Прокладка — это механическое уплотнение , которое заполняет пространство между двумя или более сопрягаемыми поверхностями, как правило, для предотвращения утечки из или в соединенные объекты при сжатии . Это деформируемый материал, который используется для создания статического уплотнения и поддержания этого уплотнения в различных рабочих условиях в механическом узле. [1]
Прокладки допускают «неидеальные» сопрягаемые поверхности на деталях машин, где они могут заполнять неровности. Прокладки обычно производятся путем резки листовых материалов. Учитывая потенциальные затраты и последствия для безопасности неисправных или протекающих прокладок, крайне важно выбрать правильный материал прокладки, соответствующий потребностям применения. [2]
Прокладки для особых применений, таких как паровые системы высокого давления, могут содержать асбест . Однако из-за опасностей для здоровья, связанных с воздействием асбеста, в практических случаях используются материалы для прокладок, не содержащие асбест. [3]
Обычно желательно, чтобы прокладка была изготовлена из материала, который в некоторой степени податлив, чтобы он мог деформироваться и плотно заполнять пространство, для которого он предназначен, включая любые небольшие неровности. Некоторые типы прокладок требуют нанесения герметика непосредственно на поверхность прокладки для правильного функционирования.
Некоторые (трубопроводные) прокладки полностью изготовлены из металла и полагаются на посадочную поверхность для достижения уплотнения; используются собственные пружинные характеристики металла (до, но не выше σ y , предела текучести материала ). Это типично для некоторых «кольцевых соединений» (RTJ) или некоторых других систем металлических прокладок. Эти соединения известны как компрессионные соединения R-con и E-con. [4]
Некоторые прокладки наносятся и отверждаются на месте. Эти материалы называются прокладками, формируемыми на месте. [5]
Прокладки обычно изготавливаются из плоского материала, листа, такого как бумага , резина , силикон , металл , пробка , войлок , неопрен , нитриловый каучук , стекловолокно , политетрафторэтилен (также известный как ПТФЭ или тефлон) или пластиковый полимер (например, полихлортрифторэтилен ).
Одним из наиболее желательных свойств эффективной прокладки в промышленных применениях для прокладочного материала из сжатого волокна является способность выдерживать высокие сжимающие нагрузки. Большинство промышленных применений прокладок включают болты, испытывающие сжатие в диапазоне 14 МПа (2000 фунтов на кв . дюйм ) или выше. Вообще говоря, существует несколько трюизмов , которые позволяют улучшить эксплуатационные характеристики прокладки. Одно из наиболее проверенных и испытанных: «Чем больше сжимающая нагрузка, приложенная к прокладке, тем дольше она прослужит».
Существует несколько способов измерения способности материала прокладки выдерживать сжимающую нагрузку. «Испытание на горячее сжатие» является, вероятно, наиболее приемлемым из этих испытаний. Большинство производителей материалов прокладок предоставляют или публикуют результаты этих испытаний.
Прокладки выпускаются в различных исполнениях в зависимости от промышленного применения, бюджета, химического контакта и физических параметров:
Прокладки можно изготавливать, выдавливая нужную форму из листа плоского тонкого материала, в результате чего получаются листовые прокладки . Листовые прокладки производятся быстро и дешево, и могут изготавливаться из различных материалов, среди которых волокнистые материалы и матовый графит (а в прошлом - прессованный асбест ). Эти прокладки могут соответствовать различным химическим требованиям в зависимости от инертности используемого материала. Листовые прокладки без асбеста долговечны, изготавливаются из различных материалов и имеют большую толщину. Примерами материалов являются минеральные, углеродные или синтетические каучуки, такие как EPDM, нитрил, неопрен, натуральный, SBR Insertion - каждый из которых обладает уникальными свойствами, подходящими для различных применений. [2] Приложения с использованием листовых прокладок включают кислоты, едкие химикаты, пар или слабые едкие вещества. Гибкость и хорошее восстановление предотвращают поломку во время установки листовой прокладки. [6]
Идея, лежащая в основе сплошного материала, заключается в использовании металлов, которые нельзя вырубить из листов, но которые все еще дешевы в производстве. Эти прокладки, как правило, имеют гораздо более высокий уровень контроля качества, чем листовые прокладки, и, как правило, могут выдерживать гораздо более высокие температуры и давления. Основным недостатком является то, что сплошной металл должен быть сильно сжат, чтобы стать заподлицо с головкой фланца и предотвратить утечку. Выбор материала сложнее; поскольку в основном используются металлы, загрязнение процесса и окисление представляют собой риски. Дополнительным недостатком является то, что используемый металл должен быть мягче фланца — для того, чтобы гарантировать, что фланец не деформируется и тем самым не помешает герметизации с будущими прокладками. Несмотря на это, эти прокладки нашли свою нишу в промышленности.
Спирально-навитые прокладки состоят из смеси металла и наполнителя. [7] Обычно прокладка имеет металл (обычно углеродистую или нержавеющую сталь ), намотанный наружу по круговой спирали (возможны и другие формы) с наполнителем (обычно гибким графитом), намотанным таким же образом, но начиная с противоположной стороны. Это приводит к чередованию слоев наполнителя и металла. Наполнитель в этих прокладках действует как уплотнительный элемент, а металл обеспечивает структурную поддержку.
Эти прокладки доказали свою надежность в большинстве случаев применения и обеспечивают меньшие усилия зажима, чем сплошные прокладки, хотя и имеют более высокую стоимость.
Прокладка постоянного напряжения седла состоит из двух компонентов: сплошного несущего кольца из подходящего материала, например, нержавеющей стали , и двух уплотнительных элементов из некоторого сжимаемого материала, установленных в двух противоположных каналах, по одному каналу с каждой стороны несущего кольца. Уплотнительные элементы обычно изготавливаются из материала (расширенный графит, расширенный политетрафторэтилен (ПТФЭ), вермикулит и т. д.), подходящего для технологической жидкости и применения.
Прокладки с постоянным напряжением посадки получили свое название из-за того, что профиль несущего кольца учитывает вращение фланца (прогиб под предварительным натяжением болта). При использовании всех других обычных прокладок, когда крепежные элементы фланца затягиваются, фланец прогибается радиально под нагрузкой, что приводит к наибольшему сжатию прокладки и наибольшему напряжению прокладки на внешнем крае прокладки.
Поскольку несущее кольцо, используемое в прокладках с постоянным напряжением посадки, учитывает это отклонение при создании несущего кольца для заданного размера фланца, класса давления и материала, профиль несущего кольца можно отрегулировать, чтобы напряжение посадки прокладки было радиально равномерным по всей площади уплотнения. Кроме того, поскольку уплотнительные элементы полностью ограничены поверхностями фланцев в противоположных каналах на несущем кольце, любые сжимающие силы в процессе эксплуатации, действующие на прокладку, передаются через несущее кольцо и предотвращают дальнейшее сжатие уплотнительных элементов, тем самым поддерживая «постоянное» напряжение посадки прокладки во время эксплуатации. Таким образом, прокладка невосприимчива к общим режимам отказа прокладки, которые включают релаксацию ползучести, высокую вибрацию системы или тепловые циклы системы.
Основная концепция, лежащая в основе улучшенной герметичности прокладок с постоянным посадочным напряжением, заключается в том, что (i) если уплотнительные поверхности фланцев способны обеспечить герметичность, (ii) уплотнительные элементы совместимы с технологической жидкостью и областью применения, и (iii) при установке достигается достаточное посадочное напряжение прокладки, необходимое для обеспечения герметичности, то вероятность протечки прокладки в процессе эксплуатации значительно снижается или полностью устраняется.
Прокладки с двойной оболочкой представляют собой еще одну комбинацию наполнителя и металлических материалов. В этом случае трубка с концами, напоминающими букву «С», изготавливается из металла с дополнительной деталью, которая помещается внутрь «С», делая трубку самой толстой в точках соединения. Наполнитель закачивается между оболочкой и деталью. При использовании сжатая прокладка имеет большее количество металла на двух концах, где происходит контакт (из-за взаимодействия оболочки и детали), и эти два места несут нагрузку по герметизации процесса. Поскольку все, что нужно, это оболочка и деталь, эти прокладки могут быть изготовлены практически из любого материала, который можно превратить в лист, а затем вставить наполнитель. [8]
Прокладки Kammprofile (иногда их называют «Camprofile» из-за их конструкции, напоминающей профиль распределительного вала, который является вращающимся компонентом в двигателях внутреннего сгорания. [9] ) используются во многих старых уплотнениях, поскольку они обладают как гибкой природой, так и надежной работой. Kammprofile работают за счет наличия твердого гофрированного сердечника с гибким покровным слоем. Такое расположение обеспечивает очень высокое сжатие и чрезвычайно плотное уплотнение вдоль гребней прокладки. Поскольку обычно вместо металлического сердечника выходит из строя графит, Kammprofile можно ремонтировать во время последующего простоя. Kammprofile имеет высокие капитальные затраты для большинства применений, но это компенсируется длительным сроком службы и повышенной надежностью.
Прокладки Fishbone являются прямой заменой прокладок Kammprofile и Spiralwound. Они полностью изготовлены на станках с ЧПУ из аналогичных материалов, но конструкция прокладок устранила присущие им недостатки. Прокладки Fishbone не раскручиваются при хранении или на заводе. Закругленные края не вызывают повреждения фланцев. Добавленный «Стоп-шаг» предотвращает чрезмерное сжатие/раздавливание прокладок Fishbone, часто вызываемое методами горячего крутящего момента при запуске завода. Кости прокладки остаются пластичными и приспосабливаются к температурным циклам и скачкам давления в системе, что приводит к прочному и надежному фланцевому уплотнению, которое значительно превосходит все другие прокладки такого рода.
Фланцевая прокладка — это тип прокладки, предназначенной для установки между двумя секциями трубы , которые расширяются для обеспечения большей площади поверхности.
Фланцевые прокладки бывают разных размеров и классифицируются по внутреннему и наружному диаметру.
Существует множество стандартов на прокладки для фланцев труб. Прокладки для фланцев можно разделить на четыре основные категории:
Листовые прокладки просты, они нарезаются по размеру с отверстиями под болты или без отверстий стандартных размеров, различной толщины и материала, подходящего для среды и температуры, давления трубопровода.
Кольцевые прокладки, также известные как RTJ. Они в основном используются в морских нефте- и газопроводах и предназначены для работы под чрезвычайно высоким давлением. Они представляют собой сплошные кольца из металла в различных сечениях, таких как овальные, круглые, восьмиугольные и т. д. Иногда они имеют отверстие в центре для давления.
Спирально-навитые прокладки также используются в трубопроводах высокого давления и изготавливаются с наружными и внутренними кольцами из нержавеющей стали и центром, заполненным спирально-навитой лентой из нержавеющей стали, намотанной вместе с графитом и ПТФЭ , сформированной в форме V. Внутреннее давление действует на поверхности V, заставляя прокладку герметизировать поверхности фланцев. В большинстве случаев применения спирально-навитых прокладок будут использоваться две стандартные толщины прокладок: 1/8 дюйма и 3/16 дюйма. Для прокладок толщиной 1/8 дюйма рекомендуется сжатие до толщины 0,100 дюйма. Для прокладок толщиной 3/16 дюйма сжатие до толщины 0,13 дюйма.
Мягкая прокладка — это термин, который относится к прокладке, которая вырезана из мягкого (гибкого) листового материала и может легко соответствовать неровностям поверхности, даже когда нагрузка на болт низкая. Мягкие прокладки используются в таких приложениях, как теплообменники , компрессоры, клапаны крышки и фланцы труб.
Кольцевое уплотнение (RTJ Seal) — это герметичное, высокотемпературное и высоконапорное уплотнение для применения в нефтяной промышленности, бурении нефтяных месторождений, соединениях сосудов высокого давления, трубах, клапанах и т. д.
Движение кольцевой набивки (RTJ) можно описать как нерегулярный поток в канавке деформированного уплотнительного фланца из-за осевой сжимающей нагрузки. Цветное уплотнение (RTJ seal) имеет небольшую площадь нагрузки, что приводит к большому поверхностному давлению между уплотнительной поверхностью и канавкой, эксплуатационные свойства плохие и не подходят для повторного использования.
Многие прокладки содержат незначительные усовершенствования для улучшения или обеспечения приемлемых условий эксплуатации:
Неравномерное давление может быть вызвано различными факторами. Во-первых, это человеческий фактор: асимметричное приложение предварительной нагрузки болта, это может вызвать неравномерное давление. Теоретически, когда фланцы сжимаются, уплотнительные поверхности абсолютно параллельны, однако на практике осевая линия трубопровода не может быть абсолютно концентрической, и затягивание болтов на моменте фланца делает фланец разрывным. При асимметричных соединениях уплотнительные поверхности будут более или менее деформированы, а давление будет уменьшено, рабочая нагрузка, склонна к утечке. В-третьих, плотность расположения болтов имеет очевидное влияние на распределение давления, чем ближе болты, тем равномернее давление.
Затяните болты на фланце. Из-за вибрации, изменений температуры и других факторов, таких как релаксация напряжений спирально-навитой прокладки, натяжение болта постепенно уменьшается, что приводит к потере крутящего момента, вызывая утечку. В целом, более длинные болты и болты меньшего диаметра лучше предотвращают потерю крутящего момента. Длинный тонкий болт является эффективным способом предотвращения потери крутящего момента. Нагревание в течение определенного периода времени для растяжения болта, а затем поддержание заданного крутящего момента очень эффективно для предотвращения потери крутящего момента. Когда прокладка тоньше и меньше, будет большая потеря крутящего момента. Кроме того, предотвращайте сильную вибрацию машины и самой трубы и изолируйте их от вибрации соседнего оборудования. Удары по уплотнительной поверхности не бессмысленны. Не оказывая воздействия на затянутые болты, можно предотвратить потерю крутящего момента.
Важно правильно выполнить герметизацию, иначе это приведет к утечке. Слишком гладкая поверхность может привести к выдуванию прокладочного материала под давлением. Поверхность, не обработанная до плоской формы, может стать причиной утечки. Хорошее практическое правило — обработанная поверхность до 32RMS. Это гарантирует, что поверхность будет плоской, но с достаточной отделкой поверхности, чтобы врезаться в прокладку при сжатии.
С металлическим сердечником, покрытым прокладками, обе стороны сердечника покрыты гибким, податливым герметиком. Существуют армированные металлические уплотнения в классе давления до 300. Прочный металлический сердечник предотвращает образование уплотнений под давлением, а мягкий сердечник обеспечивает исключительную герметизацию.
