Герметичное соединение трубопроводов

 

Использование: соединительная арматура многоразового использования для систем высокого давления, криогенных жидкостей и высоковакуумных соединений, других систем, в коммуникационных линиях которых не допускаются неметаллические соединения. Сущность изобретения: соединение содержит фланцы 3,4 с уплотнительными поверхностями 6, уплотнительную втулку, 7 снабженную на ее концах кольцевыми сферическими элементами 9 упруго соединенными с концами. Элементы 9 контактируют с уплотнительными поверхностями 6 каждого из фланцев 3,4. При ином выполнении уплотнительной втулки она соединена с одним из фланцев жестко, а на свободном конце выполнен сферический кольцевой элемент. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к соединениям трубопроводов и может быть использовано в системах недопускающих применения неметаллических уплотняющих прокладок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, является соединение трубопроводов, содержащее на концах соединяемых труб фланцы с внутренними уплотняющими поверхностями, размещенную между ними уплотнительную втулку и элементы, стягивающие фланцы (см. патент США N 4214763, кл. F 16 L 23/00, 1980 г.).

Встречное стягивание двух фланцев с расположенной между ними уплотнительной втулкой приводит к возникновению и дальнейшему увеличению площади контакта поверхностей фланца и втулки, в следствии чего происходит герметизация соединения. Но герметизация происходит из за большой площади контакта двух сопрягаемых конических поверхностей фланцев и втулки, что требует приложения больших усилий сжатия фланцев, накладывает высокие требования к размерной точности изготовления элементов уплотнения (фланцев и втулки), их соосности, чистоте поверхности и тщательности сборки. Любые внешние нагрузки трубопровода через фланцы передаются местам контакта фланцев и уплотняющей втулки, нарушая его герметичность.

Задачей предлагаемого изобретения является создание цельнометаллического герметичного уплотнения многократного использования с малым усилием, потребным для достижения полной герметизации соединения, с невысокими требованиями к точности исполнения и сборки, защищенного от воздействия внешних нагрузок, хорошо приспособленного к массовому производству и невысокой стоимостью изготовления.

Технический результат достигается за счет использования сил деформации стального кольцевого сферического упругого элемента, размещенного, по крайней мере, на одном конце уплотнительной втулки, контактирующего с уплотнительной поверхностью фланца по линии, совпадающей с контуром поперечного сечения в плоскости, проходящей через указанную линию контакта.

На фиг.1 показан общий вид соединения в сборе, в разрезе; на фиг.2 узел А на фиг.10, увеличенное изображение места контакта фланца и уплотнительной втулки; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. до сжатия фланца и уплотнительной втулки; на фиг.4 то же, что и на фиг.3, после сжатия фланца и уплотнительной втулки; на фиг.5 вариант соединения сваркой кольцевого сферического упругого элемента с уплотнительной втулкой;на фиг.6 вариант выполнения за одно целое уплотнительной влутки с фланцем; на фиг.7 вариант использования быстрозажимного соединения с помощью хомута-защелки (speed clamp); на фиг.8 - вид по стрелке В на фиг.7.

Соединение содержит трубы (1, 2) с фланцами (3, 4) на концах, стянутые между собой элементами: болтами (5) (или другим иным способ). На внутренней поверхности каждого фланца (3, 4) выполнена цилиндрическая заточка, кромка (6) которой является уплотняющей поверхностью. Между фланцами (3, 4) расположена металлическая уплотнительная втулка (7) с буртиком (8), снабженная на ее конце (концах) кольцевым сферическим упругим эжлементом (9) радиус (г), наружная поверхность которого является уплотняющей поверхностью. Кольцевой сферический упроугий элемент (9) может быть выполнен за одно целое с уплотнительной втулкой (7) (см. фиг.1). Радиус (r), толщина перемычки (а) и стенки (d), величина "наката" сферы (с), механические и физические свойства материала втулки определяют работоспособность и срок службы уплотнения. На наружной поверхности уплотнительной втулки в средней ее части выполнен буртик (8), который служит ограничением величины перемещения втулки (7) во внутрь фланцев (3, 4) при их сжатии.

Возможно изготовление втулки (7) и кольцевого сферического упругого элемента (9) из различных материалов, герметично соединенных между собой любым известным способом, например, сваркой (фиг.5), В этом случае определяющим будут механические и физические свойства материала кольцевого сферического упругого элемента (9).

Возможно изготовление за одно целое уплотняющей втулки и фланца (фиг.6). При этом варианте уплотнение трубопровода происходит только по одной рабочей кромке (6), что повышает надежность герметизации и технологичность изготовления.

Создание герметичного контакта двух поверхностей на малой площади не требует применения больших сжимающих усилий, что допускает использование в качестве сжимающего фланцы устройства широкораспространенные быстрозажимные хомуты-защелки (speed clamps) поз.10, фиг.7, 8). Это дает возможность при наличии стандартных элементов арматуры (угольники, тройники и крестовины) производить быстрый монтаж разветвленных трубопроводов на металлических уплотнениях.

Работа уплотнения.

Поперечное сечение любого тела вращения, изготовленного любым способом, отличается от идеального круга.

Этот фактор заложен в принципе работы данного изобретения.

При сжатии фланцев (3, 4) любым известным способом, они своими рабочими кромками (6) охватывают внешние рабочие поверхности кольцевого сферического упругого элемента (9) уплотнительной втулки (7), принуждая его принимать геометрию рабочей кромки (6) по линии их взаимного контакта (фиг. 3, 4). По мере дальнейшего перемещения кольцевого сферического упругого элемента (9) уплотнительной втулки (7) вглубь фланца (3, 4) (в испытанных образцах она составляет 0,3-0,4 мм) в нем нарастают радиальнонаправленные силы упругой деформации обеспечивающие и поддерживающие непрерывный контакт уплотняемых поверхностей. Величина перемещения уплотнительной втулки (7), безопасная для конструкции кольцевого сферического упругого элемента (9), задается высотой (h) буртика (8) упирающимся на торцевые поверхности фланцев (3, 4). Одновременно жесткая связь фланцев (3, 4) трубопроводов )1, 2) между собой посредством буртика (8) исключает передачу внешних нагрузок магистрали, в которой они установлены, на место контакта рабочей кромки (6) и кольцевого сферического упругого элемента (9) т.е. "расшатывание" герметизирующего стыка. Ширина линии сплошного контакта уплотнительных поверхностей кольцевого сферического упругого элемента (9) уплотнительной втулки (7) и фланца (3, 4) составляет десятые доли миллиметра, в следствие чего удельные усилия их взаимного сжатия, возникающие по линии контакта достигают величин, достаточных для поддерживания герметичности как при избыточных давлениях (испытывалось при 100 атм) так и в вакуумированных соединениях (проверка на гелиевом течеискателе).

Изготовленные и испытанные образцы уплотнений ⊘ 10 мм. ⊘ 16 мм. ⊘ 25 мм. и ⊘ 40 мм, показали следующие результаты: количество циклов сборки-разборки 300процент вакуумплотных соединений из 100 попыток 100% испытанные давления 100 атм пневматические испытания 250 атм гидравлические испытания.

герметично при 1,5 К(режим сверхтекучего гелия) герметично при +250^oС.

Формула изобретения

1. Герметичное соединение трубопроводов, содержащее на концах последних фланцы с внутренними уплотнительными поверхностями или с внутренней уплотнительной поверхностью на одном из фланцев, уплотнительный элемент и стягивающие фланцы элементы, отличающееся тем, что уплотнительный элемент выполнен в виде уплотнительной втулки с радиальным кольцевым выступом, расположенным между фланцами, и снабжен кольцевыми сферическими элементами, соединенными упруго с концами уплотнительной втулки, или в виде уплотнительной втулки за одно целое с одним из фланцев, снабженной кольцевым сферическим элементом, упруго соединенным со свободным концом втулки, при этом упомянутые сферические элементы или элемент сопряжены соответственно с уплотнительными или уплотнительной поверхностями фланцев.

2. Соединение трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что кольцевой сферический элемент выполнен за одно целое с уплотнительной втулкой.

3. Соединение трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что кольцевой сферический элемент соединен с уплотнительной втулкой, например, сваркой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8