Фланцевое соединение для переменных тепловых нагрузок

Предлагаемая полезная модель относится к области фланцевых соединений сосудов, аппаратов и трубопроводов и может быть использована в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известно фланцевое соединение деталей (RU 2123631, 20.12/1998, F16L 23/02 (2006.01)), включающее уплотнительный элемент из эластичного материала, концевыми участками установленный в кольцевых канавках трапецеидального профиля, образованных во фланцах, соответствующих форме этих участков, а средняя его часть, соединяющая концевые участки, имеет прямоугольный профиль.
Недостатками этой конструкции является возможная потеря герметичности соединения после снятия тепловой нагрузки и необходимость постоянной точной подтяжки крепежных элементов во время эксплуатации.
Известно фланцевое соединение (Справочник / А.А. Волошин, Г.Т. Григорьев. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отд, 1979, страница 11), состоящее из двух симметрично расположенных фланцев, закрепленных на соединяемых частях корпуса, установленной между ними прокладки, обеспечивающей герметичность соединения, ограничительного кольца, расположенного за диаметром болтовой окружности, и крепежных деталей (болтов или шпилек, гаек и шайб).
Недостатком этого фланцевого соединения являются незначительная надежность по герметичности при термических нагрузках. При превышении рассчитанного значения изменения температур не исключается утечка уплотняемой среды. Поэтому при использовании полимерных прокладок, необходимо постоянно подтягивать крепежные детали (болты или шпильки), чему будет препятствовать ограничительное кольцо.
Наиболее близким к полезной модели аналогом (прототипом) является фланцевое соединение (Машины и аппараты химических производств: учебник для вузов / под общей редакцией А.С. Тимонина/. - Калуга: Издательство «Ноосфера», 2014, страница 84, фиг 2.5.3 б), состоящее из двух симметрично расположенных фланцев, закрепленных на соединяемых частях корпуса и имеющих на уплотняемых поверхностях выступ и впадину, установленной между ними прокладки, обеспечивающей герметичность соединения, и крепежных деталей (болтов или шпилек, гаек и шайб).
Недостатком указанного фланцевого соединения является возможное нарушение герметичности соединения и прочности его деталей при изменении температуры. Это связано с тем, что прокладка выполнена из материала, твердость которого значительно меньше, чем у материала, замыкающего прокладку элементов (фланцев) и, как правило, ее материал имеет более высокое значение коэффициента термического расширения, чем материал (обычно сталь) замыкающих прокладку деталей. При постоянной рабочей температуре среды, разность значений коэффициентов термического расширения материалов элементов соединения не отражается на его работе. При изменении ее температуры изменяется и температура элементов соединения, а следовательно, и нагрузка на них. Так, при увеличении температуры в условиях жесткой связи отдельных элементов соединения увеличивается нагрузка и на прокладку, что увеличивает степень герметичности соединения за счет термического самоуплотнения, и на замыкающие прокладку элементы (болты и фланцы). При снижении температуры нагрузка на все элементы соединения падает. Снижение нагрузки на прокладку, а также ее остаточная деформация, возникшая при увеличении нагрузки с ростом температуры, приводит к нарушению герметичности соединения.
Цель полезной модели - увеличение надежности работы фланцевого соединения за счет повышение рабочего диапазона тепловых нагрузок.
Поставленная цель достигается тем, что во фланцевом соединении для переменных тепловых нагрузок выступ фланца выполнен удлиненным с уменьшенным внешним диаметром, на котором между торцом фланца и прокладкой установлены последовательно промежуточное кольцо с кольцевыми уплотнительными элементами по его внутренней поверхности, сопрягаемой с внешней боковой поверхностью выступа, и кольцо из материала, коэффициент термического расширения которого ниже, чем его значение для материала замыкающих прокладку деталей, внешний диаметр колец равен внешнему диаметру прокладки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлено фланцевое соединение для термических нагрузок.
Фланцевое соединение для переменных тепловых нагрузок состоит из двух симметрично расположенных фланцев 1 и 2, закрепленных на соединяемых частях корпуса и имеющих выступ и впадину; установленной между ними прокладки 6 высотой h; выступ фланца выполнен удлиненным с уменьшенным внешним диаметром, на котором между торцом фланца 1 и прокладкой 6 установлены последовательно промежуточное кольцо 5 с кольцевыми уплотнительными элементами по его внутренней поверхности, сопрягаемой с внешней боковой поверхностью выступа; кольцо 4 из материала, коэффициент термического расширения которого ниже, чем его значение для материала замыкающих прокладку фланцев 1 и 2; крепежных элементов 3, внешний диаметр кольца 4 и промежуточного кольца 5 равен внешнему диаметру прокладки 6.
0
в
Для нормальной работы фланцевого соединения при температурных нагрузках необходимо компенсировать разность температурных деформаций набора колец, состоящего из прокладки 6 высотой h, промежуточного кольца 5 высотой h и кольца 4 высотой h при общей высоте Н и такой же толщины участка крепежного элемента и фланца.
в
Для обеспечения равенства этих температурных деформаций кольцо 4 выполнено из материала, коэффициент термического расширения (α) которого ниже, чем его значение для материала замыкающих прокладку фланцев 1 и 2, и крепежных элементов 3.
в
в
Определяя высоту h кольца 4, или при заданной высоте - требуемый его материал (α), при условии, что высота прокладки и промежуточного кольца, а также их материал и материал замыкающих деталей известны, обеспечивают равенство коэффициентов термического расширения крепежных деталей и фланца соединения и набора колец 4, 5 и 6.
Технический результат при использовании заявляемой полезной модели заключается в надежной работе фланцевого соединения при термических нагрузках при изменении рабочих температур за счет выравнивания осевой температурной деформации набора колец, состоящего из прокладки, промежуточного кольца и кольца из материала, коэффициент термического расширения которого ниже, чем его значение для материала крепежных элементов и замыкающих его деталей.