Уплотнение для трубопровода (варианты) Российский патент 2004 года по МПК F16L17/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, к уплотнениям для трубопроводов различных систем и установок, работающих при изменяющейся температуре, но, главным образом, для трубопроводов, передающих пар или горячую воду на большие расстояния.

Известны сильфонные уплотнения, применяющиеся в химической промышленности, в теплоэнергетике и атомной энергетике, преимуществом которых является полная герметичность при качественном выполнении сварных швов (Г.М. Говедко, В.И. Есарев, В.Д. Дубчак, СПб, Энергоатомиздат, 1993, стр. 11-24, рис. 1.3-1.9).

Недостатком известных сильфонных уплотнений является небольшая компенсирующая способность одной линзы сильфона. Для осевой компенсации существенных тепловых расширений более 25 мм требуется более 4-х линз. Это определяет высокую трудоемкость и соответственно стоимость изготовления штамповки линз из специальной нержавеющей стали, большие периметры стыковых сварных швов. Уплотнения этого типа в поперечном направлении имеют в несколько раз меньшую податливость, чем в продольном. Кроме того, вследствие малых толщин материалов линз, существенно меньших, чем толшина стенки трубы, уплотнения этого типа применяются только при давлении среды в трубопроводе не более 1,6 МПа (~ 16 кг/см²).

Известны сальниковые уплотнения, соответствующая набивка которых позволяет использовать их для повышенных температур и давлений рабочей среды до 2,5 МПа (Г.М. Говедко, В.И. Есарев, В.Д. Дубчак, СПб. Энергоатомиздат, 1993, стр. 24-30, рис. 1.11).

Эти уплотнения могут компенсировать большие относительные осевые перемещения трубопроводов до 500 мм.

Недостатками известных уплотнений является то, что они не могут компенсировать поперечные относительные перемещения трубопроводов, кроме того, они недостаточно герметичны, сальниковая набивка истирается, уплотняется и при частых циклах перемещений начинает пропускать рабочее тело.

Известны уплотнения с поршневыми кольцами, которые уплотняют пару “поршень-цилиндр”, компенсируя относительное перемещение их. Уплотнительные кольца установлены по посадке на одной из труб и с радиальным зазором относительно противоположной трубы с фиксацией крайнего кольца со стороны внутренней полости на одной из труб. Кольца изготавливаются с радиальным разрезом так, что за счет упругости их после установки внутренней трубы в наружную образуется достаточно плотное и подвижное соединение (А.Д. Трухний, С.М. Лосев, Стационарные паровые турбины, Москва, Энергоиздат, 1981, стр. 92 - прототип). Эти уплотнения возможно использовать при больших перепадах давления температур между внутренней и внешней полостями.

Недостатками известных уплотнений являются негерметичность из-за наличия радиальных щелей и истирания поршневых колец и внутренней поверхности наружной трубы вследствие больших сил трения, возможность “закусывания”, “заедания” при попадании в уплотнительные зазоры вредных примесей, имеющихся в рабочей среде или со стенок труб (окалина, соли и т.п.), а также плохая демпфирующая способность при различных ударных или других импульсных, например, сейсмических возмущениях.

Заявляемое решение позволяет уменьшить силы трения, исключить (уменьшить) “заедания” уплотнительных элементов при тепловых перемещениях участков трубопровода, “закусывания” уплотнительных колец при попадании в зазоры вредных примесей, повысить герметичность уплотнения трубопровода при повышенных давлениях внутри труб и предохранить уплотнение и трубопровод от разрушения при импульсных гидравлических или сейсмических возмущениях.

Предложено уплотнение для трубопровода (вариант 1), включающее внутреннюю и наружную трубы и уплотнительные кольца, в котором уплотнительные кольца установлены по посадке на одной из труб с радиальным зазором относительно противоположной трубы с фиксацией крайнего кольца со стороны внутренней полости на одной из труб, при этом крайние кольца установлены в кольцевых пазах колец-обойм и поджаты в сторону противоположных крайних колец, например, с помощью пружин, кроме того, в осевых зазорах между кольцами и в радиальных зазорах между кольцами и трубами размещена вязкая антифрикционная жидкость или расплав металла.

Предложено уплотнение для трубопровода (вариант 2), включающее внутреннюю и наружную трубы и уплотнительные кольца, в котором уплотнительные кольца установлены по посадке на одной из труб с радиальным зазором относительно противоположной трубы с фиксацией крайнего кольца со стороны внутренней полости на одной из труб, при этом крайние кольца установлены в кольцевых пазах колец-обойм и поджаты в сторону противоположных крайних колец, например, с помощью пружин, между крайними кольцами-обоймами установлено промежуточное кольцо с осевыми камерами между ними, сумма осевых размеров которых не меньше перемещения внешней трубы относительно внутренних труб, кроме того, в осевых зазорах между кольцами и в радиальных зазорах между кольцами и трубами размещена вязкая антифрикционная жидкость или расплав металла.

Промежуточное кольцо может быть зафиксировано на внешней трубе с незафиксированным крайним кольцом.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен вариант 1 устройства; на фиг. 2, 3 - вариант 2 устройства.

Уплотнение для трубопровода (вариант 1) включает внутренние трубы 1 и 2, разделенные осевыми зазорами “а”, рассчитанными на относительное тепловое расширение их, наружную трубу 3, соединенную кольцевой стенкой 4 с трубой 2. На внутренней трубе 1 у ее конца, обращенного к трубе 2, установлено в кольцевом пазу стопорное упорное кольцо 5 и по плотной посадке уплотнительные кольца 6, 7, 8. Внутри наружной трубы 3 расположена уплотнительная обечайка 9, образованная, например, путем наплавки твердого металла. На обечайке 9 установлены по подвижной посадке с малым зазором уплотнительные кольца-обоймы 10, 11, 12. Крайние кольца-обоймы 10, 11 выполнены как обоймы с кольцевым пазом 13, в котором установлены крайние внутренние кольца 6, 8 по подвижной посадке с малым зазором. Радиальные размеры уплотнительных колец таковы, что между внешними кольцами-обоймами 10, 11, 12 и внутренней трубой 1, между внутренними кольцами 7 и наружной обечайкой 9, а также между внутренними кольцами 8 и дном паза кольца-обоймы 10 образованы значительные радиальные зазоры, рассчитанные на возможное поперечное смещение трубы 2 относительно трубы 1 или наоборот. В осевых зазорах “в” между кольцами и в радиальных зазорах 14 между кольцами и трубами размещена (при сборке залита) вязкая антифрикционная жидкость или расплав металла. Крайнее уплотнительное кольцо 10 поджато к остальным кольцам усилием пружин 15 через прижимное кольцо-фланец 16. Пружины 15 поджаты на заданное усилие болтами 17 между фланцем 16 и опорным кольцом 18, с применением гаек 19, головки болтов 17 упираются в кольцо 20, укрепленное на наружной трубе 3.

Исполнение устройства по варианту 1 рекомендуется для трубопроводов с относительно большим давлением внутренней рабочей среды и соответственно большим перепадом давления на уплотнение, а также при необходимости демпфировать существенные импульсные возмущения в поперечных направлениях и небольшие импульсные возмущения - в осевых направлениях.

Уплотнение для трубопровода (вариант 2) включает внутренние трубы 1 и 2, наружную трубу 3. На внутренней трубе 1 у ее конца, обращенного к трубе 2, установлено в кольцевом пазу стопорное упорное кольцо 5 и по плотной посадке уплотнительные кольца 6, 8. Внутри наружной трубы 3 расположена уплотнительная обечайка 9, образованная, например, путем наплавки твердого металла. На обечайке 9 установлены по подвижной посадке с малым зазором уплотнительные кольца 10 и 11. По крайней мере одно из крайних колец 10, 11 выполнены как обоймы с кольцевым пазом 13, в котором установлено крайнее внутреннее кольцо 6, 8. Между крайними кольцами-обоймами 10, 11 установлено по посадке на внешней трубе 3 с фиксацией от осевого смещения промежуточное кольцо 21 с образованием между ним и внутренней трубой 1 радиальной камеры 14, а между ним и крайними кольцами 10, 11 осевых камер 22, 23 с осевыми размерами “с” и “е”, сумма которых не меньше заданного перемещения кольца. Крайнее кольцо 8 поджато в сторону противоположного крайнего кольца 6 усилием пружин 15 через прижимное кольцо-фланец 16. Пружины 15 поджаты на заданное усилие болтами 17 между фланцем 16 и опорным кольцом 18 с применением гаек 19, головки болтов 17 упираются в кольцо 20, укрепленное на наружной трубе 3. В осевых зазорах между крайними кольцами 10, 11, то есть в камерах 22, 23, а также в радиальных зазорах между кольцами и трубами, то есть в камерах 13, 14, размещена вязкая антифрикционная жидкость или расплав металла. В стенках наружной трубы 3 и обечаек 9 выполнены отверстия 24, предназначенные для заполнения или выпуска вязкой жидкости или расплава металла из камер 14, 22, 23, эти отверстия закрыты пробками 25.

Исполнения устройства по варианту 2 рекомендуются для трубопроводов с относительно небольшим давлением внутренней рабочей среды, рассчитанным на большие или очень большие относительные перемещения участков трубопровода в осевом направлении (соответственно исполнения по фиг. 2 или 3, на большие относительные перемещения и перекосы осей участков труб в поперечном направлении, а также при необходимости демпфировать существенные импульсные возмущения в поперечном направлении, большие или очень большие импульсные возмущения - в осевом направлении (исполнения по фиг. 2 или фиг. 3).

Возможно исполнение устройства по варианту 2, когда промежуточное кольцо 21 зафиксировано на трубе с незафиксированными крайними кольцами 6, 8 (фиг. 3). При этом сумма осевых размеров “с” и “е” осевых камер 22, 23 должны быть не меньше заданного перемещения внешней трубы 3 относительно труб 1 и 2. Эти размеры выставляются путем, например, подбора длин уплотнительных обечаек 9, 26.

Уплотнение (вариант 1) работает следующим образом.

Внешняя труба 3 зафиксирована от осевого смещения. При заполнении трубопровода горячим рабочим телом (вода, пар) участки внутренних труб 1 и 2 расширяются относительно трубы 3, внешние уплотнительные кольца 10, 11 скользят по обечайке 9. Давление рабочей среды внутри трубопровода прижимает крайнее кольцо 10 к крайнему внутреннему кольцу 6. С другой, внешней, стороны пружины 15 через кольцо-фланец 16 поджимают внешнее крайнее кольцо 11 к внутреннему крайнему кольцу 8. При радиальных относительных смещениях участков 1 и 2 внутренней трубы или угловых перекосах соответствующим образом смещаются в радиальных направлениях кольца 7, 10, 11, 12 относительно трубы 1 или 2, в пазах колец 10, 11 сдвигаются кольца 6 и 8, при этом изменяются размеры радиальных зазоров 14, 13. В то же время вязкая жидкость в радиальных зазорах 13 прижимает изнутри кольцо 11 к кольцу 8, а кольцо 10 к кольцу 6, прижимая его к упору 5, уплотняя и посадочные зазоры между кольцами 10, 11 и обечайкой 9 трубы 3. Вязкая жидкость или расплав металла играет роль смазки, уменьшая трение уплотнительных колец 10, 11, 12, предотвращая “спекание”, заполнение зазоров абразивными частицами и “закусывание” уплотнительных колец, повышая тем самым надежность работы уплотнения.

Уплотнение (вариант 2) работает следующим образом.

При заполнении трубопровода горячим рабочим телом (вода, пар) участки внутренних труб 1 и 2 расширяются к середине трубы 3, внешние уплотнительные кольца 10, 11 скользят по обечайкам 9. Давление рабочей среды внутри трубопровода принимает крайнее кольцо 10 к крайнему внутреннему кольцу 6. С другой, внешней, стороны пружины 15 через прижимное кольцо-фланец 16 поджимают внешнее крайнее кольцо 11 к внутреннему крайнему кольцу 8. При радиальных относительных смещениях участков 1 и 2 внутренней трубы или угловых перекосах соответствующим образом смещаются в радиальных направлениях кольца 10, 11 относительно трубы 1 или 2, в их пазах сдвигаются кольца 6 и 8, а кольца 21 относительно трубы 3 (по фиг. 2) или труб 1 (по фиг. 3), изменяя при этом размеры радиальных зазоров 13, 14. В то же время вязкая жидкость или расплав металла в осевых камерах 22, 23 прижимает изнутри кольцо 11 к кольцу 8, а кольцо 10 к кольцу 6, прижимая его к упору 5, уплотняя и посадочные зазоры между кольцами 10, 11 и обечайкой 9 трубы 3. В процессе тепловых перемещений участков труб 1, 2 кольца 21 играют роль дополнительного уплотнения из-за сравнительно малого размера радиального зазора 13.

В случае импульсного возмущения во внутренней или внешней среде, например гидравлический удар, кольца 21 демпфируют эти колебания, поскольку вязкая жидкость или расплав металла не позволяет им быстро перемещаться по трубе 1 или 2, она замедленно протекает через радиальные зазоры 14, смягчая удар в торце колец 10, 11, 6, 8, 5.

При исполнении по фиг. 3 зафиксированное на внешней трубе 3 кольцо 21 может воспринимать очень большие, например, сейсмические, импульсные возмущения, поскольку чтобы разрушить (срезать) его потребуются очень значительные осевые усилия, чему будет препятствовать возрастание давления вязкой жидкости в осевых камерах 22 или 23 (в зависимости от направления импульса).

Во время эксплуатации уплотнения можно, без демонтажа его, регулировать объем вязкой жидкости или расплава металла в камерах 13, 14, 22, 23 путем поджатия пружин 15 и впускам или выпускам вязкой жидкости из отверстий 24, поджатием пружин 15 можно регулировать также давление внутри этих камер, уплотняя тем самым по торцам смежные кольца 6, 7, 8, 10, 11, 12.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, к уплотнениям для трубопроводов различных систем и установок, работающих при изменяющейся температуре, но, главным образом, для трубопроводов, передающих пар или горячую воду на большие расстояния. Уплотнение для трубопровода включает внутреннюю и наружную трубы и уплотнительные кольца. Уплотнительные кольца установлены по посадке на одной из труб с радиальным зазором относительно противоположной трубы с фиксацией крайнего кольца со стороны внутренней полости на одной из труб. Крайние кольца установлены в кольцевых пазах колец-обойм и поджаты в сторону противоположных крайних колец, например, с помощью пружин. В осевых зазорах между кольцами и в радиальных зазорах между кольцами и трубами размещена вязкая антифрикционная жидкость или расплав металла. Описан второй вариант. Изобретение позволяет уменьшить силы трения, уменьшить “заедания” уплотнительных элементов при тепловых перемещениях участков трубопровода, “закусывания” уплотнительных колец при попадании в зазоры вредных примесей, повысить герметичность уплотнения трубопровода при повышенных давлениях внутри труб и предохранить уплотнение и трубопровод от разрушения при импульсных гидравлических или сейсмических возмущениях. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Уплотнение для трубопровода, включающее внутреннюю и наружную трубы и уплотнительные кольца, отличающееся тем, что уплотнительные кольца установлены по посадке на одной из труб с радиальным зазором относительно противоположной трубы с фиксацией крайнего кольца со стороны внутренней полости на одной из труб, при этом крайние кольца установлены в кольцевых пазах колец-обойм и поджаты в сторону противоположных крайних колец, например, с помощью пружин, кроме того, в осевых зазорах между кольцами и в радиальных зазорах между кольцами и трубами размещена вязкая антифрикционная жидкость или расплав металла.2. Уплотнение для трубопровода, включающее внутреннюю и наружную трубы и уплотнительные кольца, отличающееся тем, что уплотнительные кольца установлены по посадке на одной из труб и с радиальным зазором относительно противоположной трубы с фиксацией крайнего кольца со стороны внутренней полости на одной из труб, при этом крайние кольца установлены в кольцевых пазах колец-обойм, и поджаты в сторону противоположных крайних колец, например, с помощью пружин, между крайними кольцами-обоймами установлено промежуточное кольцо с осевыми камерами между ними, сумма осевых размеров которых не меньше перемещения внешней трубы относительно внутренних труб, кроме того, в осевых зазорах между кольцами и в радиальных зазорах между кольцами и трубами размещена вязкая антифрикционная жидкость или расплав металла.3. Уплотнение для трубопровода по п. 2, отличающееся тем, что промежуточное кольцо зафиксировано на внешней трубе с незафиксированным крайним кольцом.