Уплотнения неподвижных соединений

Уплотнения резьбовых соединений трубопроводов

мягкая, отожженная) и арматуры, работающей при низких температурах.

Никель и его сплавы хорошо противостоят действию коррозионных сред и, в частности, морской воды. Никель сохраняет пластичность в широком интервале температур ( -271...-1-650°С). Никель марок НП1, НВК ГОСТ 6235 - 73 применяют для прокладок, эксплуатируемых в среде водяного пара, хлора, щелочей, нейтральных соляных растворов, разбавленного аммиака и в других средах при 9 = -20... -1-400С. Из сплавов никел? наиболее распространен монель-металл НМЖМц 28-2,5-1,5, прокладки из которого эксплуатируют в морской воде, коррозионных средах, водяном паре при 9 < 800 °С.

Свинец С2 (ГОСТ 9559-75) стоек к воздействию агрессивных сред за счет защитной пленки, образующейся на его поверхности. Свинцовые прокладки применяют в среде серной кислоты и ее солей при 9 < 100 °С. Допустимый температурный диапазон - 200... +100 °С.

Медь Ml, М2, МЗ (ГОСТ 495-77) широко используют для прокладок, эксплуатируемых в криогенных и нейтральных средах. Диапазон температур эксплуатации - 253... -Ь 250 °С (для М1 до 400 °С). Перед установкой в соединения прокладки подвергают отжигу при 873-923 °С.

Сталь низкоуглеродистую 05 кп (ГОСТ 1050 - 74) применяют для прокладок, эксплуатируемых в среде водяного пара до 9 < 475 "С; безводных щелочей и кислот, содержащих серу газов при 9 =-70...--320°С; не применяют в среде водных растворов кислот и щелочей.

Сталь низкоуглеродистую 0,5 и 0,8 (ГОСТ 1050-74) и Ст2, СтЗ (ГОСТ 380 - 71) применяют для прокладок, эксплуатируемых в среде водяного пара, нефтепродуктов при 9 = - 40... ... --550°G.

Сталь коррозионно - стойкую 12Х18Н1ОТ,О8Х18Н10Т (ГОС1 5632-72) применяют для прокладок, эксплуатируемых в среде водяного пара, нефтепродуктов, коррозионных сред (кроме

серной кислоты) при 9 от -253... ...-t-600°C.

Основное преимущество стальных прокладок - близость температурных коэффициентов линейного расширения прокладки, болтов, фланцев, недостаток - необходимость больших контактных давлений.

3.6. Уплотнения резьбовых соединений трубопроводов

В соединениях трубопроводов высокого давления, эксплуатируемых в широком диапазоне температур и подвергающихся вибрационным и ударным воздействиям, применяют преимущественно механические уплотнения с контактной парой металл - металл. Их основные преимущества - независимость контактного давления от температуры в диапазоне - 40... -1-150°С и отсутствие термохимического старения материала уплотнителя.

В зарубежных гидросистемах (например, компании «Аэроквип корпорейшен», США) применяют уплотнение О-образ-ным кольцом при очень точном исполнении посадочных мест (рис. 3.32, а). Правила конструирования таких уплотнений рассмотрены в подразд. 3.4 и 3.5.

гг. 3 4

Рис. 3.32. Уплотнения соединений трубопроводов:

а - эластомерным О-образным кольцом; 6 - плоской прокладкой (I и 4 - детали трубопровода; 2 - О-образное кольцо; 2 - прокладка; 3 - накидная гайка)

Рис. 3.33. Уплотнения резьбовых соединений трубопроводов:

/ - труба; 2 - ниппель; 3 - накидная гайка; 4 - деталь арматуры; 5 - коническая прокладка

В штуцерно-торцовых уплотнениях (рис. 3.32,6) уплотнителем служит плоская прокладка. Детали соединений (четырех типов) регламентированы ГОСТ 5890-78. В судостроении их применяют при ру до 10, 16, 20 МПа [78]. Уплотнения этого типа применяют также в манометрах. Наиболее распространены конструкции уплотнений резьбовых соединений трубопроводов с линейным контактом по уплотняемым поверхностям: с шаровым ниппелем на сварке (рис. 3.33,а) и пайке (рис. 3.33,6); с шаровым ниппелем и коническим колпачком - прокладкой (рис. 3.33, в); с врезающимся кольцом (см. рис. 3.35).

Для труб из мягких металлов применяют соединения с развальцовкой трубы (рис. 3.33, г), в которых область контакта распространяется по всей конусной поверхности. Эти соединения эксплуатируют при средних давлениях рабочей среды (до 20 МПа). Для труб из полимерных материалов при низком давлении рабочей среды (до 1,5 - 2,0 МПа) применяют уплотнения, показанные на рис. 3.37. Во всех рассмотренных уплотнениях контактное давление создается в результате затяжки резьбы накидной гайкой, являющейся силовым элементом уплотнения. Соеди-

нения трубопроводов уплотняют также резиновыми, фибровыми и металлическими прокладками.

Ориентировочный расчет уплотнений с линейным контактом (рис. 3.34) основан на определении рк по формулам Герца для контакта цилиндрических тел с радиусами Ri и Яг, в частности с i?2 = 00 (контакт с плоскостью). Максимальное давление рктах для пары металл - металл (pf = « 0,3)

Рктах = 0,042 l/РлЕяр/Рпр, (3.19)

где Ра - удельное осевое усилие, Н/см; Епр = 2Ei£2/(£i + £2) - приведенный модуль упругости, МПа; рпр=ЯГ + -Ь Яг - приведенный радиус кривизны, см.

Контакт кольцевого тора с плоскостью рассматривают как контакт бесконечно длинного цилиндра с плоскостью. При

этом Рктах ~

0,042 l/P aE„p/Ri и ширина

контакта

/ = 0,152 /РлЯ1/Епр. (3.20)

Аналогичен контакт сферического ниппеля (Я1) с конусом, угол которого 2Р:

Рктах = 0,042[/PEnp/Pisinp.

Рис. 3.34. Характер распределения давления Рк в соединениях с линейным контактом: а - сфера-сфера; б - тор-плоскость; в - сфера-конус

Уплотнения неподвижных соединений

Уплотнения резьбовых соединений трубопроводов

Для стандартного соединения 2Р = 24°. Удельное осевое усилие Ра от затяжки накидной гайки с диаметром резьбы D, см, приближенно определяют по формуле

Ра = M/{KD), (3.21)

где М - момент затяжки гайки, Н-см; К - эмпирический коэффициент, учитывающий трение в резьбе при затяжке (при хорошо обработанной и смазанной резьбе К = 0,07; при грубо обработанной и смазанной резьбе К = = 0,12; при грубо обработанной несмазанной резьбе К = 0,17). Необходимый момент затяжки получают с помощью специальных ключей. При использовании обычных гаечных ключей длиной Lk М * РрЬк, где Рр * « 100... 150 Н - усилие руки человека.

Расчет врезающегося кольца сводится к определению радиальной деформации его оболочки под действием усилия затяжки Ра и деформации зоны контакта. Минимальное контактное давление для обеспечения герметичности соединения рк mm = 200... 300 М Па (сталь - сталь). Расчеты уплотнений типа металл - металл с линейным контактом требуют тщательной экспериментальной проверки, поскольку состояние контакта зависит от вибрации трубопроводов, температурных деформаций, возможных коррозионных повреждений. Температурные коэффициенты линейного расширения материалов гайки, штуцера и ниппеля для уплотнений, работающих в широком температурном диапазоне, должны быть одинаковыми. Это требование особенно относится к конструкциям, в которых применены коррозионно-стойкие стали, титановые, алюминиевые и медные сплавы.

Уплотнение соединений труб врезающимся кольцом применяют для резьбовых соединений трубопроводов (штуцерных, тройниковых и т. д.) высокого давления, работающих в широком диапазоне температур. Уплотнение (рис. 3.35,а) для герметизации трубы 1 включает уплотнитель - врезающееся кольцо 2,

Таблица 3. 17

Размеры колец, мм, в зависимости от условного давления ру, МПа, и условного прохода Dy

« J 2/3=Z4tM

s 6 1 г

Рис. 3.35. Уплотнения соединений трубопроводов с врезающимся кольцом: а - для осевого монтажа; 6 - для радиального монтажа; в - с несколькими режущими кромками; (I - труба; 2 - врезающееся кольцо; i - накидная гайка; 4 - деталь арматуры (штуцер); 5 - прокладка; б - нажимное кольцо)

силовой элемент - накидную гайку 5, герметизируемую арматуру 4 с конической поверхностью (штуцер, тройник и т. д.). Герметичность обеспечивается большим контактным давлением рк по уплотняемым поверхностям А и В, создаваемым при затяжке гайки. Монтаж соединения выполняют в два этапа. При предварительном обжатии поверхность А кольца должна достаточно глубоко врезаться в трубу, образовывая канавку (закромку). При этом в результате пластических деформаций поверхности трубы компенсируются шероховатость и погрешности формы. После осмотра канавки выполняют окончательную затяжку соединения, обеспечивая Рк = 20О...30О МПа.

ГОСТ 24072-80...ГОСТ 24091-80 на различные виды соединений предусматривают эксплуатацию этих уплотнений в неагрессивных средах при 9= -40...--120°С и р = 10...63 МПа.

Технические условия на соединения с врезающимся кольцом устанавливает ГОСТ 15763 - 75. Врезающиеся кольца (см. рис. 3.35) изготовляют из закаленных до HRC 32...35 сталей 40Х, А40Г, АС35Г2 или цианированной на

глубину 0,05-0,08 мм и закаленной до твердости 380. ..412 стали 12ХНЗА. Размеры врезающегося кольца вьгаол--няют по ГОСТ 23354-78 (СТ СЭВ 2635 - 80). Режущая кромка кольца имеет поднутрение с углом конуса 6... 7°; головка кольца, обращенная к накидной гайке, выполнена с углом конуса 90°; внутренний диаметр кольца равен D„-(0,1...0,3) m.m.

В соединениях используют стальные (сталь 20) хо:юднотянутые трубы повышенной точности по ГОСТ 9567-75. Допускается применять трубы по другим стандартам с обязательной калибровкой концов труб. По значению условного давления ру соединения подразделяют на группы I, II и III - соответственно низкого, среднего и высокого давления (табл. 3.17 и рис. 3.35,6).

Существуют различные типы соединений трубопроводов с врезающимся кольцом: проходные штуцерные (ГОСТ 24072 - 80), переходные штуцерные (ГОСТ 24073-80), концевые штуцерные (ГОСТ 24074-80), угловые проходные

(ГОСТ 24075 - 80 и ГОСТ 24078 - 80), угловые концевые (ГОСТ 24076-80 и ГОСТ 24077-80), тройниковые (ГОСТ 24079 - 80... ГОСТ 24086 - 80), крестовые (ГОСТ 24087 - 80... ГОСТ 24089-80), переборочные (ГОСТ 24090 - 80), заглушки (ГОСТ 24091-80). В некоторых соединениях кроме врезающегося кольца применяют прокладки по ГОСТ 23358-78.

В зарубежном гидромашиностроении применяют врезающиеся кольца с несколькими режущими кромками (рис. 3.35, в).

Если при монтаже соединений трубопроводов перемещение трубы ограниченно, применяют штуцеры для радиального монтажа по ГОСТ 22525 - 77 (рис. 3.35,6) с нажимным кольцом 6 по ГОСТ 23356 - 78 и прокладкой по ГОСТ 23357-78. Материал прокладок (алюминий, медь, паронит) выбирают в зависимости от условий работы соединения.

Прокладки для уплотнений резьбовых соединений трубопроводов (рис. 3.36) герметизируют соединения (см. рис. 3.32,6) за счет затяжки установочной гайки. Внутренний диаметр d прокладки (см. рис. 3.36,6) соответствует размеру резьбы, наружный D - внутреннему диаметру накидной гайки по ГОСТ 23353 - 78, толщина h определяется материалом прокладки. Прокладки изготовляют из металла, фибры, картона и паронита для уплотнения штуцеров (исполнение 1), а также из

Рис. 3.36. Прокладки для уплотнений резьбовых соединений трубопроводов: а - пример конструкции; 6 - размеры прокладки (1 - штуцер; 2 - прокладка исполнения 1; 3 - установочная гайка; 4 - прокладка исполнения 2)

Уплотнения неподвижных соединений

Резинометаллические уплотнения

Таблица 3.18

Размеры прокладок, мм, для резьбовых соединений трубопроводов (рис. 3.36,6)

резины (по ГОСТ 7338-77) для уплот- АДО по ГОСТ 21631-76; медь марок

нения установочных гаек (исполнение 2). Ml, МЗ по ГОСТ 495 - 77; паронит

Размеры прокладок указаны в табл. 3.18. по ГОСТ 481-80; прокладочный картон

Материалы для изготовления прокладок марок А, Б по ГОСТ 9347-74; фибра

исполнения 1: алюминий марок АО, марок ФТ, ФСВ по ГОСТ 14613 - 83.

Рис. 3.37. Уплотнения соединений арматуры с пластмассовыми трубами: 1 - труба; 2 - кольцо; 3 - втулка-уплотнитель; 3 - врезающееся кольцо; 4 - упрочняющая втулка; 5 - деталь арматуры; б - накидная гайка

Прокладки из алюминия и меди должны быть отожжены. Пример условного обозначения прокладки для резьбы М20 X 1,5 из алюминия: Прокладка Ал20 ГОСТ 23358-78.

Уплотнение соединений арматуры с пластмассовыми трубами (рис. 3.37, а) состоит из стандартных деталей арматуры 5, накидной гайки 6. В трубу I вставляют упрочняющую втулку 4 (ГОСТ 23359-78); снаружи трубу обжимают стопорным резиновым кольцом 2 (ГОСТ 9833 - 73) и герметизируют пластмассовой втулкой 3. На рис. 3.37,6 показана зарубежная конструкция такого уплотнения, отличающаяся наличием кольца 3, врезающегося в трубу при завинчивании гайки 6.

3.7. Резинометаллические уплотнения

В резинометаллических уплотнениях оптимально используются свойства материалов - высокая герметизирующая способность эластомеров и сохранение упругости металлов в широком диапазоне температур Э в течение длительного срока t. Выполняя функции активного уплотнения, резинометаллические прокладки имеют повышенные надежность и ресурс благодаря дублированию элементов.

Резинометаллические кольцевые прокладки (рис. 3.38) представляют собой металлическое кольцо 2, к которому прочно привулканизовано резиновое кольцо 3 с двумя уплотняющими губками. Металлическое кольцо воспринимает большие усилия затяжки резьбы, необходимые в соединении 1-4 для передачи силовых Нагрузок и изгибающего момента трубопровода. Губки резинового кольца, способного к самоуплотнению при действии давления среды, обеспечивают высокую герметичность при довольно грубой обработке уплотняемых поверхностей {Ra = = 2,5 мкм) и вибрации. При длительной эксплуатации в условиях низких температур, когда резина теряет высокоэластические свойства, металлическое кольцо функционирует как обычная прокладка.

Рис. 3.38. Резиноме-таллическая кольцевая прокладка

Резинометаллические плоские фигурные прокладки применяют для герметиза1щи торцовых разъемов корпусных деталей гидромодулей с многочисленными выходящими на торец каналами (рис. 3.39). К металлической пластине прочно при-вулканизован тонкий слой эластомера шириной / ж 2 мм, который охватывает

Рис. 3.39. Резинометаллическая фланцевая прокладка:

1 - металлическая пластина; 2 - привулканизован-ный слой резины