УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПРОКЛАДКА ДЛЯ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F16J15/02 F16L23/02 

Изобретение относится к конструкции уплотнительных прокладок для фланцевых соединений и может быть использовано в установках и аппаратах для работы как при низких, так и высоких температурах, при высоких давлениях, в частности, в разъемах фланцевых соединений трубопроводов для транспортировки углеводородов в жидкой и газообразной форме, сжиженных газов, насосов, фильтров, теплообменных аппаратов и другого оборудования тепловой и атомной энергетики, в химической и нефтегазовой промышленности и других отраслях техники.

Фланцы фланцевых соединений аппаратов и трубопроводов соединяют между собой множеством крепежных элементов, например, болтов, которые проходят через отверстия во фланцах. Чтобы ограничить утечку среды, между параллельными сопрягаемыми поверхностями фланцевого соединения размещают упругую прокладку, которая герметизирует соединение. Болты закрепляют гайками для плотного соединения фланцев друг с другом. Количество болтов, расстояние между ними и геометрическое расположение болтов вокруг фланцев зависит в первую очередь от диаметра фланцев и давления среды, протекающей по фланцевому соединению.

Развитие криогенных технологий в нефтегазовой промышленности расширило диапазон температур применения уплотнительных материалов и повысило требования к эластичности и герметичности прокладок, используемых в криогенном оборудовании. Диапазон применения прокладочных материалов должен составлять от -200°С до +450°С. Обеспечить работоспособность в данном диапазоне температур могут уплотнительные материалы на основе терморасширенного графита.

Известна уплотнительная прокладка для фланцевого соединения, содержащая уплотнительное кольцо, выполненное из терморасширенного графита (ТРГ), по внутреннему и наружному диаметрам которого установлены внутренний и наружный обтюраторы (см., например, ЕР 0935085, F16J 15/12, опубл. 11.08.1999, SGL TECHNIK GMBH [DE]). Данная уплотнительная прокладка является наиболее близким аналогом к заявленной уплотнительной прокладке для фланцевого соединения.

Техническая проблема заключается в том, что указанная уплотнительная прокладка не полностью соответствует требованиям современной технологии уплотнений в отношении герметичности. К недостаткам данной прокладки относится высокая газопроницаемость, малая устойчивость к высоким давлениям среды, поскольку графитовый слой на поверхности прокладок является недостаточно прочным и может быть размыт средой с высоким давлением, жидким метаном, а также высокая вероятность перекоса при монтаже во фланцевом соединении. При затяжке фланцевых соединений с помощью крепежных элементов затяжка осуществляется по определенной схеме, в результате чего могут возникать перекосы уплотнения, которые могут привести к неравномерному обжатию и высокому уровню газопроницаемости. При стягивании фланцев уплотнительная прокладка обжимается и не исключено ее пережатие, при котором повышается давление на уплотнительное кольцо, и из-за малой устойчивости графитового материала к высоким давлениям может произойти смятие обтюраторов, разрушение уплотнительного кольца и «растекание» терморасширенного графита, и, соответственно, разгерметизация фланцевого соединения.

Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в устранении указанных выше недостатков, в создании уплотнительной прокладки с высокой прочностью на сжатие, подходящей для рабочих температур от - 200°С до 450°С, при которой достигается повышенная герметичность.

Технический результат достигается тем, что уплотнительная прокладка для фланцевого соединения содержит уплотнительное кольцо толщиной h₁, выполненное из по меньшей мере одного слоя из терморасширенного графита, по внутреннему и наружному диаметрам которого установлены внутренний и наружный обтюраторы, и внешнее ограничительное кольцо толщиной h₂, охватывающее уплотнительное кольцо, выполненное из металла и имеющее по меньшей мере на части каждой из его торцевых поверхностей, прилегающей к уплотнительному кольцу, концентрические зубцы, на которые нанесен слой из мягкого уплотнительного материала, при этом толщина h₁ уплотнительного кольца больше толщины h₂ внешнего ограничительного кольца.

Предпочтительно, уплотнительное кольцо выполнено из терморасширенного графита объемной плотностью 1,3-1,7 г/см³.

При этом каждый из обтюраторов выполнен из полосы из нержавеющей стали, у которой края отогнуты в сторону уплотнительного кольца.

Внешнее ограничительное кольцо может быть выполнено из нержавеющей стали.

Слой из мягкого уплотнительного материала, нанесенного на концентрические зубцы каждой из торцевых поверхностей внешнего ограничительного кольца, может быть выполнен из терморасширенного графита.

Внутри уплотнительного кольца может быть размещено внутреннее ограничительное кольцо, выполненное из металла.

При этом внутреннее ограничительное кольцо может быть выполнено из нержавеющей стали.

Уплотнительное кольцо может быть выполнено из по меньшей мере одного слоя из неармированного терморасширенного графита, или из терморасширенного графита, армированного по меньшей мере одним перфорированным металлическим листом, или тканой или просечно-вытяжной сеткой из металла, или комбинацией указанных слоев из терморасширенного графита.

Также, уплотнительное кольцо может быть выполнено из терморасширенного графита в виде плетеной сальниковой набивки.

Вышеизложенные особенности и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания предпочтительных примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 представлено схематичное изображение в разрезе фланцевого соединения с размещенной между фланцами уплотнительной прокладкой для фланцевого соединения, в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.2 - схематичное изображение в разрезе уплотнительной прокладки для фланцевого соединения, в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.3 - схематичное изображение в разрезе уплотнительной прокладки для фланцевого соединения с внутренним ограничительным кольцом, в соответствии с настоящим изобретением.

На указанных фигурах для представления одинаковых элементов используются одинаковые позиции:

1 и 2 - фланцы фланцевого соединения;

3 - крепежные элементы фланцевого соединения;

4 и 5 - торцевые поверхности фланцев 1 и 2 фланцевого соединения;

6 - уплотнительное кольцо;

7 - внутренний обтюратор;

8 - наружный обтюратор;

9 - внешнее ограничительное кольцо;

10 - концентрические зубцы на торцевых поверхностях внешнего ограничительного кольца 9;

11 - слой из мягкого уплотнительного материала внешнего ограничительного кольца 9;

12 - внутренне ограничительное кольцо.

Уплотнительная прокладка для фланцевого соединения предназначена для размещения между фланцами 1 и 2 фланцевого соединения разъема оборудования для его герметизации. Фланцы 1 и 2 стягивают между собой посредством, например, крепежных элементов 3, при этом уплотнительная прокладка зажимается между торцевыми поверхностями 4 и 5 соответствующих фланцев 1 и 2.

Уплотнительная прокладка для фланцевого соединения содержит уплотнительное кольцо 6 толщиной h₁, выполненное из по меньшей мере одного слоя из терморасширенного графита. Предпочтительно, уплотнительное кольцо 6 выполнено из по меньшей мере одного слоя графитовой фольги - газо- и жидкостнонепроницаемого гибкого и мягкого материала, который имеет высокую стабильность сжимаемости и упругой отдачи, высокую прочность при сжатии, отсутствует холодная и горячая текучесть, устойчив к воздействию большинства рабочих сред, применим как при низких, так и при высоких температурах, устойчив к старению и растрескиванию, легко поддается обработке и экологически безвреден. При этом, предпочтительно, использовать графитовую фольгу объемной плотностью 0,7 - 1,7 г/см3.

Уплотнительное кольцо 6 может быть выполнено из по меньшей мере из одного слоя из неармированного терморасширенного графита, или из терморасширенного графита, армированного по меньшей мере одним перфорированным металлическим листом, или тканой или просечно-вытяжной сеткой из металла, или комбинацией указанных слоев из терморасширенного графита. Уплотнительное кольцо 6 также может быть выполнено из терморасширенного графита в виде плетеной сальниковой набивки. Могут быть подобраны различные комбинации слоев терморасширенного графита в зависимости от конструкции фланцев, рабочих показателей температуры и давления, условий эксплуатации.

По внутренней окружности уплотнительного кольца 6 установлен внутренний обтюратор 7, а по наружной окружности уплотнительного кольца 6 установлен наружный обтюратор 8.

Обтюратор - это замыкающее защитное устройство в виде кольца из коррозионностойкой стальной ленты для исключения контакта прокладки с рабочей окислительной средой (Стандарт организации прокладки для фланцевых соединений на основе безасбестовых материалов «ГРАФЛЕКС» Общие технические условия СТО 00220575.001-2007 (Дочернее открытое акционерное общество «Центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры» (ДОАО ЦКБН ОАО «Газпром») Москва 2007, с. 3). Каждый из обтюраторов выполнен из полосы из нержавеющей стали, у которой края отогнуты в сторону уплотнительного кольца. Обтюратор придает жесткость уплотнительной прокладке, позволяет уплотнительной прокладке не терять форму при затяжке, обеспечивая повышенную прочность прокладки и удобство в обращении с прокладкой при монтаже, а также ограничивает контакт терморасширенного графита с рабочей средой.

С внешней стороны уплотнительного кольца 6 с внешним обтюратором 8 расположено внешнее ограничительное кольцо 9, т.е. внешнее ограничительное кольцо 9 охватывает уплотнительное кольцо 6.

Внешнее ограничительное кольцо 9 выполнено из металла, предпочтительно, из нержавеющей стали, и имеет толщину h₂. При этом толщина h₁ уплотнительного кольца 6 больше толщины h₂ охватывающего его внешнего ограничительного кольца 9: h₁>h₂ (фиг.2).

На каждой из торцевых поверхностей внешнего ограничительного кольца 9 выполнены концентрически расположенные зубцы 10. При этом концентрические зубцы 10 могут быть выполнены как на части каждой из торцевых поверхностей внешнего ограничительного кольца 9, прилегающей к уплотнительному кольцу 6, так и на всей указанной торцевой поверхности внешнего ограничительного кольца 9.

На каждую из торцевых поверхностей внешнего ограничительного кольца 9 поверх концентрических зубцов нанесен слой 11 из мягкого уплотнительного материала, предпочтительно, из терморасширенного графита, который предотвращает прямой контакт металла внешнего ограничительного кольца 9 с металлом фланцев 1, 2, и, при обжатии уплотнительной прокладки между фланцами фланцевого соединения, компенсирует дефекты поверхностей фланцев 1, 2, и тем самым снижает возможность промывания терморасширенного графита.

Внешнее ограничительное кольцо 9 является компрессионным ограничителем, то есть ограничивает сжатие уплотнительного кольца 6 по высоте, тем самым защищает уплотнительное кольцо 6 от переобжатия, и, следовательно, предотвращает внешний 8 и внутренний 7 обтюраторы и уплотнительное кольцо 6 от разрушения и растекания ТРГ во время монтажа уплотнительной прокладки между фланцами фланцевого соединения. Внешнее ограничительное кольцо 9 поддерживает уплотнительное кольцо 6 с внешним обтюратором 8 в диаметральном направлении с внешней стороны, предотвращая «растекание» ТРГ при увеличенных внешних нагрузках при затягивании болтов фланцевого соединения. При выполнении внешнего ограничительного кольца 9 с внешним диаметром, соответствующим расстоянию до крепежных элементов 3, скрепляющих фланцы 1, 2, внешнее ограничительное кольцо 9 выполняет функцию дистанцирующего элемента, центрирующего уплотнительную прокладку относительно оси фланцевого соединения по крепежным элементам 3.

Внутри уплотнительного кольца 6 с внутренним обтюратором 7 может быть размещено внутреннее ограничительное кольцо 12, т.е. уплотнительное кольцо 6 охватывает внутреннее ограничительное кольцо 12. Внутреннее ограничительное кольцо 12 выполнено из металла, предпочтительно, из нержавеющей стали. Внутреннее ограничительное кольцо 12 при увеличенных внешних нагрузках поддерживает уплотнительное кольцо 6 с внутренней стороны в радиальном направлении, предотвращая уплотнительное кольцо 6 от разрушения и «растекания» ТРГ.

Уплотнительную прокладку, для обеспечения герметичности фланцевого соединения аппаратов и трубопроводов, устанавливают между фланцами 1, 2 соединяемых деталей, и фланцы 1, 2 стягивают между собой посредством крепежных элементов 3, например, стяжных болтов.

При затягивании крепежных элементов 3 фланцевого соединения за счет того, что толщина h₁ уплотнительного кольца 6 больше толщины h₂ размещенного снаружи него внешнего ограничительного кольца 9 (h₁>h₂), сначала происходит сжатие уплотнительного кольца 6. Затем торцы 4, 5 фланцев 1, 2 опираются на внешнее ограничительное кольцо 9, которое является компрессионным ограничителем, то есть ограничивает сжатие уплотнительного кольца 6 по высоте, тем самым защищает уплотнительное кольцо 6 с обтюраторами 7, 8 от сминания, и, следовательно, предотвращает уплотнительное кольцо 6 с обтюраторами 7, 8 в процессе монтажа уплотнительной прокладки между фланцами 1, 2 фланцевого соединения от разрушения и растекания ТРГ и выдавливания прокладки наружу фланца.

В процессе работы оборудования внешнее ограничительное кольцо 9, являющееся ограничителем сжатия, за счет концентрических зубцов 10 обеспечивает низкую газопроницаемость, герметизацию фланцевого соединения за счет упругости воспринимающих внешнюю нагрузку концентрических зубцов 10 и мягкого уплотнительного материала 11.

При этом, в условиях воздействия низких температур в процессе захолаживания натяжение крепежные элементы 3 во фланцевом соединении снижается на существенные значения. При термоциклировании в процессе работы оборудования напряжение на крепежных элементах может снижаться на 30%, что приводит к раскрытию фланцев 1, 2. Прослабление возникает за счет неравномерного охлаждения фланцев 1, 2, когда основное тело фланцев 1,2 в области прокладки остывает и за счет линейного термического расширения сжимается, а крепежные элементы 3 находятся на внешней части фланцевого соединения и имеют более высокую температуру. В результате прослабления может возникнуть снижение удельного давления на уплотнительной прокладке ниже минимально допустимых значений, что может привести к разгерметизации и утечкам. Указанное прослабление носит ограниченный по времени характер (от одного до нескольких часов) и оно практически исчезает при стабилизации температуры по всему объему фланца.

Т.к. эластичность (восстанавливаемость) металлического внешнего ограничительного кольца 9 недостаточно высока, чтобы компенсировать раскрытие фланцев 1, 2 в результате термоциклирования., сохранение герметичности фланцевого соединения в периоды циклов разогрева и охлаждения и снижения удельного давления на уплотнительной прокладке обеспечивает уплотнительное кольцо 6 - компонента, состоящая из ТРГ, которое обладает высокой эластичностью и восстанавливаемостью, отлично адаптирует неровности и шероховатости.

Таким образом, предлагаемая уплотнительная прокладка для фланцевого соединения удовлетворяет всем требованиям уплотнения, предъявляемым как к высоким, так и к низким температурам в диапазоне от -200°С до +450°С и высокому давлению, позволяет избежать разгерметизации фланцев при циклическом воздействии криогенных температур, обеспечивает постоянное напряжение уплотнения при переменной нагрузке, а также обеспечивает безопасное и надежное уплотнение даже в тяжелых рабочих условиях.

Описанные выше примеры осуществления и чертежи следует во всех аспектах рассматривать лишь как иллюстративные и не обуславливающие никаких ограничений. Следовательно, могут быть использованы другие примеры осуществления настоящего изобретения и примеры внедрения, которые не выходят за пределы описанных здесь существенных признаков.

Изобретение относится к конструкции уплотнительных прокладок для фланцевых соединений и может быть использовано в установках и аппаратах для работы как при низких, так и высоких температурах в диапазоне от -200°С до +450°С, при высоких давлениях, в частности, в разъемах фланцевых соединений трубопроводов для транспортировки углеводородов в жидкой и газообразной форме, сжиженных газов, насосов, фильтров, теплообменных аппаратов и другого оборудования тепловой и атомной энергетики, в химической и нефтегазовой промышленности и других отраслях техники. Уплотнительная прокладка для фланцевого соединения содержит уплотнительное кольцо толщиной h₁, выполненное из по меньшей мере одного слоя из терморасширенного графита, по внутреннему и наружному диаметрам которого установлены внутренний и наружный обтюраторы, и внешнее ограничительное кольцо толщиной h₂, охватывающее уплотнительное кольцо, выполненное из металла и имеющее по меньшей мере на части каждой из его торцевых поверхностей, прилегающей к уплотнительному кольцу, концентрические зубцы, на которые нанесен слой из мягкого уплотнительного материала, при этом толщина h₁ уплотнительного кольца больше толщины h₂ внешнего ограничительного кольца. Изобретение удовлетворяет всем требованиям уплотнения, предъявляемым как к высоким, так и к низким температурам и высокому давлению, и может обеспечивать постоянное напряжение уплотнения при переменной нагрузке, а также может обеспечивать безопасность и надежность уплотнения даже в тяжелых рабочих условиях. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Уплотнительная прокладка для фланцевого соединения, содержащая уплотнительное кольцо толщиной h₁, выполненное из по меньшей мере одного слоя из терморасширенного графита, по внутреннему и наружному диаметрам которого установлены внутренний и наружный обтюраторы, и внешнее ограничительное кольцо толщиной h₂, охватывающее уплотнительное кольцо, выполненное из металла и имеющее по меньшей мере на части каждой из его торцевых поверхностей, прилегающей к уплотнительному кольцу, концентрические зубцы, на которые нанесен слой из мягкого уплотнительного материала, при этом толщина h₁ уплотнительного кольца больше толщины h₂ внешнего ограничительного кольца.

2. Прокладка по п. 1, в которой уплотнительное кольцо выполнено из терморасширенного графита объемной плотностью 1,3-1,7 г/см³.

3. Прокладка по п. 1, в которой каждый из обтюраторов выполнен из полосы из нержавеющей стали, у которой края отогнуты в сторону уплотнительного кольца.

4. Прокладка по п. 1, в которой внешнее ограничительное кольцо выполнено из нержавеющей стали.

5. Прокладка по п. 1, в которой слой из мягкого уплотнительного материала, нанесенного на концентрические зубцы каждой из торцевых поверхностей внешнего ограничительного кольца, выполнен из терморасширенного графита.

6. Прокладка по п. 1, в которой внутри уплотнительного кольца размещено внутреннее ограничительное кольцо, выполненное из металла.

7. Прокладка по п. 6, в которой внутреннее ограничительное кольцо выполнено из нержавеющей стали.

8. Прокладка по п. 1, в которой уплотнительное кольцо выполнено из по меньшей мере одного слоя из неармированного терморасширенного графита, или из терморасширенного графита, армированного по меньшей мере одним перфорированным металлическим листом, или тканой или просечно-вытяжной сеткой из металла, или комбинацией указанных слоев из терморасширенного графита.

9. Прокладка по п. 1, в которой уплотнительное кольцо выполнено из терморасширенного графита в виде плетеной сальниковой набивки.