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", 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 упруго деформируемый 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 поджатия 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.

Известно уплотнение неподвижного соединения по авт. св. SU 862649 (F 16 J 15/12, 1984 г.). Уплотнение выполнено в виде спирально-витой прокладки, устанавливаемой между цилиндрическими уплотняемыми поверхностями и представляющей собой в сечении чередующиеся витки металла и наполнителя с усами, направленными от вершины профиля к уплотняемым поверхностям. Прокладка выполнена с навивкой по цилиндрической поверхности с осью, совпадающей с осью уплотняемых поверхностей, при этом каждый ус выполнен с двойным наклоном. Прокладка устанавливается между опорным и нажимным элементами. После установки прокладки на опорный элемент ее сжимают в осевом направлении нажимным элементом. При этом угол при вершине профиля увеличивается, усы раскрываются, приближая свои кромки к уплотняемым поверхностям и выбирая тем самым первоначальные зазоры. Одновременно металлические слои сближаются и выдавливают наполнитель к уплотняемым поверхностям. В рабочем положении уплотнитель заполняет все микронеровности уплотняемых поверхностей, кромки усов металлической ленты вступают в контакт с уплотняемыми поверхностями, предотвращая тем самым выдавливание наполнителя под действием уплотняемого давления (рабочего давления уплотняемой рабочей среды).

Однако особенности конструкции известного уплотнения предполагают его установку между цилиндрическими уплотняемыми поверхностями, в то время как для защитных крышек контейнеров, как правило, используются фланцевые соединения. Вместе с этим 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 кромок усов металлической ленты (т. е. металлического каркаса прокладки) с уплотняемыми металлическими цилиндрическими поверхностями, микронеровности которых не заполняются наполнителем, вследствие чего возможно протекание среды с высокой проникающей способностью по кромкам усов металлического каркаса прокладки, выполненного в виде непрерывной спирали.

Известна прокладка для уплотнения фланцевых разъемов по авт. св. SU 1649199 (F 16 J 15/12, 1991 г.), состоящая из металлической ленты с V-образным профилем, дополнительной металлической ленты и наполнителя. Металлические ленты навиты спирально, витки лент разделены слоями наполнителя. В центральной части профиля дополнительной металлической ленты выполнены перфорационные отверстия с зубцами, направленными в сторону наполнителя. Выполнение дополнительной металлической ленты перфорированной позволяет увеличить сцепление металлической ленты и наполнителя и исключить образование зазора при восстановлении прокладки после сжатия при намотке, а также смещение дополнительной ленты от центра профиля прокладки при эксплуатации и таким образом улучшает уплотняющую способность прокладки.

Однако в известной прокладке имеет место контакт кромок 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. Кроме того, между сопряженными вершинами основной и дополнительной металлических лент может образоваться боковой зазор по всей длине спиральных лент и, следовательно, нарушается условие герметичности, когда боковой зазор всегда должен быть равен нулю. Вместе с тем, и при отсутствии упомянутого бокового зазора, возможно протекание среды с высокой проникающей способностью по длине контакта спиральных металлических лент вследствие наличия микронеровностей на сопряженных поверхностях последних.

Известно уплотнение, выполненное в виде спирально-навитой прокладки, содержащей чередующиеся полосы V-образных профилированных металлической ленты и наполнителя (В2 JP 2-2024, F 16 J 15/12, 1990 г.). В известной прокладке наполнитель выполнен из объемно расширяющегося графита, а в угловую часть металлической ленты дополнительно заложен наполнитель из тетрафторэтиленового волокна с равномерно распределенным в нем графитовым порошком.

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.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является уплотнение между двумя неподвижными относительно друг друга поверхностями, содержащее спирально-навитую прокладку, состоящую 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.

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

Указанная задача решается благодаря тому, что в известном уплотнении, выполненном в виде спирально-навитой прокладки, содержащей чередующиеся полосы профилированных металлической ленты и наполнителя, согласно изобретению профилированная металлическая лента на участке спирали, расположенном между слоями наполнителя, имеет прерывистые кромки с образованием выемок, которые выполнены с возможностью заполнения материалом наполнителя в рабочем состоянии прокладки.

Вместе с этим профилированная металлическая лента на участке спирали, расположенном между слоями наполнителя, имеет по меньшей мере одно перфорационное отверстие, которое выполнено в центральной части профиля металлической ленты с возможностью заполнения материалом наполнителя в рабочем состоянии прокладки.

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.

На фиг.1 показано уплотнение в исходном состоянии, поперечный разрез; на фиг.2 - участок металлической ленты с перфорационным отверстием в центральной части и выемками на кромках (упомянутые выемки и перфорационное отверстие условно показаны в одном сечении); на фиг.3 - уплотнение в кольцевой проточке защитной крышки контейнера в закрытом рабочем положении последней.

В варианте осуществления изобретения с помощью предлагаемого уплотнения обеспечивается, например, уплотнение внутренней герметизирующей (защитной) крышки контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива (не показан).

Уплотнение внутренней защитной крышки 1 содержит установленную в кольцевой проточке "а", выполненной на торцевой поверхности фланца крышки, спирально-навитую прокладку 2. Спирально-навитая прокладка содержит чередующиеся полосы профилированных металлической ленты 3 и наполнителя 4, а также внутреннюю и внешние обмотки 5 и 6 из упомянутой профилированной металлической ленты, витки которых соответственно соединены с помощью, например, контактной точечной сварки. Профилированная металлическая лента 3 на участке спирали, расположенном между слоями наполнителя, имеет прерывистые кромки с образованием выемок "в", которые выполнены с возможностью заполнения материалом наполнителя 4 в рабочем (сжатом) состоянии СНП. Наполнитель 4 спирально-навитой прокладки выполнен из графитовой фольги, например "Графлекс".

В варианте выполнения изобретения профилированная металлическая лента 3 на участке спирали, расположенном между слоями наполнителя 4, имеет по меньшей мере одно перфорационное отверстие "с", которое выполнено в центральной части V-образного профиля металлической ленты 3 с возможностью заполнения материалом наполнителя 4 в рабочем (сжатом) состоянии СНП.

Устройство работает следующим образом.

Уплотнение монтируется в кольцевой проточке "а", выполненной на торцевой поверхности фланца защитной крышки 1. При закрывании защитной крышки 1 осуществляют равномерную затяжку гаек на шпильках, установленных на корпусе 7 контейнера (не показано), т.е. осуществляют затяжку герметизируемого фланцевого соединения. Затяжка гаек сопровождается деформированием СНП. Затяжку гаек осуществляют до контакта друг с другом сопрягаемых поверхностей защитной крышки 1 и основания корпуса 7 контейнера. Сначала при затяжке гаек происходит сжатие СНП, при котором контактирующие с торцевыми поверхностями СНП уплотняемые поверхности защитной крышки и корпуса контейнера воздействуют на боковые кромки металлической профилированной ленты 3. Происходит дополнительный изгиб профиля поперечного сечения СНП. При этом изгибе происходит сжатие наполнителя 4 и последний заполняет выемки "в" и перфорационное отверстие "с". При дальнейшем сближении крышки и контейнера происходит уплотнение наполнителя 4 в зонах выемок "в" и отверстия "с" до необходимого уровня плотности. Таким образом уплотняемый наполнитель 4 прерывает (перекрывает) спиралевидные тракты, по которым возможно протекание среды с высокой проникающей способностью, в результате чего достигается повышение уплотняющей способности спирально-навитой прокладки.

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.

Изобретение может быть использовано для уплотнения защитных крышек контейнеров для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов. Уплотнение включает СНП, содержащую чередующиеся полосы профилированных металлической ленты и наполнителя. Профилированная металлическая лента на участке спирали, расположенном между слоями наполнителя, имеет прерывистые кромки с образованием выемок. Выемки выполнены с возможностью заполнения материалом наполнителя в рабочем (сжатом) состоянии СНП. В варианте выполнения профилированная металлическая лента на участке спирали, расположенном между слоями наполнителя, имеет по меньшей мере одно перфорационное отверстие. Последнее выполнено в центральной части профиля металлической ленты с возможностью заполнения материалом наполнителя в рабочем (сжатом) состоянии СНП. Изобретение обеспечивает возможность создания уплотнения со спирально-навитой прокладкой (СНП), обеспечивающего необходимую герметичность конструкций, работающих со средами с высокой проникающей способностью. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Уплотнение между неподвижными относительно друг друга поверхностями, выполненное в виде спирально навитой прокладки, содержащей чередующиеся полосы профилированных металлической ленты и наполнителя, отличающееся тем, что профилированная металлическая лента на участке спирали, расположенном между слоями наполнителя, имеет прерывистые кромки с образованием выемок, которые выполнены с возможностью заполнения материалом наполнителя в рабочем состоянии прокладки. 2. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что профилированная металлическая лента на участке спирали, расположенном между слоями наполнителя, имеет по меньшей мере одно перфорационное отверстие, которое выполнено в центральной части профиля металлической ленты с возможностью заполнения материалом наполнителя в рабочем состоянии прокладки.