【Знания о герметизации】Система соединения с прокладками и болтовыми фланцами

Thread Content

Уплотнительная прокладка: уплотнительная прокладка — это отдельная уплотняющая деталь, которая размещается между поверхностями сопряжения фланцев. Во время монтажа на фланец оказывается внешняя сила путем затягивания болтов; эта сила передается прокладке, что приводит к её сжатию и деформации. Исходя из понятия энергии, работа, выполняемая внешней силой над прокладкой, при отсутствии любых потерь энергии полностью преобразуется в энергию деформации, которая накапливается внутри прокладки. Во время работы давление герметизирующей жидкости приводит к разъединению поверхностей фланцев, в результате чего нагрузка на уплотнительную прокладку частично снижается. Энергия деформации, хранящаяся в прокладке, высвобождается в виде работы, то есть прокладка восстанавливает свою первоначальную форму. Если остается запас энергии деформации, прокладка продолжает находиться в контакте с герметизирующей поверхностью фланца, и утечек не происходит. Поэтому прокладка также описывается как «устройство, которое уплотняет пространство между двумя поверхностями и накапливает энергию». 1. I. В системах соединения с использованием болтов и фланцев, если это технически и экономически целесообразно, можно создать очень гладкую и точную поверхность сопряжения между двумя соединяемыми деталями. Эти детали затем соединяются с помощью болтов, что обеспечивает постоянный контакт между поверхностями сопряжения. В таких случаях не требуется использование прокладок. Такие соединения называются соединениями без прокладок (non-gasketed bolt joints). Они широко используются в автомобилестроении, авиастроении, при строительстве стальных конструкций и в производстве тяжелого оборудования. Однако из-за ограничений в конструкции и размерах оборудования достижение идеально гладкой поверхности при обработке и монтаже затруднено ； Во-вторых, со временем соприкасающиеся поверхности также могут подвергнуться коррозии или износу, в результате чего становятся неровными. Поэтому между этими соединительными поверхностями необходимо устанавливать прокладки в качестве переходных элементов, что обеспечивает тесный контакт между поверхностями, необходимый для герметизации. По сравнению с соединениями с болтами без прокладок, такое соединение позволяет достичь герметичности при меньшем напряжении на болты. Такие соединения называются соединениями с прокладками (gasketed bolt joints). Они широко используются в трубопроводах, резервуарах и других устройствах, работающих под давлением, и являются наиболее распространенным типом съемных соединений. Поскольку для соединения обычно используется пара фланцев, один конец фланца соединяется с корпусом или трубопроводом, а два фланца закрепляются друг к другу с помощью гаек. Такие соединения болтами обычно называются соединением с фланцами и болтами (bolted flanged connection, BFC) или соединением фланцев с болтами (bolted flanged joint, BFJ), как показано на рисунке 3.18. Из этого следует, что BFC — это сборка, состоящая из фланцев, болтов и прокладок и других элементов. Две фланцевые поверхности могут быть фланцами одинакового типа и материала, а также фланцами разного типа и/или материала; либо одна из них может представлять собой плоскую крышку, соединенную болтами. А прокладки всегда изготавливаются из более мягких материалов, чем уплотнения фланцев. II. Существует два типа соединений с использованием болтов и фланцев. В зависимости от принципа уплотнения, такие соединения делятся на две категории: соединения с плавающим фланцем (floating type, FL) или соединения без контакта между металлами (nonmetal-to-metal contact), а также соединения с контактом между металлами (metal to metal contact, MMC). Как показано на рисунке 3.19(a), при флотирующем соединении болтов прокладка располагается между двумя поверхностями сопряжения фланцев. Начиная с момента затягивания болтов и на протяжении всего срока службы такого соединения, поверхности сопряжения фланцев не соприкасаются друг с другом. Поэтому вся нагрузка от затягивания болтов приходится на прокладку. После начала работы нагрузка на прокладку изменяется в зависимости от внешних нагрузок; к тому же распределение нагрузки на прокладке также является неравномерным. В свою очередь, для соединения болтов с фланцами типа «металл-металл» (далее — «MMC») можно использовать те же самые фланцы, что и в случае соединения с плавающими фланцами. Однако в этом случае некоторые устройства для ограничения сжатия размещаются на поверхности соединения фланцев внутри центральной части болта. Эти устройства могут быть как частью прокладки, так и отдельным элементом, выполняющим функцию ограничителя. См. рисунок 3.19(b). Следовательно, после предварительного затягивания болтов происходит механический контакт между металлом двух соединительных поверхностей фланца или между металлом этих поверхностей и металлом устройства для ограничения сжатия. По сравнению с плавающим типом, основной особенностью соединения болтовой фланцевой системы типа MMC является необходимость приложения к болтам достаточно высокой нагрузки, чтобы обеспечить металлический контакт между деталями. Кроме того, это позволяет сохранять металлический контакт на протяжении всего срока службы соединения под действием любых внешних нагрузок, без возникновения разъединения. Благодаря этому нагрузка на прокладки также остается постоянной и равномерно распределяется по всей поверхности фланца. Устройство ограничения сжатия выполняет функцию принятия внешних нагрузок, обеспечивая оптимальную герметичность фланцевых соединений. Следовательно, основное отличие болтовых соединений с плавающими и MMC-подобными прокладками заключается в том, что любые изменения в условиях, в которых находятся прокладки, не создают риска нарушения величины и распределения нагрузок на них. Ведь все эти факторы, такие как собственный вес, давление жидкости, внешние моменты и изменения температуры, а также их колебания, переносятся на болты и другие механические элементы, обеспечивающие контакт. Во-вторых, соединение фланцев MMC с помощью болтов также снижает риск усталости или ослабления болтов под действием циклических нагрузок. Кроме того, это также повышает жесткость фланца и снижает угол его поворота. III. Нагрузки на соединение с болтовыми фланцами Как показано на рисунке 3.20, нагрузки, действующие на соединение с болтовыми фланцами, следующие. ①Нагрузка давления P: давление среды, равномерно действующее по радиальной направленности на внутреннюю поверхность фланца и внутреннюю круглую поверхность прокладки. ②Нагрузка на концы W: осевая нагрузка, возникающая под действием давления в среде у концов фланца; она приводит к осевому разъединению фланцев. ③Нагрузка на болт F: сила, растягивающая болт при затягивании гайки; эта противодействующая сила служит для сжатия фланца. ④Нагрузка на прокладку G: сила сжатия, оказываемая фланцем на прокладку. Часть сжимающей нагрузки, приложенной к прокладке, используется для заставления материала прокладки течь и заполнять углубления на поверхности фланца, а также другие неровности. Остальная часть нагрузки предназначена для компенсации различий в тепловом расширении внутреннего давления, фланца и болтов, что помогает предотвратить разъединение поверхностей соединения и тем самым — утечку герметизирующего вещества. ⑤Внешняя сила T и внешний момент M: это осевая внешняя сила или (и) радиальный внешний момент, оказываемые на фланец оборудованием и трубопроводами, соединенными с ним. Обычно утечки на прокладках происходят из-за наличия в самой прокладке каналов для утечки (внутренняя утечка) или из-за утечек через пространство между поверхностью прокладки и герметизирующей поверхностью фланца (утечка на границе соприкосновения). При затягивании болтов фланца верхняя и нижняя поверхности прокладки сжимаются, в результате чего каналы утечки внутри прокладки закрываются, а деформация поверхностей блокирует каналы утечки на границе соприкосновения. Следовательно, величина и распределение нагрузки на затяжку болтов или напряжения в прокладках являются самыми прямыми и важными факторами, влияющими на герметичность соединения с использованием болтов и фланцев.