Фланцевое соединение для труб и аппаратов

Название	Фланцевое соединение для труб и аппаратов
Разработчик (Авторы)	Дубинова Ольга Богдановна, Елагина Оксана Юрьевна, Дубинов Юрий Сергеевич
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	230569
Дата регистрации	11.12.2024
Правообладатель	Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина"
Область применения (класс МПК)	F16L 23/032 (2006.01)

Описание изобретения

Полезная модель относится к трубопроводным системам, а именно к фланцевым соединениям, применяемым для предотвращения утечек газа из фланцевых соединений трубопроводов, и может быть использована в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности для обеспечения герметичности фланцевых соединений преимущественно в разъемных соединениях трубопроводов с арматурой, например, в составе газораспределительных станций, а также на магистральных трубопроводах транспортировки природного газа.

Основным фактором, вызывающим нарушение герметичности фланцевых соединений на объектах газотранспортной структуры, в 40% случаев является высокий уровень вибрации низкой частоты, способствующий интенсификации изнашивающих процессов и порождающий опасность утечки газа и возгорания.

Вопросы, связанные с предупреждением разгерметизации фланцевых соединений, в основном рассматриваются с точки зрения изменения конструкции уплотнительной поверхности фланцев, находящейся в непосредственном контакте с прокладкой. Обеспечение плотного прилегания прокладки к поверхности фланца и сохранение его в течение заданного времени эксплуатации во многом определяет показатели надежности этого соединения.

Известно фланцевое соединение для труб и аппаратов, в котором контактная поверхность фланцев выполнена в виде пространственного тела, содержащего последовательно сопряженные по направлению от центральной оси фланцев к периферии элементы плоского кольца, эллипсоида и конуса. Угол между основанием конусной поверхности и образующей конуса составляет 0,3-1,2 градуса, а паз фланца выполнен в виде прямоугольной трапеции (RU 2685626, 2018 г.).

Однако известное соединение имеет ограничения по применяемому материалу прокладки, не обеспечивает должную герметизацию при использовании неметаллической прокладки.

Известно фланцевое соединение оборудования, содержащее уплотнительную металлическую прокладку, размещенную в канавках уплотняемых поверхностей соединения, при этом прокладка имеет предохранительное упругое уплотнительное кольцо, которое установлено во внутренней кольцевой канавке, выполненной в прокладке, и выполнено с возможностью взаимодействия с уплотняемыми поверхностями соединения оборудования (RU 2178510, 1998 г.).

Однако в известном фланцевом соединении предъявляются высокие требования к соосности поверхностей фланцев, что ограничивает его применимость в полевых условиях.

Также известно фланцевое соединение, в котором в дополнение к основному уплотнительному кольцу устанавливают дополнительную уплотнительную прокладку, выполненную в виде плоского кольца, которая содержит ниппель, позволяющий с помощью манометра контролировать давление в полости фланцевого соединения, образованной между дополнительной уплотнительной прокладкой и основным уплотнительным кольцом, а также производить слив жидких углеводородов, накопившихся в указанной полости (RU 2635952, 2016 г.).

Однако известное решение имеет ограничения по надежности и температуре эксплуатации, в частности при изменении температуры будет происходить падение или увеличение давления в полости фланцевого соединения трубопровода, образованной между дополнительной уплотнительной прокладкой и основным уплотнительным кольцом.

Известно фланцевое соединение, содержащее входной, выходной и подвижный фланцы, уплотнительную прокладку, располагающуюся между входным и подвижным фланцем, при этом подвижный фланец соединен с входным или выходным фланцем болтами, а для смены уплотнительной прокладки достаточно удалить попавшие в зону удаления стяжные элементы. Стяжные элементы соединения обеспечивают неизменными строительную длину фланцевого соединения и центровку его элементов, а смена уплотнительной прокладки происходит без применения специальной оснастки за несколько минут (RU 2788024, 2022 г.).

Однако известное решение имеет сложную и массивную конструкцию, что приводит к дополнительным изгибающим и сконцентрированным нагрузкам на оборудование и трубопровод.

Из известных решений наиболее близким техническим решением к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является фланцевое соединение с металлической прокладкой, в котором уплотнительные поверхности фланцев подвергают зубчатой концентрической или зубчатой спиральной обработке с формированием макрогеометрии уплотнительных поверхностей фланцев и обеспечением среднего значения шероховатости от Ra1,6 мкм до Ra3,2 мкм и от Ra3,2 до Ra6,3 мкм, что позволяет создать дополнительное контактное давление за счет внедрения в поверхность прокладки и обеспечивает хорошую герметичность за счет увеличения коэффициента трения покоя (Стандарт ASME В16. 5-2013 (ANSI)).

Однако данное решение не обеспечивает высокую герметичность при установке и монтажа фланцевого соединения в полевых условиях из-за повышенной загрязненности уплотнительной поверхности фланца, кроме того, такой вид уплотнительной поверхности не рекомендуется использовать с мягкими уплотнениями (полимеры, паронит), так как в поверхности уплотнительного материала возникают критические напряжения сдвига, которые приводят к разрушению уплотнения.

Кроме того, данное решение при формировании макрогеометрии уплотнительных поверхностей фланцев не учитывает механических и триботехнических характеристик применяемого уплотнительного материала, а также параметров вибрационного воздействия.

Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение герметичности фланцевого соединения, надежности уплотнения, расширения ассортимента используемых материалов прокладок, увеличение межремонтного периода и обеспечения надежной работы в широком диапазоне условий, в том числе, в условиях вибрации.

Указанная проблема решается тем, что фланцевое соединение для труб и аппаратов, содержащее два соединенных металлических фланца, сопряженных по контактной поверхности, между которыми расположена кольцевая прокладка, отличается тем, что контактная поверхность каждого фланца со стороны уплотнительной поверхности выполнена профилированной в виде системы канавок, имеющих в сечении форму равнобедренной трапеции, с образованием выступов, причем количество образованных выступов определяют исходя из условия формирования максимальной площади, занимаемой выступами в плоскости прокладки, обеспечивающей снижение уровня касательных напряжений сдвига, возникающих в материале прокладки, а шаг между выступами определяют по следующей формуле:

bв=ав+2⋅Нв⋅cotϕ,

где bв - шаг между выступами, мм;

ав - ширина выступа у основания, мм;

Нв - высота выступа, мм;

ϕ - угол наклона выступа на профилированной поверхности фланца, °.

Достигаемый технический результат заключается в формировании макрогеометрии уплотнительной поверхности фланца, обеспечивающей снижение уровня касательных напряжений сдвига, возникающих в материале прокладки, постоянное контактное усилие между фланцами при различных режимах нагружения за счет создания в зоне контакта уплотнительного материала с поверхностью фланца дополнительной площади контактирования.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 показана конструкция фланцевого соединения, на фиг. 3 показана зона контакта фланцевого соединения, на фиг. 4 приведены параметры макрогеометрии уплотнительной поверхности фланца.

Предлагаемое устройство содержит фланцы 1 с прокладкой 2 между ними, которые скреплены между собой стягивающими шпильками 3 и гайками 4 и сопряжены по уплотнительной поверхности 5. На поверхности каждого фланца 1 со стороны уплотнительной поверхности 5 сформирована профилированная поверхность с канавками 6, имеющими в сечении форму равнобедренной трапеции. Увеличение высоты выступов (Hi) позволяет увеличить площадь контакта уплотнения и фланца (см. фиг. 3).

Профилированная уплотнительная поверхность фланца 1 с канавками 6 сформирована для увеличения объема материала прокладки 2, участвующего в деформации, и описывается следующими параметрами:

R - внешний радиус уплотнительной поверхности фланца, r - внутренний радиус уплотнительной поверхности фланца, bв - шаг между выступами, х - размер отступа первого и последнего выступа от края уплотнительной поверхности фланца (фиг. 4).

Расчет количества канавок производят следующим образом. Определяют максимальную площадь, занимаемую выступами в плоскости прокладки 2 для формирования касательных напряжений ниже критического уровня:

где ϕ - угол наклона выступа на профилированной поверхности фланца, °; fск - коэффициент трения скольжения; р - давление обжатия прокладки, МПа; Sфл - площадь поверхности фланца, мм2; ркр - критическое контактное давление (предельно допустимое давление), МПа.

Определяют коэффициент трения скольжения при регламентированных параметрах контакта фланца с прокладкой.

В таблице 1 приведены значения коэффициентов трения скольжения при регламентированных параметрах контакта фланца с прокладкой

Выступы задаются концентрическими, форма выступов - равнобедренная трапеция.

Шаг между выступами определяется по следующей формуле:

где ав - ширина выступа у основания, мм; Нв - высота выступа, мм. Площадь и количество выступов, размещающихся на уплотнительной поверхности фланца, определяют следующим образом:

При расчете соблюдается следующее условие: r+х+m⋅а+(m-1)⋅b≤<R - х, (m - количество выступов) 1) Расчет считается верным, если выполняется условие:

Ниже приведен пример расчета макрогеометрии поверхности фланца.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать на поверхности фланца рельеф, обеспечивающий повышение надежности и герметичности фланцевого соединении при конструктивных несовершенствах прокладок, снизить уровень касательных напряжений сдвига, возникающих в материале прокладки, и обеспечить постоянное контактное усилие между фланцами при различных режимах нагружения за счет создания в зоне контакта уплотнительного материала с поверхностью фланца дополнительной площади контактирования.

Формула полезной модели

Фланцевое соединение для труб и аппаратов, содержащее два соединенных металлических фланца, сопряженных по контактной поверхности, между которыми расположена кольцевая прокладка, отличающееся тем, что контактная поверхность каждого фланца со стороны уплотнительной поверхности выполнена профилированной в виде системы канавок, имеющих в сечении форму равнобедренной трапеции, с образованием выступов, причем количество образованных выступов определяют исходя из условия формирования максимальной площади, занимаемой выступами в плоскости прокладки, обеспечивающей снижение уровня касательных напряжений сдвига, возникающих в материале прокладки, а шаг между выступами определяют по следующей формуле:

bв=ав+2⋅Нв⋅cotϕ,

где bв - шаг между выступами, мм;

ав - ширина выступа у основания, мм;

Нв - высота выступа, мм;

ϕ - угол наклона выступа на профилированной поверхности фланца°.

Изобретение "Фланцевое соединение для труб и аппаратов" (Дубинова Ольга Богдановна, Елагина Оксана Юрьевна, Дубинов Юрий Сергеевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога