УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПАТРУБКА ВНУТРЕННЕЙ ОБОЛОЧКИ В ГОРЛОВИНЕ СОСУДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F17C1/16 

Настоящее изобретение относится к сосудам высокого давления, корпус которых изготовлен из композиционного материала и облицован внутри герметичной оболочкой, и более точно к устройству для герметизации патрубка внутренней оболочки в горловине такого сосуда.

Эти сосуды предназначены для хранения и транспортировки текучей среды /жидкости или газа/ под давлением и их корпус изготовлен из композиционного материала и облицован внутри герметичной оболочкой, которая в зависимости от вида и характера текучей среды, заполняющей сосуд, выполняется из полиэтилена или другого термопласта, алюминия или нержавеющей стали. Герметичная оболочка имеет патрубок из того же материала, из которого изготовлена сама оболочка. Этот патрубок входит по всей своей длине в осевой канал горловины, вмотанной в корпус сосуда в процессе его изготовления, а внутри патрубка размещен коаксиально горловине центрально расположенный штуцер, снабженный запорной арматурой любого подходящего вида.

Такие сосуды, как правило, подвержены многократным циклическим нагрузкам высокого давления. Поэтому особое значение в сосудах подобного типа придается герметизации патрубка оболочки в осевом канале горловины, чтобы избежать утечек текучей среды или нарушения герметичности сосуда.

Уже известны попытки создать надежное и эффективно работающее устройство для герметизации патрубка оболочки в канале горловины сосуда высокого давления. В частности, известен сосуд высокого давления с корпусом из композиционного материала и вмотанной в него горловиной, облицованным внутри герметичной оболочкой с патрубком, размещенным по всей длине в осевом канале горловины и находящимся в контакте с его внутренней поверхностью, при этом внутри патрубка коаксиально каналу горловины установлен центрально расположенный штуцер, прижимающий патрубок оболочки к внутренней поверхности канала горловины и имеющий со стороны полости корпуса сосуда по меньшей мере один наружный кольцевой или винтовой выступ, опирающийся на патрубок оболочки и взаимодействующий с ней для уплотнения патрубка. GB 1023011 A, 16.03.66, F 17 C 1/16.

Однако указанных средств оказывается недостаточно для герметизации сосудов с высоким уровнем давления, так как изменения по шагу между выступами штуцера при высоких давлениях находятся в пределах упругих деформаций, в то время как величина текучести материала герметичной оболочки и ее патрубка значительно больше, и эта несогласованность в деформациях является основной причиной разгерметизации сосуда при высоких уровнях нагружения его давлением.

Другая попытка создания герметизирующего устройства раскрыта в заявке EP 0300931 A1, F 17 C 1/16, в которой описан сосуд высокого давления, имеющий корпус из композиционного материала с вмотанной при его изготовлении своим фланцем горловиной с осевым каналом и с резьбовой шейкой на выходе, размещенный в этом канале по всей его длине до упора в резьбовую шейку патрубок внутренней герметичной оболочки и установленной в патрубке коаксиально каналу горловины центрально расположенный патрубок с запорной арматурой, который поджимает патрубок оболочки к внутренней поверхности осевого канала горловины и соединен на резьбе с резьбовой шейкой горловины.

Однако при высоких давлениях текучей среды, заполняющей полость корпуса сосуда, и в этом случае также не удается обеспечить требуемой герметичности патрубка оболочки, особенно в местах контакта его с внутренней поверхностью канала горловины и с наружной поверхностью штуцера, в основном по причинам, упомянутым выше.

Задача изобретения заключается в том, чтобы создать более надежное устройство для герметизации патрубка внутренней оболочки в горловине сосуда при гораздо большей цикличности нагружения его высоким давлением.

Эта задача решается с помощью предложенного устройства для герметизации патрубка внутренней оболочки в горловине сосуда высокого давления с корпусом из композиционного материала, облицованным внутри герметичной оболочкой с патрубком, содержащего вмотанную в корпус горловину с осевым каналом, размещенный по всей длине этого канала патрубок оболочки и расположенный внутри патрубка коаксиально каналу горловины штуцер с запорной арматурой. В соответствии с изобретением между патрубком оболочки и штуцером образована кольцевая полость с помещенным в нее уплотнителем, сжимаемым в осевом направлении давлением текучей среды в полости корпуса сосуда и взаимодействующим при этом радиально наружу на внутреннюю поверхность патрубка оболочки в канале горловины.

В предпочтительной форме реализации изобретения штуцер на обращенном в полость корпуса сосуда конце имеет выступающий наружу фланец, а горловина на своем свободном выходящем из корпуса сосуда конце - выступающий внутрь и прилегающий к поверхности штуцера фланец, при этом оба фланца служат для закрывания с торцов кольцевой полости, где размещен уплотнитель.

Предпочтительная также форма реализации изобретения, при которой штуцер на выступающем из горловины корпуса свободном конце несет приспособление для его фиксирования /стопорения/ от осевого перемещения относительно горловины корпуса сосуда.

В одном из целесообразных вариантов это фиксирующее приспособление щтуцера образовано резьбой на его свободном конце и навинченной на нее накидной гайкой, упирающейся в торец фланца горловины корпуса сосуда.

В другом целесообразном варианте это фиксирующее приспособление штуцера образовано по меньшей мере одной надетой на свободный конец штуцера тарельчатой пружиной, упирающейся в торец фланца горловины корпуса сосуда и входящей внутренней частью своих элементов в стопорные проточки на наружной поверхности штуцера.

В еще одной предпочтительной форме реализации изобретения внутри кольцевой полости установлены две жесткие кольцевые прокладки, одна из которых прилегает своей тыльной стороной к внутренней стороне фланца штуцера, а другая - к внутренней стороне фланца горловины, при этом на обращенных друг к другу сторонах прокладки имеют скос, а уплотнитель расположен между этими прокладками, контактируя с их скосами.

Желательно на внутренней поверхности осевого канала горловины в пределах длины кольцевой полости выполнить кольцевые канавки, в которые вдавливается материал патрубка оболочки под действием сжимаемого уплотнителя.

Скос одной прокладки может быть расположен в основном параллельно скосу другой прокладки.

При этом целесообразно, чтобы во всех вышеописанных формах реализации изобретения наружный диаметр штуцера был равен внутреннему диаметру патрубка оболочки.

В другой, еще одной форме реализации изобретения внутренняя поверхность осевого канала горловины корпуса сосуда на длине расположения в нем патрубка оболочки может быть выполнена с обратной конусностью, а патрубок оболочки и уплотнитель должны иметь конгруэнтную этой конусности форму.

Необходимо, чтобы при всех формах осуществления изобретения в качестве уплотнения был использован материал, обладающий свойствами объемной податливости и изменения формы при сжатии.

В частности, уплотнитель может быть выполнен из упругоэластичного материала, например резины, полиуретана.

В частности, уплотнитель может быть выполнен и из пластичного материала, например термопласта, меди, бронзы.

Таким образом, из предложенных средств решения задачи можно сделать вывод, что в конструкции устройства по изобретению уплотнитель в кольцевой камере постоянно испытывает осевую нагрузку со стороны находящегося под давлением текучей среды фланца штуцера и благодаря объемной податливости своего материала оказывает постоянное расклинивающее радиально наружу усилие на патрубок оболочки, плотно прижимая его к внутренней поверхности осевого канала горловины и обеспечивая его надежное уплотнение. Это бесспорно является важным преимуществом изобретения.

Для обеспечения эффективности герметизации на начальном этапе нагружения сосуда давлением штуцер оказывается зафиксированным в патрубке от осевого перемещения начальным натягом накидной гайки или тарельчатой пружиной, что гарантирует уплотнение поверхностей патрубка, канала горловины и штуцера распираемым уплотнителем. Это является дополнительным преимуществом изобретения.

Изобретение поясняется далее подробно описанием примеров выполнения со ссылкой на чертежи, где:
- на фиг. 1 показан общий вид сосуда высокого давления в продольном сечении с герметизирующим устройством горловины согласно изобретению;
- на фиг. 2 - в увеличенном масштабе частичный вид одного из вариантов устройства на фиг. 1 согласно изобретению в продольном сечении;
- на фиг. 3 - в увеличенном масштабе частичный вид другого варианта устройства на фиг. 1 согласно изобретению в продольном сечении;
- на фиг. 4 - в увеличенном масштабе частичный вид еще одного варианта устройства на фиг. 1 согласно изобретению в продольном сечении.

Как показано на фиг. 1, в одном из примеров выполнения сосуд высокого давления содержит корпус 1 из композиционного материала в виде многослойного каркаса, слои которого получены намоткой перекрещивающихся однонаправленных нитей из стекловолокна или углеволокна с пропиткой полимерным связующим. В этот корпус 1 в процессе его изготовления вмотаны соосно расположенные донный фланец 2 и фланец 3 с горловиной 4 для сообщения полости 5 корпуса 1 с окружающим пространством, при этом корпус 1 сосуда облицован изнутри герметичной оболочкой 6, которая изготавливается из полиэтилена или другого термопласта, либо алюминия, либо нержавеющей стали в зависимости от области использования сосуда.

Как показано на фиг. 2, в одном из вариантов выполнения устройства по изобретению, покрывающая изнутри корпус 1 оболочка 6 имеет патрубок 7, размещенный по всей длине осевого канала 8 горловины 4 и примыкающий к его внутренней поверхности 9. Внутри патрубка 7 коаксиально ему и горловине 4 размещен центрально расположенный штуцер 10, несущий на обращенном в полость 5 корпуса 1 сосуда конце выступающий наружу фланец 11, примыкающий своей кольцевой поверхностью 12 к внутренней поверхности 13 патрубка 7 оболочки 6. Диаметр фланца 11 при этом равен внутреннему диаметру патрубка 7 оболочки 6.

В свою очередь, горловина 4 на своем свободном выходящем из корпуса 1 конце имеет выступающий внутрь фланец 14, прилегающий своей кольцевой поверхностью 15 к наружной поверхности 16 штуцера 10.

В результате получается, что между патрубком 7 оболочки 6 и штуцером 10 образована кольцевая концентрично расположенная полость 17, закрытая с торцов фланцем 11 штуцера 10 и фланцем 14 горловины 4. Внутри полости 17, заполняя весь ее объем, помещен уплотнитель 18, который при осевом перемещении штуцера 10 под давлением на его фланец 11 текучей среды в полости 5 корпуса 1 сжимается в осевом направлении и воздействует при этом радиально наружу на внутреннюю поверхность 13 патрубка 7 оболочки 6, прижимая его с усилием к внутренней поверхности 9 осевого канала 8 горловины 4 и тем самым уплотняя патрубок 7 в канале 8 горловины 4.

Штуцер 10 на выступающем из горловины 4 корпуса 1 конце несет приспособление 19 для его фиксирования /стопорения/ от осевого перемещения под действием давления относительно горловины 4 корпуса 1. Это фиксирующее приспособление 19 образовано резьбой 20 на конце штуцера 10 и навинченной на нее накидной гайкой 21, которая упирается в момент фиксирования штуцера 10 в торец фланца 14 горловины 4.

В другом варианте выполнения устройства по изобретению, представленного на фиг. 3 /на которой одинаковые с фиг. 1 и 2 детали имеют те же цифровые обозначения/, в кольцевой полости 17 установлены две жесткие, например медные, кольцевые, прокладки 22 и 23, например, в форме шайб, где одна 22 из них своей тыльной стороной прилегает к внутренней стороне фланца 11 штуцера 10, а другая 23 своей тыльной стороной прилегает к внутренней стороне фланца 14 горловины 4. При этом на обращенных друг к другу сторонах прокладки 22 и 23 имеют скос соответственно 24 и 25, и скос 24 прокладки 22 расположен в основном примерно параллельно скосу 25 прокладки 23. Однако параллельность скосов 24 и 25 не является обязательным условием надежной работы устройства, и скосы 24 и 25 могут иметь различный угол наклона и не быть параллельными друг другу.

Уплотнитель 18 заполняет весь объем кольцевой полости 17 между указанными прокладками 22 и 23, контактируя с их скосами 24 и 25. Эти скосы 24 и 25 при осевом перемещении штуцера 10, который передает усилие давления в полости 5 корпуса 1 через свой фланец 11 прокладке 22, способствуют направленному выдавливанию уплотнителя 18 в сторону патрубка 7 оболочки 6, уплотняя его в осевом канале 8 горловины 4. Материал патрубка 7 под воздействием давления уплотнителя 18 заполняет канавки 26 на внутренней поверхности 9 осевого канала 8 горловины 4, еще более герметизируя ее.

Необходимость установки прокладок 22 и 23 продиктована тем, что при сжатии упругого материала уплотнителя 18 в кольцевой полости 17 происходит отдавливание материала патрубка 7 оболочки 6 в сторону полости 5 корпуса 1 сосуда, а при его длительной эксплуатации появляются разрушения в зоне перехода оболочки 6 в патрубок 7 или полное отдавливание оболочки 6 от корпуса 1 в этой зоне.

При высоких давлениях в полости корпуса 1 сосуда в кольцевой полости 17 возникают давления, в 3-5 раз превышающие давления в полости 5.

В связи с этим в зоне контакта уплотнителя 18 с патрубком 7 нужна регулировка давления, которое не должно превышать прочности материала патрубка 7 при сжатии. Это и решается путем установки прокладок 22 и 23, что в итоге позволяет получить давление на патрубок 7 в форме, не резко возрастающей, а более плавной кривой, если смотреть в системе плоских координат.

В результате появляется возможность регулировать давление уплотнителя 18 на патрубок 7, деформируя медную прокладку 22 со стороны полости 5 через фланец 11 штуцера 10, и фиксировать течение материала патрубка 7. Поэтому скос 24 прокладки 22 должен быть всегда направлен в сторону штуцера 10.

Для исключения перетекания материала патрубка 7 и служат канавки 26 на внутренней поверхности 9 осевого канала 8 горловины 4, наличие которых увеличивает трение.

В данном случае фиксирующее приспособление 19 может быть выполнено в виде двух надетых на штуцер 10 кольцевых тарельчатых пружин 27, которые располагаются в торцевой выемке 28 горловины 4 и упираются в торец ее фланца 14. При этом тарельчатые пружины 27 нижней частью своих элементов 29 помещены в стопорные проточки 30 на наружной поверхности 16 свободного конца штуцера 10.

Для повышения надежности герметизации устройство по изобретению еще в одном варианте выполнения, показанном на фиг. 4 /на которой сохранены для одинаковых деталей те же цифровые обозначения/, внутренняя поверхность 9 осевого канала 8 горловины 4 на длине расположения в нем патрубка 7 оболочки 6 имеет обратную конусность, а патрубок 7 и уплотнитель 18 конгруэнтны по форме этой конусности. Но в этом случае диаметр фланца 11 штуцера 10 увеличен и не равен внутреннему диаметру патрубка 7.

В качестве запорной арматуры, которая на чертежах не показана, для перекрытия штуцера 10 может быть использована подходящая известная арматура вентильного, дроссельного или клапанного типа.

Для всех описанных выше вариантов реализации устройства по изобретению уплотнитель 18 выполнен из материала, обладающего свойствами объемной податливости и изменения формы при сжатии без наличия остаточной ползучести. Таким материалом может быть упругоэластичный материал, например резина, полиуретан, либо пластичный материал, например термопласт, медь, бронза.

В зависимости от того, из какого материала /полиэтилен, алюминий, нержавеющая сталь/ сделана герметичная оболочка 6 с патрубком 7, подбирается и материал уплотнителя 18 - полимер или металл с учетом обеспечения коррозионной стойкости и надежности герметизации.

Функционирование сосуда высокого давления заключается в наполнении его текучей средой /жидкостью или газом/ до требуемого уровня давления, хранении, транспортировании, опорожнении, последующем новом наполнении, расходовании текучей среды, т.е. в повторении действий и операций с многократным циклическим нагружением.

Работа устройства по изобретению была приведена при описании вариантов выполнения его конструкции и не требует дальнейшего специального пояснения.

При ослаблении затяжки фиксирующего приспособления 19 в результате циклического нагружения сосуда либо накидная гайка 21 периодически подтягивается до упора в торец фланца 14 горловины 4, либо переставляется тарельчатая пружина 27 в проточках 30.

С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность использовать сосуды высокого давления из композиционного материала и герметичной внутренней оболочкой. Изготовление и испытание сосудов высокого давления с предложенным устройством для их герметизации подтвердили их высокую надежность и эффективность.

Изобретение не ограничивается вышеописанными формами выполнения, которые даны только для иллюстрации изобретения, и может иметь изменения в рамках формулы изобретения.

Изобретение относится к сосудам высокого давления. Между патрубком оболочки и штуцером образована кольцевая полость с помещенным в нее уплотнителем, сжимаемым в осевом направлении давлением текучей среды в полости корпуса сосуда и воздействующим при этом радиально наружу на внутреннюю поверхность патрубка оболочки в канале горловины. В результате достигается более надежное устройство для герметизации патрубка внутренней оболочки в горловине сосуда. 12 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для герметизации патрубка внутренней оболочки в горловине сосуда высокого давления с корпусом из композиционного материала, облицованным внутри герметичной оболочкой с патрубком, содержащее вмотанную в корпус собственно горловину с осевым каналом, размещенный по всей длине этого канала патрубок оболочки и расположенный внутри патрубка коаксиально каналу горловины штуцер с запорной арматурой, отличающееся тем, что патрубком оболочки и штуцером образована кольцевая полость с помещенным в нее уплотнителем, сжимаемым в осевом направлении давлением текучей среды в полости корпуса сосуда и воздействующим при этом радиально наружу на внутреннюю поверхность патрубка оболочки в канале горловины. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что штуцер на обращенном в полость корпуса сосуда конце имеет выступающий наружу фланец, а горловина на осевом свободном, выходящем из корпуса сосуда конце - выступающий внутрь и прилегающий к поверхности штуцера фланец, при этом оба фланца служат для закрывания с торцов кольцевой полости, где размещен уплотнитель. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что штуцер на выступающем из горловины корпуса свободном конце несет приспособление для его фиксирования (стопорения) от осевого перемещения относительно горловины корпуса сосуда. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что фиксирующее приспособление штуцера образовано резьбой на его свободном конце и навинченной на нее накидной гайкой, упирающейся в торец фланца горловины корпуса сосуда. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что фиксирующее приспособление штуцера образовано по меньшей мере одной надетой на его свободный конец тарельчатой пружиной, упирающейся в торец фланца горловины корпуса сосуда и входящей внутренней частью своих элементов в стопорные проточки на наружной поверхности штуцера. 6. Устройство по пп.1 - 5, отличающееся тем, что внутри кольцевой поверхности установлены две жесткие кольцевые прокладки, одна из которых прилегает своей тыльной стороной к внутренней стороне фланца штуцера, а другая - к внутренней стороне фланца горловины, при этом на обращенных друг к другу сторонах прокладки имеют скос, а уплотнитель расположен между этими прокладками, контактируя со скосами. 7. Устройство по пп.1 - 6, отличающееся тем, что на внутренней поверхности осевого канала горловины в пределах длины кольцевой полости выполнены кольцевые канавки, в которые вдавливается материал патрубка под действием сжимаемого уплотнителя. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что скос одной прокладки расположен в основном параллельно скосу другой прокладки. 9. Устройство по пп.1 - 6, отличающееся тем, что наружный диаметр фланца штуцера равен внутреннему диаметру патрубка оболочки. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность осевого канала горловины корпуса сосуда на длине расположения в нем патрубка оболочки выполнена с обратной конусностью, а патрубок оболочки и уплотнитель имеют конгруэнтную этой конусности форму. 11. Устройство по пп.1 - 10, отличающееся тем, что уплотнитель выполнен из материала, обладающего свойствами объемной податливости и изменения формы при сжатии. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что уплотнитель выполнен из упругоэластичного материала, например резины, полиуретана. 13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что уплотнитель выполнен из пластичного материала, например термопласта, меди, бронзы.