УПЛОТНЕНИЕ МЕЖДУ НЕПОДВИЖНЫМИ ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГ ДРУГА ПОВЕРХНОСТЯМИ Российский патент 2002 года по МПК F16J15/12 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения защитных крышек контейнеров для транспортировки и/или длительного хранения радиоактивных материалов.

Особенностью работы уплотнения подобных защитных крышек является высокий уровень радиационного и температурного воздействия в течение всего срока эксплуатации контейнера, а также высокие требования по герметичности уплотняемого соединения в нормальных и аварийных условиях эксплуатации. Возможность аварийных ситуаций должна учитываться в соответствии с требованиями, предъявляемыми к контейнерам указанного назначения нормативными документами РФ и рекомендациями МАГАТЭ (Основные правила безопасности и физической защиты при перевозке ядерных материалов. ОПБЗ-83. Москва, 1984 г.; Правила безопасной перевозки радиоактивных веществ. Издание 1985 г., МАГАТЭ, Вена, 1985 г.). К числу факторов, характерных для аварийных ситуаций, относятся высокий уровень деформационно-напряженного состояния конструкции и высокий уровень нагрева при попадании контейнера в зону пожара, что требует от уплотнительного узла повышенных упругих свойств и сохранения работоспособности при высоких температурах и деформации опорных элементов уплотняемого соединения.

Известна система герметизирующих крышек, используемая в контейнерах германской фирмы GNB ("Актуальные вопросы разработки контейнеров для хранения отработавшего ядерного топлива". Брасас С.К. Журнал "Теплоэнергетика", 11, 1996 г., с. 31-39, рис. 12 на с. 39). В известном устройстве для уплотнения защитных крышек используются кольцевые эластомерные прокладки и кольцевые пластически деформируемые металлические прокладки.

К недостаткам известного уплотнения можно отнести возможность снижения упругих свойств материала кольцевой эластомерной прокладки в течение длительного срока эксплуатации в условиях температурных и радиационных воздействий. Что касается пластически деформируемой металлической прокладки, то она обеспечивает достаточную надежность уплотнения, однако ее использование связано с технологическими трудностями обеспечения поджатия металлического кольца до его необходимого пластического деформирования.

Известен уплотнительный узел внешней крышки контейнера для транспортировки и хранения радиоактивных материалов по патенту US 4528454, G 21 F 5/00, 1985 г. Известное устройство содержит крышку и корпус, контактирующие с размещенной между ними металлической прокладкой, установленной в проточке торцевой поверхности крышки, и нажимные элементы.

Недостатком известного уплотнительного узла является разгерметизация крышки вследствие необратимых пластических деформаций крышки и нарушения плотности ее прилегания к сопрягаемой поверхности корпуса контейнера при возможном аварийном падении контейнера в процессе транспортировки.

Известен уплотнительный узел преимущественно контейнера для транспортировки и/или хранения ядерного топлива по п. RU 2095667, F 16 J 15/02, 1995 г. Известное устройство содержит корпус с крышкой, металлическую прокладку, нажимные элементы и упругодеформируемый диск, закрепленный на внутренней стороне крышки с возможностью контактирования с металлической прокладкой поверхностью проточки, выполненной на его торцевой поверхности. В корпусе выполнена проточка с поверхностями, ответными поверхностям проточки диска, в которую установлена металлическая прокладка. Величина прогиба края диска выполнена равной расчетному зазору между крышкой и корпусом перед затяжкой нажимных элементов. Устройство обеспечивает повышение надежности уплотнительного узла контейнера путем улучшения герметизации при ударном и термоциклическом воздействии на контейнер.

Однако при использовании подобного уплотнительного узла усложняется конструкция герметизирующей (защитной) крышки контейнера и возникают трудности технологического характера, связанные с обеспечением поджатая уплотняемого соединения.

Также известны уплотнения неподвижных соединений, включающие спирально-навитые прокладки (СНП), представляющие собой спирально-навитую в кольцо комбинированную ленту, состоящую из фасонного металлического каркаса и неметаллического наполнителя (Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник /Л. А. Кондаков, А.И.Голубев, В.В.Гордеев и др.; Под общ. ред. А.И.Голубева, Л. А. Кондакова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1994, с. 128-129). Крайние витки металлической ленты сваривают между собой. Преимущество этих прокладок - большая упругость, позволяющая им работать в условиях динамических нагрузок, высоких температур и тепловых ударов. Их устанавливают в открытых фланцах с помощью металлических ограничительных колец или в закрытых соединениях, например, типа шип-паз.

Известен уплотнительный узел неподвижного соединения по п. RU 1059978, F 16 J 15/12, 1999 г., предназначенный для уплотнения фланцевых соединений разъемных соединений трубопроводов и корпусов высокого давления. Известное устройство содержит уплотнительное средство в виде спирально-навитой прокладки, заключенной между внутренним и внешним ограничительными кольцами. Внешнее ограничительное кольцо выполнено конусообразного сечения с эластичным материалом по торцевым поверхностям. Прокладка установлена в уплотняемое гнездо фланцевого соединения. Функции внутреннего ограничительного кольца выполняют симметрично расположенные цилиндрические элементы фланцев. Стягивание фланцев между собой осуществляется шпильками и гайками, контактирующими с фланцами через опорно-сферические шайбы.

Однако в известном устройстве работоспособность уплотнения обеспечивается, в частности, поджатием внутренних витков СНП к уплотняемым поверхностям рабочим давлением во внутренней герметизируемой полости, т.е. предполагается, что давление в упомянутой полости существенно выше давления окружающей среды. В контейнерах же рассматриваемого назначения давление во внутренней герметизируемой полости, как правило, ниже давления окружающей среды, что позволяет минимизировать выход радионуклидов через уплотнительный узел. Таким образом, целевые характеристики известного уплотнительного узла не отвечают целевым характеристикам уплотнительного узла герметизирующей крышки контейнера.

Известна прокладка для фланцевых разъемов, состоящая из спирально-навитых чередующихся основной и дополнительной полос профилированных металлических лент разной ширины и мягкого наполнителя (U1 RU 8516, G 21 С 19/02, 1998 г.). Профилированные металлические ленты попарно сопряжены между собой. В качестве мягкого наполнителя используется паронит, графит или фторопласт. Известное устройство предназначено для герметизации разъемных соединений корпусов и сосудов высокого давления, например, в оборудовании АЭС.

Однако известное устройство имеет ограниченную область применения, т.к. оно не обеспечивает необходимую герметичность при использовании его для конструкций, работающих со средами с высокой проникающей способностью (например, гелий, криптон, водород). Это обусловлено тем, что при работе устройства имеет место контакт профилированной металлической ленты (т.е. металлического каркаса прокладки) с уплотняемыми металлическими поверхностями фланцевого соединения, микронеровности которых не заполняются наполнителем, вследствие чего возможно протекание среды с высокой проникающей способностью по торцу металлического каркаса прокладки, выполненного в виде непрерывной спирали.

Также известно уплотнение между неподвижными относительно друг друга поверхностями, содержащее спирально-навитую прокладку с внутренним и внешним металлическими профилированными ограничительными кольцами ("Новый нормативный документ на спирально-навитые прокладки". П.А.Культ О.А.Неменкова. Журнал "Химическое и нефтяное машиностроение", 9, 1995 г., с. 14-16, рис. 2д). Спирально-навитая прокладка включает чередующиеся витки профилированной металлической ленты и наполнителя. В качестве последнего используется, например, графитовая фольга "Графлекс".

Недостатком известного уплотнения является наличие радиальных зазоров между крайними витками профилированной металлической ленты СНП и соответствующими поверхностями внутреннего и внешнего ограничительных колец. Величина упомянутых зазоров зависит от технологических допусков на изготовление СНП и ограничительных колец. Наличие зазоров обуславливает разброс в величине уровня объемной деформации (объемного сжатия) наполнителя. Следствием снижения величины объемной деформации наполнителя являются снижение герметизирующих свойств СНП и снижение надежности уплотнения.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является уплотнение между двумя неподвижными относительно друг друга поверхностями, содержащее спирально-навитую прокладку с внутренним металлическим профилированным ограничительным кольцом (Spiral-wound gaskets - panacea or problem? Granek Klaus, Heckenkamp F.W, "CHEMICAL ENGINEERING" (USA), 1981, 88, 6, с. 231-232, 234, 236, 238). Спирально-навитая прокладка включает чередующиеся витки профилированных металлической ленты и наполнителя, а также внутреннюю и внешние обмотки из профилированной металлической ленты, витки которых соединены с помощью сварки. Причем упомянутые профилированные металлические ленты выполнены за одно целое, т.е. металлический каркас СНП представляет обой непрерывную спираль.

Однако известное уплотнение, так же как и вышерассмотренная прокладка для фланцевых разъемов, не обеспечивает необходимую герметичность при использовании его для конструкций, работающих со средами с высокой проникающей способностью. Причина этого в том, что конструкция уплотнения не исключает возможности протекания среды с высокой проникающей способностью по торцу металлического каркаса СНП, выполненного в виде непрерывной спирали.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности уплотнения защитной крышки контейнера для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов.

Указанная задача решается благодаря тому, что в уплотнении, содержащем спирально-навитую прокладку с внутренним металлическим профилированным ограничительным кольцом, причем спирально-навитая прокладка включает чередующиеся витки профилированных металлической ленты и наполнителя, а также внутреннюю и внешнюю обмотки из профилированной металлической ленты, витки которых соединены с помощью сварки, согласно изобретению первый виток внутренней обмотки спирально-навитой прокладки закреплен на упомянутом ограничительном кольце. При этом уплотнение содержит вторую внешнюю обмотку, служащую в качестве внешнего ограничительного кольца спирально-навитой прокладки и выполненную аналогично первой внешней обмотке из профилированной металлической ленты, сопряженной с профилированной металлической лентой первой внешней обмотки. Высота второй внешней обмотки не превышает расстояния между уплотняемыми поверхностями в рабочем положении последних. Спирально-навитая прокладка выполнена таким образом, что в исходном состоянии спирально-навитой прокладки наполнитель со стороны каждой из ее торцевых поверхностей выступает за пределы профилированной металлической ленты.

Вместе с этим внутреннее металлическое профилированное ограничительное кольцо выполнено в форме втулки с буртиком.

Кроме того, наполнитель спирально-навитой прокладки выполнен из графитовой фольги.

Профилированная металлическая лента второй внешней обмотки может быть выполнена за одно целое с профилированной металлической лентой спирально-навитой прокладки.

В другом варианте выполнения профилированная металлическая лента второй внешней обмотки может быть соединена с помощью сварки с профилированной металлической лентой первой внешней обмотки спирально-навитой прокладки. В сравнении с предыдущим вариантом выполнения этот вариант является более технологичным.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает возможность создания уплотнения со спирально-навитой прокладкой, обеспечивающего необходимую герметичность конструкций, работающих со средами с высокой проникающей способностью. Вместе с этим изобретение обеспечивает повышение надежности работы уплотнения, в том числе в условиях динамических и температурных воздействий на уплотняемое соединение.

На фиг.1 показан общий вид контейнера для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, снабженного предлагаемым уплотнением; на фиг.2 - общий вид уплотнения в исходном состоянии, разрез; на фиг.3 - уплотнение в кольцевой проточке защитной крышки контейнера в закрытом рабочем положении последней, элемент А на фиг.1.

В варианте осуществления изобретения с помощью предлагаемого уплотнения обеспечивается уплотнение герметизирующей (защитной) крышки контейнера 1 для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов. Сверху внутренняя полость 2 контейнера 1 перекрыта двумя защитными крышками 3 и 4, расположенными одна над другой и размещенными на едином основании корпуса 5 контейнера. Крышки образуют с корпусом контейнера два концентричных герметизирующих пояса a и b (уплотнение внешней защитной крышки 3 на чертеже не показано). Внутренняя защитная крышка 4 к корпусу 5 крепится посредством нажимных элементов 6. В варианте исполнения изобретения нажимные элементы выполнены в виде шпилек 7 с гайками 8.

Уплотнение внутренней защитной крышки 4 содержит установленные в кольцевой проточке с, выполненной на торцевой поверхности фланца крышки, спирально-навитую прокладку 9 с внутренним металлическим профилированным ограничительным кольцом 10. В кольцевой проточке с уплотнение установлено с помощью закрепленного на нижнем торце защитной крышки 4 кольца 11. При этом внутреннее ограничительное кольцо 10 установлено с возможностью ограниченного перемещения вдоль своей оси, геометрически совмещенной с осью СНП, при деформировании СНП в процессе стягивания уплотняемого соединения. СНП включает чередующиеся витки профилированных металлической ленты 12 и наполнителя 13, а также внутреннюю и внешнюю обмотки 14 и 15 из профилированной металлической ленты, витки которых соответственно соединены с помощью, например, контактной точечной сварки. Первый виток внутренней обмотки 14 закреплен с помощью сварки на внутреннем ограничительном кольце 10. В варианте выполнения изобретения внутреннее ограничительное кольцо 10 выполнено в форме цилиндрической втулки с буртиком. Благодаря креплению уплотнения на защитной крышке и особенности выполнения уплотнения оно при необходимости может быть удалено от контейнера 1 в сборе с защитной крышкой 4, что упрощает обслуживание защитной крышки с уплотнением при эксплуатации (например, при замене уплотнения) и обеспечивает повышение радиационной безопасности при обращении с контейнером для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, т.к. при обслуживании уплотнения обеспечивается возможность работы персонала в радиационно-безопасной зоне.

Уплотнение содержит вторую внешнюю обмотку 16, служащую в качестве внешнего ограничительного кольца СНП. Вторая внешняя обмотка 16 выполнена из профилированной металлической ленты, витки которой соединены с помощью контактной точечной сварки. Профилированная металлическая лента второй внешней обмотки 16 сопряжена с профилированной металлической лентой первой внешней обмотки 15 СНП. В варианте выполнения профилированная металлическая лента второй внешней обмотки выполнена за одно целое с профилированной металлической лентой СНП. В варианте осуществления изобретения внешняя обмотка 16 выполнена с возможностью взаимодействия с боковой поверхностью d кольцевой проточки с. Высота второй внешней обмотки 16 в исходном состоянии уплотнения не превышает расстояния между уплотняемыми поверхностями e и f фланца внутренней защитной крышки 4 и основания корпуса 5 контейнера 1 в закрытом положении крышки. СНП выполнена таким образом, что в исходном состоянии СНП перед закрыванием контейнера 1 защитной крышкой 4 наполнитель 13 со стороны каждой из торцевых поверхностей СНП выступает за пределы профилированной металлической ленты 12.

В варианте выполнения изобретения наполнитель 13 выполнен из графитовой фольги, например, "Графлекс"
Устройство работает следующим образом.

Уплотнение предварительно монтируется в кольцевой проточке с, выполненной на торцевой поверхности фланца защитной крышки 4, с помощью закрепляемого на нижнем торце защитной крышки кольца 11. При этом посредством отрезки витков внешней обмотки 16 осуществляют подгонку уплотнения до фактического диаметра кольцевой проточки с. При закрывании защитной крышки 4 осуществляют равномерную затяжку гаек 8 на шпильках 7, установленных в корпусе 5. Затяжка гаек сопровождается деформированием СНП 9. Затяжку гаек осуществляют до контакта друг с другом сопрягаемых поверхностей защитной крышки 4 и основания корпуса 5 контейнера.

При затяжке гаек 8 вначале происходит пластическое деформирование участков наполнителя 13 из графитовой фольги, выступающих по высоте СНП за пределы профилированной металлической ленты 12 (т.е. за пределы металлического каркаса СНП). При этом со стороны каждого из торцев СНП образуется сплошная графитовая прослойка, заполняющая как торцевые зазоры металлического каркаса СНП, так и микронеровности уплотняемых поверхностей. Таким образом, по всей площади контакта СНП с уплотняемыми металлическими поверхностями e и f высота графитового наполнителя превышает высоту металлического каркаса СНП. Наличие прослойки из наполнителя исключает непосредственный контакт профилированной металлической ленты 12 (т.е. металлического каркаса СНП) с уплотняемыми металлическими поверхностями e и f защитной крышки 4 и основания корпуса 5 контейнера, благодаря чему исключается возможность протекания среды с высокой проникающей способностью по торцам спирали, образованной профилированной металлической лентой 12 (т.е. по торцам металлического каркаса СНП).

Учитывая отсутствие зазоров между собственно СНП и внутренним и внешним ограничительными кольцами, дальнейшую затяжку гаек 8 сопровождают нагружением СНП как со стороны защитной крышки 4 и основания корпуса 5, так и со стороны ограничительных колец, препятствующих свободной поперечной деформации СНП. В силу этого сводятся к минимуму вытеснение материала наполнителя в радиальном направлении и увеличение площади контакта СНП с уплотняемыми поверхностями e и f.

Таким образом, достигается повышение уровня параметров объемно-деформированного состояния наполнителя, его плотности и соответственно уплотняющей способности спирально-навитой прокладки.

Практическое отсутствие радиальных зазоров между СНП и ограничительными кольцами и соответственно отсутствие влияния технологических допусков на величину указанных зазоров обеспечивает возможность снижения величины разброса возможных параметров напряженно деформированного состояния наполнителя в сжатом конечном состоянии СНП (при контакте друг с другом сопрягаемых опорных поверхностей защитной крышки 4 и основания корпуса 5 контейнера). При этом достигается более высокий уровень параметров напряженного состояния CHП и герметичности, что обеспечивает повышение надежности работы уплотнения.

Заданная высота внешней обмотки 16, служащей в качестве внешнего ограничительного кольца СНП, обеспечивает возможность сжатия СНП только до достижения контакта между сопрягаемыми опорными поверхностями защитной крышки 4 и основания корпуса 5 контейнера. Это практически исключает дополнительные деформации СНП и обеспечивает повышение надежности работы уплотнения в условиях динамических и температурных внешних воздействий на уплотняемое соединение в возможных аварийных ситуациях, предусмотренных правилами ОПБЗ-83 и рекомендациями МАГАТЭ.

Таким образом, благодаря особенности выполнения уплотнения изобретение позволяет создать уплотнение со спирально-навитой прокладкой, обеспечивающее необходимую герметичность конструкций, работающих со средами с высокой проникающей способностью. Вместе с этим изобретение обеспечивает повышение надежности работы уплотнения. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность крепления уплотнения на одной из сопрягаемых частей уплотняемого разъемного соединения, что при использовании предлагаемого устройства для герметизирующих (защитных) крышек контейнеров для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов упрощает обслуживание защитной крышки с подобным уплотнением и обеспечивает повышение радиационной безопасности при обращении с контейнером.

Изобретение может быть использовано для уплотнения защитных крышек контейнеров для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов. Изобретение обеспечивает возможность создания уплотнения со спирально-навитой прокладкой, обеспечивающей необходимую герметичность конструкций, работающих со средами с высокой проникающей способностью. Вместе с этим изобретение обеспечивает повышение надежности работы уплотнения. Уплотнение содержит прокладку с внутренним металлическим профилированным ограничительным кольцом. Прокладка включает чередующиеся витки профилированной металлической ленты и наполнителя из графитовой фольги, внутреннюю и внешнюю обмотки, витки которых соединены с помощью сварки. Первый виток внутренней обмотки закреплен на упомянутом ограничительном кольце. Уплотнение содержит вторую внешнюю обмотку, служащую в качестве внешнего ограничительного кольца. Вторая внешняя обмотка выполнена аналогично первой обмотке. Высота второй внешней обмотки не превышает расстояния между упомянутыми поверхностями в рабочем положении последних. Прокладка выполнена таким образом, что в исходном состоянии наполнитель со стороны каждой из ее торцевых поверхностей выступает за пределы ленты. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Уплотнение между неподвижными относительно друг друга поверхностями, содержащее спирально-навитую прокладку с внутренним металлическим профилированным ограничительным кольцом, причем спирально-навитая прокладка включает чередующиеся витки профилированных металлической ленты и наполнителя, а также внутреннюю и внешнюю обмотки из профилированной металлической ленты, витки которых соединены с помощью сварки, отличающееся тем, что первый виток внутренней обмотки спирально-навитой прокладки закреплен на упомянутом ограничительном кольце, при этом уплотнение содержит вторую внешнюю обмотку, служащую в качестве внешнего ограничительного кольца спирально-навитой прокладки и выполненную аналогично первой внешней обмотке из профилированной металлической ленты, сопряженной с профилированной металлической лентой первой внешней обмотки, причем высота второй внешней обмотки не превышает расстояния между уплотняемыми поверхностями в рабочем положении последних, при этом спирально-навитая прокладка выполнена таким образом, что в исходном состоянии спирально-навитой прокладки наполнитель со стороны каждой из ее торцевых поверхностей выступает за пределы профилированной металлической ленты. 2. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что внутреннее металлическое профилированное ограничительное кольцо выполнено в форме втулки с буртиком. 3. Уплотнение по п. 1 или 2, отличающееся тем, что наполнитель спирально-навитой прокладки выполнен из графитовой фольги. 4. Уплотнение по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что профилированная металлическая лента второй внешней обмотки выполнена за одно целое с профилированной металлической лентой спирально-навитой прокладки. 5. Уплотнение по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что профилированная металлическая лента второй внешней обмотки соединена с помощью сварки с профилированной металлической лентой первой внешней обмотки спирально-навитой прокладки.