Разъемное соединение

Изобретение относится к разъемным соединениям трубопроводов и оборудования, работающих под давлением в химической, нефтехимической, энергетической и других отраслях промышленности. Разъемное соединение содержит соединяемые элементы цилиндрической формы, например трубы с коническими уплотнительными поверхностями, контактирующее с ними уплотнительное кольцо с ребром жесткости и двумя кольцевыми упругими губками, снабженными коническими уплотнительными поверхностями. Между торцевыми поверхностями соединяемых элементов в кольцевой проточке размещено упорное кольцо, сопряженное по скользящей посадке с ребром жесткости уплотнительного кольца. Упорное и уплотнительное кольца имеют возможность осевого перемещения относительно друг друга. Упорное кольцо изготовлено в виде отдельной детали. Изобретение обеспечивает высокую герметичность и надежность работы, позволяет многократно использовать уплотнительное кольцо за счет предотвращения его пластической деформации. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к разъемным соединениям трубопроводов и оборудования, работающих под давлением в химической, нефтехимической, энергетической и других отраслях промышленности.

Из патента РФ №2187737 (МПК F 16 L 19/06, опубликован 20.08.2002 г.) известна конструкция соединения, которое включает соединяемые элементы цилиндрической формы (например, трубы и резьбовые штуцеры) с коническими уплотнительными поверхностями, крепежные детали для их удержания в рабочем положении, в частности, имеющие вид нажимной гайки или нажимной втулки с фланцем, уплотнительное кольцо (втулку), выполненное с конической уплотнительной поверхностью для совмещения этой поверхности с конической уплотнительной поверхностью соединяемого элемента (резьбового штуцера), нажимное кольцо (шайбу) для поджатия уплотнительного кольца, тарельчатую пружину, размещенную между нажимным кольцом и нажимной гайкой. Уплотнительное кольцо выполнено из эластичного материала.

Недостатком известного разъемного соединения является низкая надежность из-за наличия уплотнительного кольца, изготовленного из эластичного материала, что ограничивает его применение при высоких температурах и давлениях рабочей среды. Конструкция известного соединения может быть использована только для малых диаметров соединяемых элементов и не может быть применена для больших диаметров соединяемых элементов, а также является трудоемкой в изготовлении и сборке. Не допускает повторного использования уплотнительного кольца из-за подверженности его материала остаточной пластической деформации.

Известно также разъемное соединение с применением стального уплотнительного кольца с коническими уплотнительными поверхностями (патент США №2766999, Н. класс 285-341, заявлен 12.02.1954 г.; проспект фирмы GALPERTI ENGINEERING, 2000 г.). Известное разъемное соединение высокого давления включает крепежные детали (болтовое или бугельное крепление) для стягивания и удержания в рабочем состоянии соединяемых элементов цилиндрической формы (в данном случае - труб) с коническими уплотнительными поверхностями и уплотнительное кольцо, которое включает в себя две кольцевые упругие губки с коническими уплотнительными поверхностями и ребро жесткости, изготовленное за одно целое с уплотнительным кольцом. Ребро жесткости выполняет одновременно функцию упора, ограничивающего сближение соединяемых элементов при их стягивании и удержании в рабочем положении с помощью крепежных деталей.

Недостатком известного разъемного соединения является то, что оно требует высокой точности изготовления сопрягаемых уплотнительных поверхностей соответственно на соединяемых элементах и на кольцевых губках уплотнительного кольца, так как от этого зависит степень прилегания губок к уплотнительным поверхностям, их деформация и величина контактных напряжений на уплотнительных поверхностях соединения. Монолитная связь между уплотнительным кольцом и его ребром жесткости приводит к тому, что при наличии даже незначительных отклонений в размерах, допущенных при изготовлении, могут возникнуть ситуации, когда губки уплотнительного кольца не прилегают или прилегают не полностью к соответствующим уплотнительным поверхностям, в результате чего не достигается герметизация соединения. Все это снижает надежность работы известного соединения. Кроме того, в случае повышения изгибающих нагрузок на уплотнительное кольцо возникает вероятность перехода упругой деформации его губок в остаточную пластическую деформацию, что также снижает надежность известного соединения и исключает возможность повторного использования уплотнительного кольца после демонтажа соединения.

Наиболее близкой (прототип) к предлагаемому разъемному соединению является известная конструкция разъемного соединения высокого давления, описанная в а.с. РФ №1129454 (МПК F 17 С 13/06, опубликовано 15.12.1984 г.). Известное разъемное соединение относится к соединениям высокого давления и содержит соединяемые элементы цилиндрической формы, на которых выполнены конические уплотнительные поверхности, крепежные детали (например, резьбовые шпильки, болты или бугельные зажимы) для стягивания и удержания соединяемых элементов в рабочем положении, стальное уплотнительное кольцо, включающее две кольцевые упругие губки с коническими уплотнительными поверхностями, контактирующими с уплотнительными поверхностями соединяемых элементов, и ребро жесткости, частично выполняющее функцию упорного кольца. В ребре жесткости, изготовленном за одно целое с уплотнительным кольцом, выполнен кольцевой паз, боковые поверхности которого параллельны сопрягаемым с ним торцевым поверхностям соединяемых элементов. При этом в кольцевом пазу ребра жесткости размещены сегменты из мягкого металла.

Недостатком известного разъемного соединения является то, что в процессе стягивания соединяемых элементов образуются пластические деформации в той части ребра жесткости, которая выполняет функцию упорного кольца, то есть в зоне размещения кольцевого паза и сегментов из мягкого металла. В связи с этим уплотнительное кольцо не может быть использовано повторно из-за пластических деформаций в той части его ребра жесткости, которая выполняет функцию упорного кольца. Поэтому возникает необходимость в изготовлении нового уплотнительного кольца с ребром жесткости и с сегментами после каждой разборки соединения. Также имеют место трудности с размещением сегментов в кольцевом пазу так, чтобы оставалось свободное пространство между внутренней поверхностью сегмента и внутренней поверхностью паза. При этом необходимо, чтобы сегменты не выпадали из паза. Процесс фиксации сегментов в нужном положении требует дополнительной доработки.

Из-за жесткой связи между ребром жесткости и уплотнительным кольцом известное разъемное соединение не может обеспечить высокую надежность его работы при воздействии на него изгибающих моментов, так как в этом случае вероятен переход упругой деформации губок уплотнительного кольца в остаточную пластическую деформацию и к нарушению, ввиду этого, герметичности соединения.

Известное разъемное соединение требует высокой точности выполнения размеров уплотнительных поверхностей соединяемых элементов и уплотнительного кольца, а также размеров паза в ребре жесткости, что усложняет процесс его изготовления, монтаж и демонтаж.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение герметичности и надежности работы разъемного соединения при одновременном упрощении его изготовления, облегчении его монтажа и демонтажа и сохранении возможности многократного использования уплотнительного кольца.

Поставленная задача решается тем, что разъемное соединение, включающее соединяемые элементы цилиндрической формы с коническими уплотнительными поверхностями, крепежные детали для стягивания и удержания соединяемых элементов в рабочем положении, уплотнительное кольцо, имеющее ребро жесткости и две кольцевые губки, которые имеют конические уплотнительные поверхности, согласно изобретению снабжено упорным кольцом, изготовленным в виде отдельной от уплотнительного кольца детали, сопряженным по скользящей посадке с ребром жесткости уплотнительного кольца и размещенным в кольцевых проточках, выполненных на торцевых поверхностях соединяемых элементов, при этом упорное кольцо и уплотнительное кольцо имеют возможность осевого перемещения относительно друг друга.

На торцевых поверхностях упорного кольца могут быть выполнены проточки для размещения вторичных уплотнительных колец, а на его внутренней поверхности - осевые канавки, кольцевая проточка и сообщенное с нею радиальное отверстие для отвода утечки рабочей среды на измерительный прибор.

Осевая толщина упорного кольца может быть выполнена превышающей осевую толщину ребра жесткости уплотнительного кольца.

Наружный диаметр упорного кольца может быть выполнен соразмерным (равным) наружному диаметру кольцевых проточек на торцевых поверхностях соединяемых элементов.

Технический результат предлагаемого изобретения выражается в предотвращении вероятности перехода упругой деформации губок уплотнительного кольца в остаточную пластическую деформацию за счет устранения жесткой связи между упорным кольцом и ребром жесткости уплотнительного кольца.

Кроме того, технический результат выражается в защите уплотнительного кольца от радиальных изгибающих нагрузок за счет взаимодействия кольцевой поверхности ребра жесткости с упорным кольцом, которое размещено в проточках, расположенных на торцевых поверхностях соединяемых деталей, глубина которых определяется в зависимости от величины действующих изгибающих нагрузок.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан продольный разрез разъемного соединения в собранном положении, включающего соединяемые элементы цилиндрической формы, например трубы 1 и 2 с коническими уплотнительными поверхностями и фланцами, имеющими плоские торцевые поверхности. Для стягивания и удержания труб 1 и 2 в рабочем положении предусмотрены соответствующие крепежные детали (на чертеже не показаны). В состав разъемного соединения входит уплотнительное кольцо 3, которое имеет ребро жесткости и две кольцевые упругие губки с коническими уплотнительными поверхностями, угол наклона которых выполнен несколько меньшим, чем угол наклона конических уплотнительных поверхностей на соединяемых трубах 1 и 2. Соединение снабжено упорным кольцом 4, которое сопряжено (соединено) по скользящей посадке с ребром жесткости уплотнительного кольца 3. Упорное кольцо 4 изготавливается отдельно от уплотнительного кольца 3, то есть в виде отдельной детали. Упорное кольцо 4 имеет на своих торцевых поверхностях проточки для размещения в них вторичных уплотнительных колец 5 и 6, а на внутренней своей стороне - кольцевую проточку 7. Кроме того, упорное кольцо 4 имеет радиальное отверстие 8, сообщенное с кольцевой проточкой 7, и осевые канавки 9. Предусмотрено присоединение к радиальному отверстию 8 прибора для измерения утечки рабочей среды (на чертеже не показано). На торцевых поверхностях соединяемых труб 1 и 2 выполнены кольцевые проточки 10 и 11, в которых размещено упорное кольцо 4. При этом наружный диаметр упорного кольца 4 выполнен соразмерным (равным) наружному диаметру кольцевых проточек 10 и 11, а его осевая толщина выполнена превышающей осевую толщину ребра жесткости уплотнительного кольца 3. Упорное кольцо 4 и уплотнительное кольцо 3 имеют возможность осевого перемещения относительно друг друга.

Разъемное соединение работает следующим образом. При сборке разъемного соединения соединяемые трубы 1 и 2 стягиваются между собой в осевом направлении до тех пор, пока торцевые поверхности соединяемых труб 1 и 2 не войдут в контакт с торцами упорного кольца 4. Одновременно посредством вторичных уплотнительных колец 5 и 6 происходит герметизация объема среды, которая прошла через основное уплотнение. В результате осевого сближения соединяемых труб 1 и 2, а также за счет разности углов наклона конических поверхностей соединяемых труб 1 и 2 и конических поверхностей уплотнительного кольца 3 уплотнительное кольцо 3 деформируется в радиальном направлении и отходит от внутренней поверхности упорного кольца 4, образуя радиальный зазор. При этом упорное кольцо 4 свободно перемещается по ребру жесткости уплотнительного кольца 3 в осевом направлении, позволяя уплотнительному кольцу 3 занять положение, при котором будут обеспечены равномерные и одинаковые значения предварительных контактных давлений на сопрягаемых уплотнительных поверхностях губок и уплотнительных поверхностях соединяемых труб 1 и 2, образующих основное уплотнительное соединение. Наличие упорного кольца 4 позволяет предотвратить переход упругой деформации губок уплотнительного кольца 3 в остаточную пластическую деформацию.

В рабочих условиях под воздействием давления внутренней среды соединяемые трубы 1 и 2 расходятся в осевом направлении, а уплотнительное кольцо 3 деформируется в обратном радиальном направлении. При этом радиальный зазор между уплотнительным кольцом 3 и упорным кольцом 4 выбирается. Радиальная жесткость уплотнительного кольца 3 благодаря предлагаемому сочетанию конструктивных решений с ростом давления существенно возрастает. Таким образом, контактное давление за счет некомпенсированных площадей на уплотнительных поверхностях возрастает относительно значений, имевших место при затяжке, что способствует повышению надежности (герметичности) разъемного соединения.

При действии на трубопровод изгибающих нагрузок взаимное радиальное смещение соединяемых труб 1 и 2 ограничивается выступами, образованными проточками 10 и 11 под упорное кольцо 4 на торцевых поверхностях, и, таким образом, уплотнительное кольцо 3 не подвергается действию изгибающих нагрузок. Наличие этих особенностей конструкции разъемного соединения позволяет облегчить установку и центрирование соединяемых труб 1 и 2 относительно друг друга.

Среда, которая прошла через основное уплотнительное соединение, проникает по осевым канавкам 9 в кольцевую проточку 7 и по ней в радиальное отверстие 8 и далее на измерительные приборы, показания которых служат основанием для оценки состояния герметичности разъемного соединения.

Предлагаемое изобретение может быть применено в сочетании с разными конструкциями крепежных деталей и элементов (фланцевые, бугельные и др.).

Два бугельных разъемных соединения, изготовленных в ОАО АРМЗ с использованием отличительных признаков данного изобретения и установленные в трубопроводе D_y 120, Р_у=32 МПа, при обвязке теплообменника на заводе ОАО АНХК, показали более высокую герметичность и надежность работы по сравнению с прототипом.

При изготовлении разъемного соединения снижается требуемая точность к размерам конических уплотнительных поверхностей в соединяемых трубах и к размерам конических поверхностей, выполненных на упругих губках уплотнительного кольца.

Благодаря отсутствию остаточных пластических деформаций кольцевых губок уплотнительного кольца 3, оно пригодно для многократного использования.

Разъемное соединение сохраняет свою работоспособность при воздействии на него изгибающих моментов, а также при повышенном давлении рабочих газообразных сред - азота и водорода.

Система сбора и отвода утечки среды через основное уплотнительное соединение для контроля степени герметичности уплотнения также является работоспособной.

1. Разъемное соединение, включающее соединяемые элементы цилиндрической формы с коническими уплотнительными поверхностями, крепежные детали для стягивания и удержания соединяемых элементов в рабочем положении, уплотнительное кольцо, имеющее ребро жесткости и две кольцевые губки, которые имеют конические уплотнительные поверхности, отличающееся тем, что оно снабжено упорным кольцом, изготовленным в виде отдельной от уплотнительного кольца детали, сопряженным по скользящей посадке с ребром жесткости уплотнительного кольца и размещенным в кольцевых проточках, выполненных на торцевых поверхностях соединяемых элементов, при этом упорное и уплотнительное кольца имеют возможность осевого перемещения относительно друг друга.

2. Разъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что на торцевых поверхностях упорного кольца выполнены проточки для размещения вторичных уплотнительных колец, а на его внутренней поверхности выполнены осевые канавки, кольцевая проточка и сообщенное с нею радиальное отверстие для отвода утечки рабочей среды на измерительный прибор.

3. Разъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что осевая толщина упорного кольца выполнена превышающей осевую толщину ребра жесткости уплотнительного кольца.

4. Разъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что наружный диаметр упорного кольца выполнен равным наружному диаметру кольцевых проточек, выполненных на торцевых поверхностях соединяемых элементов.