СОЕДИНЕНИЕ КРЫШКИ С КОРПУСОМ СОСУДА Российский патент 1995 года по МПК F16J12/00 

Изобретение относится к устройствам для герметичного разъемного соединения сосудов и трубопроводов и может быть применено в химическом, энергетическом и другом оборудовании, работающем при высоких параметрах рабочей среды.

Герметичность затвора фланцевого соединения достигается в том случае, когда каналы, оставшиеся на уплотнительных поверхностях, по величине таковы, что рабочая среда по ним протекать не будет, т.е. наступит облитерация. Герметичность от размера поперечного сечения канала, абсолютного давления, при котором происходит истечение рабочей среды через канал, и от длины канала.

Требуемую величину каналов можно обеспечить обработкой уплотнительной поверхности с большой чистотой и точностью. Однако это не только трудно выполнить, но и экономически нецелесообразно, так как известно, что после чистовой механической обработки уплотнительных поверхностей среднеквадратическая неровность (отклонение от средней линии профиля поверхности) составляет 1,6 ˙10^-6-0,2 ˙10^-6 м. Даже при весьма чистой обработке уплотнительных поверхностей величина среднеквадратической неровности несоизмеримо больше размеров молекул рабочей среды. Неровности, оставшиеся на уплотнительных поверхностях, образуют зазоры-каналы, по которым рабочая среда протекает из мест с большим давлением в места с меньшим давлением. Устранить эти каналы можно при помощи взаимного сжатия уплотнительных поверхностей до смятия на них всех неровностей, что требует больших (практически трудноосуществимых) усилий сжатия.

Известны конструкции уплотнений крышки с корпусом реактора, которые широко используются в одной из областей современной техники (Африкантов Н.И. Митенков Ф.М. Судовые атомные паропроизводительные установки. Л. Судостроение, 1965, рис.44), там же на рис. 44 а представлена конструкция уплотнения с плоской прокладкой из мягкого металла, при этом прокладка по наружному диаметру не имеет ограничений.

Недостатком подобного соединения является невозможность обеспечения равномерного удельного давления на уплотнительных элементах в процессе монтажа соединения и эксплуатации.

При монтаже ввиду практической ограниченности жесткости фланцев удельное давление вблизи шпилек больше, чем между ними. Различны удельные давления и деформации и в поперечном сечении уплотнительных элементов. Они существенно выше к крепежу, и эта картина еще более усугубляется под воздействием давления рабочей среды внутри сосуда. Отрицательную роль в перераспределении удельных давлений играют температурные качки при эксплуатации. При осесимметричном нагреве соединения герметичность не нарушается, хотя в его частях и возникают температурные напряжения. В случае резкого изменения температуры рабочей среды, в связи с асимметричным изменением температурного поля, герметичность соединения нарушается. Это объясняется значительным снижением удельного давления на уплотнительных элементах в зоне пониженной температуры. Это явление, например, наблюдается при ускоренном прогреве горизонтального паропровода во время пуска установки, где нижняя часть соединения заполняется конденсатом, который образует зону пониженной температуры.

Соединения крышки с корпусом, изображенные на рис. 44 б и 44 в (уплотнение плоской крышки с треугольной прокладкой в замок и уплотнение плоской прокладкой в замок из мягких металлов), лишены недостатков предыдущей конструкции. Однако создание больших усилий затяжки, сложности при разборке и повторном использовании резко снижают достоинства подобного вида соединения.

Для извлечения прокладки требуются большие усилия, а на уплотнительной поверхности корпуса образуются надиры, которые требуют сложной механической доработки. На рис. 92 представлена конструкция задвижки на высокие параметры, в которой герметичность между крышкой и корпусом обеспечивается беспрокладочным соединением. Данный тип разъемных соединений применим для любых сосудов высокого давления.

Основными недостатками конструкции, которые ограничивают ее применение, являются высокие требования к чистоте уплотнительных поверхностей и создание высоких удельных давлений на них.

В данной конструкции, взятой за прототип, в отличие от рассмотренной ранее конструкции, изображенной на рис. 44 а, герметизация соединения обеспечивается по одной плоскости, что существенно повышает надежность разъемного соединения. С другой стороны, для уплотнения требуется повышенное усилие поджатия крышки к корпусу, которое еще больше усугубляет неплоскостность уплотнительных поверхностей. Применение на уплотнительных поверхностях беспрокладочного соединения смазывающих веществ таких, как, например, графитовая паста, специальные уплотняющие мастики, электромагнитные жидкости, жидкометаллические уплотнители и т.п. снижает усилия поджатия на уплотнительных поверхностях. Однако неплоскостность уплотнительных поверхностей, по вышеуказанным причинам, способствует выдавливанию смазывающих веществ высоким давлением рабочей среды и делает уплотнение неработоспособным.

Анализ приведенных аналогов и прототипа свидетельствует о наличии явного технического противоречия, суть которого заключается в том, что соединяемые две детали, будь то корпус и крышка или два фланца трубопроводов, с одной стороны, являются носителями уплотнительных элементов, где требуется максимальная плоскостность уплотнительных поверхностей и их высокая чистота обработки, с другой стороны, эти детали соединения являются силовыми, испытывающими значительные деформации. Деформация сжатия, если они равномерны по всей уплотнительной поверхности, не вызывают изменения плоскостности последней, а деформации изгиба существенно влияют на нее.

Цель изобретения повышение надежности соединения путем усиления соплоскостности контакта уплотнительных поверхностей.

Цель достигается тем, что уплотнительный элемент крышки выполнен в виде кольца, взаимодействующего с крышкой посредством кольцеобразного пояска, расположенного по линии, разделяющей уплотнительную поверхность на равновеликие площади, и герметично соединенного с крышкой с возможностью самоустановки.

Уплотнительный элемент корпуса выполнен в виде кольца, взаимодействующего с корпусом посредством кольцеобразного пояска, расположенного по линии, разделяющей уплотнительную поверхность кольца на равновеликие площади и герметично соединенного с корпусом с возможностью самоустановки.

Введение отличий, не обнаруженных в других областях техники, в известную конструкцию прототипа позволяют наряду с устранением упомянутого технического противоречия известных разъемных соединений повысить надежность соединения прототипа. Это позволяет утверждать, что предполагаемое техническое решение обладает существенными отличиями и новизной.

На чертеже изображено соединение крышки с корпусом сосуда с уплотнением плоскость по плоскости, продольное сечение.

Соединение состоит из корпуса 1, уплотнительного элемента 2, выполненного в виде кольца с уплотнительной поверхностью на одном торце и кольцеобразным пояском 3 на другом торце.

Герметичное соединение 4, представляющее собой усеченную торовую поверхность с приваркой к корпусу 1 и уплотнительному элементу 2, позволяет значительные взаимные перемещения, достаточные для самоустановки этих деталей. Центрирование элемента 2 относительно корпуса 1 обеспечивается буртом с гарантийным зазором в соединении. Крышка сосуда 5 контактирует с аналогичным уплотнительным элементом 6 через кольцеобразный поясок 7. Аналогичное герметичное соединение 8 соединяет детали 5 и 6 с возможностью их незначительных взаимных перемещений. Поджатие уплотнительных поясков усилием уплотнения обеспечивается шпильками 9 и гайками 10. Эффективные диаметры уплотнительных поясков элементов 2 и 6 совпадают с эффективными диаметрами кольцеобразных поясков 3 и 7.

Представленные герметизирующие элементы 4, 8 могут быть выполнены конструктивно иначе, с использованием, например, резины при работе соединения в соответствующих температурных условиях.

Усилие, создаваемое в соединении шпильками 9 и гайками 10, выбирается с учетом преодоления силы, действующей на крышку 5 и корпус 1 от максимального рабочего давления сосуда, и потребного усилия, необходимого для обжатия уплотнительных поверхностей.

Под действием усилия затяжки фланцы крышки и корпуса подвергаются деформации изгиба; при этом усилие через кольцеобразные пояски 3 и 7 замыкаются на уплотнительных поверхностях элементов 2 и 6. Разворот фланцев происходит относительно кольцеобразных поясков 3 и 7. Деформации в местах соединения с элементами 2 и 6 воспринимаются податливыми герметичными соединениями 4 и 6, которые не оказывают существенных силовых влияний на соединяемые детали.

Усилие поджатия проходит через середины кольцеобразных и уплотнительных поясков по Д_эф и не вызывает в сопрягаемых деталях изгибаемых моментов. Уплотнительные элементы 2 и 6 воспринимают только деформации сжатия, поэтому их уплотнительные поверхности сохраняют соплоскостность.

При эксплуатации сосуда под действием внутреннего давления и рабочих температур изгибающие усилия крышки и корпуса еще более увеличиваются, что приводит к увеличению их перемещений относительно уплотнительных элементов 2 и 6. Механизм восприятия этих перемещений аналогичен вышеописанному.

Внутреннее давление сосуда действует также и на каждый из элементов 2 и 6. Однако это усилие не вызывает изменения плоскостности уплотнительных поверхностей этих элементов, так как усилие направлено по касательной к уплотнительным поверхностям и вызывает только равномерные радиальные деформации элементов 2 и 6.

Использование предлагаемой конструкции позволит:
обеспечить надежное поджатие уплотнительных поверхностей без исключения соплоскостности, т.е. сохранить контакт плоскость по плоскости;
расширить возможности применения прокладок (из мягких металлов, с жидкометаллическим уплотнением, магнитными жидкостями и т.п.) с установкой их между уплотнительными поверхностями;
снизить весогабаритные характеристики за счет того, что в существующих конструкциях, с целью увеличения момента сопротивления изгиба, фланцы предусматриваются повышенной толщины с усиленной жесткой заделкой.

Использование этих соединений существенно повышает их надежность соединения, так как основопоглощающим фактором является соплоскостность поверхностей, соприкасающихся с прокладками.

В предлагаемой конструкции фланцы тоньше и должны выдерживать усилие затяжки и усилие от рабочего давления только в пределах упругой деформации, так как величина прогиба от изгибающего момента не сказывается на соплоскостность уплотнительных поверхностей.

Использование: в устройствах для герметичного разъемного соединения сосудов и трубопроводов. Сущность изобретения: один взаимодействующий уплотнительный элемент закреплен на крышке, другой в корпусе. Элемент крышки выполнен в виде кольца, взаимодействующего с крышкой кольцеобразным пояском, расположенным по линии, разделяющей уплотнительную поверхность кольца на равновеликие площадки, и герметично соединенного с крышкой с возможностью самоустановки. Элемент корпуса выполнен в виде кольца, взаимодействующего с корпусом кольцеобразным пояском, расположенным по линии, разделяющей уплотнительную поверхность кольца на равновеликие площадки, и герметично соединенного с корпусом с возможностью самоустановки. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. СОЕДИНЕНИЕ КРЫШКИ С КОРПУСОМ СОСУДА, содержащее средства соединения их между собой и два взаимодействующих уплотнительных элемента, один из которых закреплен на крышке, а другой в корпусе, отличающееся тем, что уплотнительный элемент крышки выполнен в виде кольца, взаимодействующего с крышкой посредством кольцеобразного пояска, расположенного по линии, разделяющей уплотнительную поверхность кольца на равновеликие площадки, и герметично соединенного с крышкой с возможностью самоустановки. 2. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что уплотнительный элемент в корпусе выполнен в виде кольца, взаимодействующего с корпусом посредством кольцеобразного пояска, расположенного по линии, разделяющей уплотнительную поверхность кольца на равновеликие площадки, и герметично соединенного с корпусом с возможностью самоустановки.