Штуцерно-торцевое соединение трубопроводов

Штуцерно-торцевое соединение трубопроводов

Реферат

 

Использование: в технике герметизации машин и аппаратов. Сущность изобретения: в резьбовом штуцере соосно установлен ниппель с торцовым кольцевым выступом. Один конец плавающей ступенчатой втулки вставлен в отверстие ниппеля с возможностью осевого перемещения, другой ее конец выполнен с торцовым кольцевым выступом, размещенным в кольцевом упоре уплотняемого отверстия и контактирующей с прокладкой. Наружный диаметр торцовой поверхности втулки имеет меньшую величину, чем наружный диаметр уплотнительной прокладки. 3 ил.

Изобретение относится к технике герметизации деталей машин и аппаратов, работающих под высоким давлением, в частности для герметизации трубопроводов, присоединяемых к сосудам и аппаратам, работающим под воздействием жидких и газообразных веществ, заключенных в сосуде при высоких параметрах давления и температуры.

Известно штуцерно-торцовое соединение (см. ГОСТ 5890-78, Соединения труб штуцерно-торцовые. Технические условия. М., 1978, стр. 2, черт.2), содержащее резьбовой штуцер, ниппель с кольцевым выступом, установленный соосно штуцеру, уплотнительную паронитовую прокладку, расположенную между торцовыми поверхностями штуцера и ниппеля, накидную гайку, навинченную на резьбу штуцера и с помощью своего кольцевого выступа прижимающую кольцевой выступ ниппеля к торцу штуцера. Соединяемые трубопроводы приварены к штуцеру и ниппелю. Известное соединение используют при давлениях, не превышающих 6-8 МПа (60-80 кгс/см²).

При сборке известного соединения трудно определить надежность его герметизации, так как по усилию затяжки гайки невозможно определить, достигнута ли нужная степень сжатия прокладки и следовательно герметизации соединения. Это становится известным только после подачи высокого давления в трубопровод, когда утечка может обнаружиться. В случае появления утечки необходимо сбрасывать давление и вновь производить затяжку гайки. Кроме того, известное соединение не может работать при давлениях, превышающих его рабочие параметры, так как паронит содержит асбестовые волокна, образующие микроканалы, а также из-за выдавливания паронитовой прокладки, периферийная поверхность которой непосредственно контактирует с кольцевой щелью, образованной между нею и резьбовой поверхностью накидной гайки. В известном соединении невозможно использовать металлические прокладки, так как их невозможно уплотнить между торцовыми поверхностями ниппеля и штуцера из-за того, что накидная гайка не может создать достаточное осевое усилие, необходимое для пластической деформации этой прокладки.

Известно также штуцерно-торцовое соединение трубопроводов, по своей конструкции наиболее близко подходящее к конструкции предлагаемого соединения (см. ГОСТ 4341-77. Детали соединений и арматура трубопроводов на Ру 25 МПа (250 кгс/см²). М., 1979, стр.2, исполнение 2, опубликованный в составе ГОСТ 4340-77 - ГОСТ 4361-77, ГОСТ 22416-77, ГОСТ 22417-77, стр. 7). Это известное соединение содержит резьбовой штуцер, ввернутый в уплотняемом отверстии в стенке сосуда, имеющем кольцевые уступы. Внутри штуцера соосно установлен ниппель, свободный конец которого имеет кольцевой выступ. На одну торцовую поверхность кольцевого выступа ниппеля опирается металлическая уплотнительная прокладка. При завинчивании штуцера его торец, упираясь в торцовую поверхность кольцевого выступа ниппеля, перемещает ниппель вдоль оси уплотняемого отверстия в сторону прокладки. В результате уплотнительная прокладка прижимается второй торцовой поверхностью кольцевого выступа ниппеля к торцовой поверхности уступа отверстия в стенке сосуда и уплотняет его. Трубопровод приваривается к наружному торцу ниппеля.

Известное соединение имеет ряд недостатков, приводящих к потере герметичности соединения в процессе его эксплуатации.

В известном соединении применяются в основном прокладки, выполненные из меди, реже - из алюминия, свинца и других пластичных металлов и сплавов. Однако надежно обжать медную прокладку в таком соединении не всегда возможно. Здесь предъявляются высокие требования к качеству изготовления деталей известного соединения. Особенно важно обеспечить соосность, плоскостность и перпендикулярность уплотняемых торцовых поверхностей. При несоблюдении этих требований к изготовлению деталей собрать и герметизировать известное штуцерно-торцовое соединение не представляется возможным. Требуется высокая чистота обработки торцовых поверхностей, которую обеспечить в глубине отверстий соединения затруднительно. Несмотря на высокую прочность известных штуцерно-торцовых соединений, они часто теряют свою герметичность под действием переменных значений температур и давлений.

Кроме того, если резьбовой штуцер и сосуд, в отверстие стенки которого ввертывается этот штуцер, изготовлены из нержавеющей стали одной марки и с одинаковой твердостью, то сжать металлическую прокладку таким штуцером не всегда возможно. Вследствие большого трения, которое возникает на поверхности резьбы при большом усилии затяжки, происходит ее заедание ("закусывание"), и осевое перемещение штуцера и ниппеля прекращается, то есть торцовая поверхность ниппеля прижимается к прокладке и не может ее сжать по всей ее торцовой поверхности. Поэтому после подачи высокого давления в трубопровод возникает утечка среды из сосуда через соединение. Для устранения утечки необходимо сбросить давление в трубопроводе, подтянуть, если это возможно, резьбовой штуцер, снова подать давление в трубопровод, чтобы проверить герметичность штуцерно-торцового соединения. В случае же "закусывания" резьбы или ее нарушения необходимо менять штуцер или восстанавливать резьбу в резьбовом отверстии сосуда.

Одним из недостатков известных штуцерно-торцовых соединений является то обстоятельство, что при высоких параметрах температуры их герметичность может нарушаться вследствие теплового расширения металла сосуда, приводящего к увеличению линейных и диаметральных размеров кольцевых уступов уплотняемого отверстия. В этом случае между уплотнительной прокладкой и поверхностью кольцевого уступа образуется зазор, через который может происходить утечка рабочей среды. Особую опасность представляет утечка высокоагрессивных ядовитых сред с горючими и взрывоопасными свойствами, что является совершенно недопустимым.

На современных заводах химической промышленности применяется много различных аппаратов, снабженных большим количеством известных штуцерно-торцовых соединений трубопроводов обвязки. Обеспечение высокой надежности работы этих соединений превращается в сложную проблему, решение которой требует значительных материальных и трудовых затрат.

Целью изобретения является повышение надежности герметизации трубопроводов для работы под высокими параметрами давления и температуры.

Поставленная цель достигается тем, что штуцерно-торцовое соединение трубопроводов, содержащее резьбовой штуцер, соосно установленный в нем ниппель с торцовым кольцевым выступом, уплотнительную прокладку, уплотнительное отверстие с кольцевыми уступами торцовых поверхностей, согласно изобретению, снабжено плавающей ступенчатой втулкой, один конец которой вставлен в отверстие ниппеля с возможностью осевого перемещения, а другой ее конец снабжен торцовым кольцевым выступом, помещенным в кольцевом уступе уплотняемого отверстия и контактирующим с прокладкой, при этом наружный диаметр торцовой поверхности выступа втулки имеет меньшую величину, чем наружный диаметр уплотнительной прокладки.

Предлагаемое соединение получает свойство самоуплотнения за счет применения плавающей втулки, имеющей возможность осевого перемещения относительно ниппеля. Названное свойство обеспечивает надежную герметизацию прокладки, так как при подаче давления в аппарат плавающая втулка под действием этого давления прижимается к уплотнительной прокладке и чем выше давление тем с большим усилием она прижимается. Поэтому при сборке соединения не требуется прикладывать к резьбовому штуцеру большого усилия затяжки для прижатия ниппеля к прокладке. В случаях же, когда торцовые поверхности деталей соединения имеют отклонения от соосности, плоскостности, перпендикулярности, чистоты обработки плавающая втулка компенсирует эти отклонения за счет соответствующей величины осевого перемещения, обеспечивающего полное обжатие прокладки и заполнение прокладкой всех дефектов изготовления уплотняемых поверхностей. В случаях недостаточной затяжки резьбового штуцера или "закусывания" резьбы штуцера, плавающая втулка под действием рабочего давления "дожимает" прокладку к торцовой поверхности ниппеля и обеспечивает надежную герметизацию трубопроводов. При более высоких параметрах рабочей температуры, когда происходит тепловое расширение металла уплотняемого аппарата, плавающая втулка также производит дожимание прокладки, которая заполняет все зазоры, возникающие за счет теплового расширения металла аппарата, надежно герметизируя соединение.

В технической литературе и других информационных материалах, касающихся штуцерно-торцовых соединений, отсутствуют сведения о конструкциях уплотнений, имеющих плавающую втулку, способную к самоуплотнению, что позволяет считать предлагаемое техническое решение удовлетворяющим критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показана конструкция штуцерно-торцового соединения прототипа, продольный разрез; на фиг.2 - предлагаемая конструкция штуцерно-торцового соединения в продольном разрезе, смонтированного в уплотняемом отверстии сосуда высокого давления, плавающая втулка до подачи давления находится в нейтральном левом положении относительно прокладки; на фиг.3 - предлагаемое соединение в продольном разрезе с плавающей втулкой, прижатой к прокладке высоким давлением.

Предлагаемое штуцерно-торцовое соединение трубопроводов содержит резьбовой штуцер 1, в котором соосно установлен ниппель 2, имеющий на своей торцовой части наружный кольцевой выступ "а" с двумя торцовыми поверхностями. К одной торцовой поверхности кольцевого выступа "а" ниппеля 2 примыкает уплотнительная кольцевая прокладка 3, а к другой - торцовая часть штуцера 1. Уплотнительная прокладка 3 выполнена из пластичного металла (медь, алюминий, свинец и т.п.) или из эластомера, например из резины. Со стороны действия высокого давления, то есть со стороны расположения рабочего пространства сосуда высокого давления, в отверстие ниппеля 2 вставлена по свободной посадке плавающая ступенчатая втулка 4, имеющая возможность осевого перемещения относительно ниппеля 2. Втулка 4 снабжена наружным кольцевым выступом "в", который имеет торцовую поверхность, контактирующую с прокладкой 3. При этом диаметр кольцевого выступа "в" втулки 4 имеет меньшую величину, чем наружный диаметр уплотнительной прокладки 4. Таким образом, прокладка 3 оказывается заключенной между торцовыми поверхностями кольцевых выступов "а" и "в" плавающей втулки 4 и ниппеля 2. Штуцерно-торцовое соединение размещено в уплотняемом отверстии 5 стенки 6 сосуда высокого давления. На цилиндрической поверхности отверстия 5 выполнено три кольцевых уступа разного диаметра. На первом уступе, имеющем наибольший диаметр, выполнена винтовая резьба, в которую ввернут штуцер 1. Второй уступ меньшего диаметра служит для размещения наружного кольцевого выступа "а" ниппеля 2 и прокладки 3. В третий кольцевой уступ, диаметр которого меньше диаметра второго уступа, помещен кольцевой выступ "в" втулки 4. К наружному концу ниппеля 2 приварен уплотняемый трубопровод (на чертежах не показан).

Предложенное штуцерно-торцовое соединение работает следующим образом.

После установки штуцерно-торцового соединения в отверстии 5 стенки 6 сосуда высокого давления производят затяжку штуцера 1 с небольшим усилием, обеспечивающим предварительное плотное прижатие прокладки 3 торцовой поверхностью выступа "а" ниппеля 2 к плоской стороне кольцевого уступа отверстия 5. При этом плавающая втулка 4 находится в крайнем левом положении, а прокладка 3 контактирует с торцовой поверхностью ее выступа "в" (фиг.2) под небольшим давлением от усилия прижатия, обеспечивающим предварительную герметизацию прокладки 3 по торцовым поверхностям втулки 4 ниппеля 2 и кольцевого уступа отверстия 5 в сосуде. Диаметр прокладки 3 при этом меньше диаметра кольцевого уступа. В этом положении торцовая поверхность выступа "в" втулки 4 расположена с одной плоскости с торцовой поверхностью кольцевого уступа отверстия 5, с которой соприкасается прокладка 3. При создании в сосуде высокого давления, плавающая втулка 4, уплотненная по прокладке 3, под действием этого давления перемещается в осевом направлении в сторону ниппеля 2 и торцовой поверхностью выступа "в" прижимает прокладку 3 к торцовой поверхности выступа "а" ниппеля 2. Прокладка 3 сжимается и заполняет все кольцевое пространство и возможные зазоры между уплотняемыми поверхностями. При этом диаметр прокладки 3 становится равным диаметру кольцевого уступа. Таким образом, происходит самоуплотнение соединения за счет рабочего давления в сосуде. Чем выше давление, тем сильнее плавающая втулка 4 прижимается к прокладке 3, которая обеспечивает герметизацию соединения за счет еще большей степени ее прижатия к уплотняемым поверхностям. В случае возникновения теплового расширения металла стенки 6 и образования в результате этого радиальных зазоров между прокладкой 4 и уплотняемыми поверхностями кольцевого уступа отверстия 5, прокладка 3, находящаяся под непрерывным усилием прижатия со стороны втулки 4, будет деформироваться и заполнит эти возникшие зазоры, восстановив таким образом герметичность соединения. Втулка 4 при этом переместится в осевом направлении на расстояние, определяемое упругими или пластичными свойствами прокладки 3 (фиг.3).

Предложенное штуцерно-торцовое соединение трубопроводов по сравнению с прототипом позволяет значительно облегчить сборку соединения, повысить надежность его герметизации за счет эффекта самоуплотнения с применением плавающей втулки, а также устранить вероятность потери герметичности уплотнения при переменных значениях давления и температуры, возникающих в аппарате в процессе его работы. Благодаря эффекту самоуплотнения, значительно ускоряется процесс монтажа предложенного штуцерно-торцового соединения, так как не требуется проверки и повторной подтяжки резьбового штуцера. Поэтому трудозатраты на монтаж трубопроводов обвязки снижаются. Предложенное соединение обеспечивает безопасную работу трубопроводов при гораздо больших параметрах давления и температуры по сравнению с прототипом. Например, если прототип позволяет работать под давлением 100 кгс/см², то предложенное соединение - под давлением в несколько сотен атмосфер.

Использование резиновой прокладки при невысоких рабочих температурах также позволяет значительно повысить параметры рабочего давления.

Формула изобретения

ШТУЦЕРНО-ТОРЦЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ, содержащее резьбовой штуцер, соосно установленный в нем ниппель с торцевым кольцевым выступом, уплотнительную прокладку, уплотняемое отверстие с кольцевыми уступами торцевых поверхностей, отличающееся тем, что оно снабжено плавающей ступенчатой втулкой, один конец которой вставлен в отверстие ниппеля с возможностью осевого перемещения, а другой ее конец выполнен с торцевым кольцевым выступом, размещенным в кольцевом уступе уплотняемого отверстия и контактирующим с прокладкой, при этом наружный диаметр торцевой поверхности втулки имеет меньшую величину, чем наружный диаметр уплотнительной прокладки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3