пересекающей их, содержащего диаметрально расположенные внешние и внутренние уплотнительные поверхности, взаимодействующие с соответствующими уплотняемыми поверхностями кольцеобразной камеры, образованной фланцами разъемного соединения, согласно изобретению на уплотнительных поверхностях тороидального кольца выполнены углубления под пластичный уплотнитель, расположенный на уплотнительных поверхностях тороидального кольца и перекрывающий эти углубления, при этом углубления под пластичный уплотнитель выполнены в виде ряда кольцевых канавок, последовательно примыкающих одна к другой с образованием в поперечном сечении тороидального кольца пилообразного профиля.
Углубление уплотнительных поверхностей тороидального кольца может быть выполнено в виде сетчатого рифления.
Технический результат достигается также тем, что пластичный уплотнитель выполнен в виде ленты пористого политетрафторэтилена толщиной от 0,6 мм до 2 мм и пористостью в пределах 35-60%.
Целесообразно на одной из поверхностей ленты пористого политетрафторэтилена нанести незасыхающий клеевой слой.
2
Пластичный уплотнитель может быть выполнен из фольги терморасширенного графита с плотностью в пределах 0,7-1,3 г/см и толщиной в пределах 0,3-0,6 мм.
Фольга терморасширенного графита может быть выполнена в виде гофрированной ленты.
Целесообразно тороидальное кольцо с пластичным уплотнителем в виде фольги расширенного графита обмотать по спирали лентой пористого политетрафторэтилена, при этом каждый следующий виток спирали ленты пористого политетрафторэтилена частично перекрывает предшествующий ему виток.
В этом случае толщину ленты пористого политетрафторэтилена следует выполнить в пределах 0,045-0,25 мм, а ее пористость - в пределах 35-60%.
Пластичный уплотнитель может быть предварительно частично внедрен в углубления уплотнительных поверхностей тороидального кольца.
Отличительная особенность заявляемой фланцевой металлической прокладки в форме тороидального кольца состоит в том, что на уплотнительных поверхностях тороидального кольца выполнены углубления под пластичный уплотнитель, расположенный на уплотнительных поверхностях тороидального кольца и перекрывающий эти углубления, что исключает любую возможность повреждения уплотняемых поверхностей фланцев разъемного соединения, обеспечивает надежное сцепление пластичного уплотнителя с уплотнительными поверхностями тороидального кольца, исключает возможность выдувания пластичного уплотнителя рабочей средой и обеспечивает возможность многократного использования фланцевой металлической прокладки при незначительных затратах на восстановление ее уплотнительных свойств путем замены поврежденного пластичного уплотнителя на новый при разборке фланцевого соединения. Кроме того, обеспечивается более плотное соединение фланцев, которое сможет работать при больших параметрах рабочей среды.
Эти и другие особенности заявляемого изобретения будут приведены ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
фиг.1 - уплотнение разъемного соединения;
фиг.2 - фланцевая металлическая прокладка с пластичным уплотнителем из ленты пористого политетрафторэтилена;
фиг.3 - разрез А - А (фиг.2);
фиг.4 - фланцевая металлическая прокладка с сетчатым рифлением на тороидальном кольце;
фиг.5 - вид Б (фиг.3);
фиг.6 - вид Б (фиг.3) - вариант;
фиг.7 - вид Б (фиг.3 -) с частично внедренным уплотнителем.
Предлагаемая фланцевая металлическая прокладка 1 в форме тороидального кольца 2, образованного вращением овала 3 или многогранника 4 около оси, лежащей в их плоскости и не пересекающей их, предназначена для уплотнения (фиг.1) фланцев 5 и 6 (исполнение семь по ГОСТ 12815-80) разъемного соединения сосудов высокого давления, арматуры, трубопроводов, насосов, оборудования нефте- и газодобычи. Заявляемая прокладка может применяться и в других отраслях промышленности.
Фланцевая металлическая прокладка 1 установлена в кольцеобразной камере 7, образованной фланцами 5 и 6 разъемного соединения. Кольцеобразная камера 7 может быть образована овалом 8 либо многогранником 9 (квадрат, восьмиугольник, трапеция и т.д.), эквивалентным поперечному сечению тороидального кольца 2. На фиг.1 условно показаны два вида фланцевой металлической прокладки: овальная и восьмиугольная. Тороидальное кольцо 2 фланцевой металлической прокладки 1 (фиг.1, 2) содержит диаметрально расположенные внешние 10 и внутренние 11 уплотнительные поверхности, взаимодействующими с соответствующими уплотняемыми поверхностями 12 и 13 кольцеобразной камеры 7. На уплотнительных поверхностях 10 и 11 тороидального кольца 2 выполнены углубления в виде ″оспин″, которые могут быть получены как механическим, так и электроискровым способом, под пластичный уплотнитель 14, расположенный на уплотнительных поверхностях 10 и 11 тороидального кольца 2 и перекрывающий эти углубления.
Целесообразно эти углубления выполнить в виде ряда кольцевых канавок 15 (фиг.3) либо в виде сетчатого рифления 16 (фиг.4). При этом кольцевые канавки 15 последовательно примыкают одна к другой с образованием в поперечном сечении тороидального кольца 2 пилообразного профиля 17 (фиг.5, 6, 7). Углубления на уплотнительных поверхностях тороидального кольца могут быть выполнены любым другим способом с получением профиля углублений, обеспечивающих проникновение пластичного уплотнителя 14 в эти углубления, и надежного соединения с ними при герметизации фланцевого соединения.
Пластичный уплотнитель 14 может быть выполнен из ленты 18 пористого политетрафторэтилена толщиной в пределах от 0,6 мм до 2 мм и пористостью 35-60%. Меньшее значение толщины ленты и пористости пористого политетрафторэтилена применяется для фланцевых металлических прокладок диаметром до 150 мм. При диаметре фланцевой металлической прокладки в один и более метр применяют ленту пористого политетрафторэтилена толщиной 2 мм и пористостью 65%. Высокая пористость позволяет снизить усилие затяжки фланцевого соединения. При пористости 35% и при пористости 65% в результате сжатия при затяжке фланцев разъемного соединения пластичного уплотнителя из политетрафторэтилена возникает облитерация - процесс, результатом которого является исчезновение пор (полостей) в пластичном уплотнителе. При высокой пористости облитерация возникает при большем значении толщины сжимаемого материала.
2
Для обеспечения удобства размещения пластичного уплотнителя 14 из ленты 18 пористого политетрафторэтилена на уплотнительных поверхностях тороидального кольца 2 целесообразно на одной из поверхностей ленты нанести незасыхающий клеевой слой. В этом случае упрощается процесс размещения пластичного уплотнителя на тороидальном кольце. Пластичный уплотнитель из пористого политетрафторэтилена может применяться при температуре рабочей среды до 260°C. При больших значениях температуры рабочей среды в качестве пластичного уплотнителя применяют фольгу терморасширенного графита 19 с плотностью 0,7-1,3 г/см и толщиной в пределах 0,3-0,6 мм. Указанные пределы плотности фольги терморасширенного графита обеспечивают ее высокую упругую деформацию, достигающую 10% от исходной высоты, что позволяет компенсировать ослабление фланцевого соединения при колебании параметров рабочей среды.
Для фланцевых металлических прокладок небольшого диаметра пластичный уплотнитель из терморасширенного графита может быть выполнен в виде цельного кольца либо из отдельных частей с перекрытием стыков этих частей. Для фланцевых металлических прокладок значительного размера такой способ изготовления пластичного уплотнителя из терморасширенного графита в силу его неудобства неприемлем. Поэтому в этом случае в качестве пластичного уплотнителя используют гофрированную ленту из терморасширенного графита. Наличие гофр позволяет без особых затруднений адаптировать такую ленту к любой кривизне уплотнительной поверхности тороидального кольца. Гофры такой ленты сглажены (уменьшается их высота) по наружной кромке гофрированной ленты и сближаются по внутренней кромке гофрированной ленты. За счет этого вершины гофр приобретают радиальную направленность, а градиент линейной плотности формируется в радиальном направлении, что способствует более высокому качеству герметизации. Для удобства установки терморасширенного графита на уплотнительную поверхность тороидального кольца ее потребительские характеристики могут быть улучшены путем нанесения незасыхающего клея, как и в случае применения в качестве пластичного уплотнителя ленты из пористого политетрафторэтилена. Поскольку заявляемая фланцевая металлическая прокладка может работать при весьма высоком давлении, то для предохранения терморасширенного графита от разрушения в этом случае целесообразно в терморасширенный графит вводить металлический армирующий элемент в виде металлической фольги. Выбор материала армирующего элемента определяется уплотняемой рабочей средой и ее параметрами. Толщина армирующего элемента находится в пределах 0,02-0,1 мм. При толщине менее 0,02 мм влияние армирующего элемента на прочностные характеристики терморасширенного графита практически не влияет, а при толщине более 0,1 мм жесткость терморасширенного графита усложняет его укладку на уплотнительной поверхности тороидального кольца. Наиболее предпочтительной является армирующая металлическая фольга толщиной 0,05 мм, которая позволяет получить гофрированную ленту из терморасширенного графита, обладающую высокой прочностью и упругостью.
В терморасширенном графите всегда присутствуют сера и хлориды. В процессе эксплуатации всегда имеет место контакт между уплотняемой рабочей средой (вода и водяной пар) и терморасширенным графитом уплотнительной прокладки. Поэтому при их контакте с вышеуказанной рабочей средой образуется раствор с кислой реакцией. Этот раствор вызывает разрушение уплотняемой поверхности фланцев и уплотнительной поверхности прокладки. С целью исключения нежелательных последствий терморасширенный графит плакируют лентами 20 пористого политетрафторэтилена.
При этом плакирование целесообразно осуществлять двумя слоями политетрафторэтилена разной пористости. Внутренний слой со стороны терморасширенного графита - лентой с пористостью 35-45%, а наружный - с пористостью 50-60%. Двухслойное плакирование определяется свойствами пористого политетрафторэтилена. Плакирование одной лентой с пористостью 50-60% позволяет получить прочное сцепление витков ленты между собой, но не исключен контакт уплотняемой среды с терморасширенным графитом. Лента с пористостью 30-40% при трехслойной намотке исключает контакт уплотняемой среды с терморасширенным графитом, но не обеспечивает надежного сцепления витков ленты между собой. Двухслойное плакирование политетрафторэтиленом заявляемой пористости позволяет исключить отрицательные свойства - возможность разрушения терморасширенного графита от воздействия на него уплотняемой среды и позволяет получить прочное соединения витков ленты политетрафторэтилена между собой.
Плакирование осуществлено путем обвивки тороидального кольца лентами пористого политетрафторэтилена с частичным перекрытием каждого предшествующего витка спирали. При этом каждый слой плакирующей оболочки, в свою очередь, образован 3-5 витками полос политетрафторэтилена соответствующей пористости для каждого слоя. Выбор числа слоев намотки в основном зависит от агрессивности среды и ее параметров. Обвивку по спирали лентами пористого политетрафторэтилена осуществляют или диагонально однонаправленным, или диагонально перекрестным способом. Выбор способа намотки не имеет принципиального значения. Толщину плакирующей ленты пористого политетрафторэтилена целесообразно выбирать в пределах 0,045-0,25 мм. Выбор толщины в основном определяется размерами будущей фланцевой металлической прокладки. С увеличением ее размеров целесообразно применять более широкую полосу политетрафторэтилена, поскольку это ускоряет и упрощает процесс обмотки.
В тех случаях, когда нежелательно иметь клеевой слой на пластичном уплотнителе, его предварительно вдавливают в углубления уплотнительной поверхности тороидального кольца (фиг.7). При этом прилагаемое усилие при вдавливании с целью исключения значительного уплотнения самого пластичного уплотнителя не должно превышать примерно 20% усилия затяжки фланцев разъемного соединения.
Герметизация разъемного соединения при установке новой или замене поврежденной фланцевой металлической прокладки осуществляется следующим образом. Для получения надежного герметичного соединения прокладку 1 выставляют вдоль продольной оси фланцев 5 и 6 соединения. Центрирование фланцевой металлической прокладки осуществляют за счет ее расположения в части кольцевой камеры одного из фланцев. При затягивании разъемного соединения фланцы сближаются до момента соприкосновения уплотняемых поверхностей кольцевой камеры 7 фланцев с ответными уплотнительными поверхностями тороидального кольца 2. При дальнейшем сближением фланцев под действием усилия затяжки пластичный уплотнитель 13 внедряется в углубления 15, 16 и деформируется с образованием контактных напряжений в местах его контакта с уплотняемыми поверхностями кольцевой камеры 5, противодействующих внутреннему давлению рабочей среды. При этом деформации подвергается только пластичный уплотнитель как обладающий меньшей твердостью и большей текучестью по сравнению с твердостью и текучестью фланцев 5 и 6 и твердостью и текучестью тороидального кольца 2. В результате этого ни тороидальное кольцо 2, ни фланцы 5 и 6 не подвергаются разрушению.
Предлагаемая конструкция фланцевой металлической прокладки повышает герметичность разъемного соединения, позволяет многократно использовать тороидальное кольцо и вернуть в эксплуатацию ранее использованные прокладки путем выполнения соответствующих углублений на тороидальном кольце и размещения над ними пластичного уплотнителя.