Прокладка — это механическое уплотнение , которое заполняет пространство между двумя или более сопрягаемыми поверхностями, как правило, для предотвращения утечки из или внутрь соединяемых объектов во время сжатия . Это деформируемый материал, который используется для создания статического уплотнения и поддержания этого уплотнения в различных условиях эксплуатации в механическом узле. [1]
Прокладки допускают создание «неидеальных» сопрягаемых поверхностей на деталях машин, где они могут заполнить неровности. Прокладки обычно изготавливают путем резки из листовых материалов. Учитывая потенциальные затраты и последствия для безопасности, связанные с неисправными или протекающими прокладками, очень важно, чтобы правильный материал прокладки был выбран в соответствии с потребностями применения. [2]
Прокладки для особых применений, таких как паровые системы высокого давления, могут содержать асбест . Однако из-за опасности для здоровья, связанной с воздействием асбеста, по возможности используются безасбестовые прокладки. [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 незначительные неровности. Для правильной работы некоторых типов прокладок требуется нанесение герметика непосредственно на поверхность прокладки.
Некоторые прокладки (трубопроводов) полностью изготовлены из металла и для обеспечения герметизации опираются на посадочную поверхность; Используются собственные характеристики пружины металла (вплоть до σ y , предела текучести материала, но не превышающего его ). Это типично для некоторых «кольцевых соединений» (RTJ) или некоторых других систем металлических прокладок. Эти соединения известны как соединения компрессионного типа R-con и E-con. [4]
Некоторые прокладки дозируются и отверждаются на месте. Эти материалы называются формованными на месте прокладками. [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 промышленном применении для прокладочного материала из сжатого волокна является способность выдерживать высокие сжимающие нагрузки. В большинстве случаев применения промышленных прокладок используются болты , оказывающие сжатие в диапазоне 14 МПа (2000 фунтов на квадратный дюйм ) или выше. Вообще говоря, есть несколько истин , которые позволяют улучшить эксплуатационные характеристики прокладок. Один из наиболее проверенных и проверенных: «Чем большую сжимающую нагрузку оказывает прокладка, тем дольше она прослужит».
Существует несколько способов измерения способности материала прокладки выдерживать сжимающую нагрузку. «Испытание на горячее сжатие», вероятно, является наиболее распространенным из этих испытаний. Большинство производителей прокладочных материалов предоставляют или публикуют результаты этих испытаний.
Прокладки бывают самых разных конструкций в зависимости от промышленного использования, бюджета, химического контакта и физических параметров:
Прокладки можно изготовить путем штамповки необходимой формы из листа плоского тонкого материала, в результате чего получаются листовые прокладки . Листовые прокладки производятся быстро и дешево и могут быть изготовлены из различных материалов, в том числе из волокнистых материалов и матового графита (а в прошлом - из прессованного асбеста ). Эти прокладки могут удовлетворить различные химические требования в зависимости от инертности используемого материала. Безасбестовый прокладочный лист прочный, состоит из нескольких материалов и имеет толстую структуру. Примерами материалов являются минеральные, углеродные или синтетические каучуки, такие как EPDM, нитрил, неопрен, натуральный каучук, прокладка из SBR, каждый из которых обладает уникальными свойствами, подходящими для различных применений. [6] При использовании листовых прокладок используются кислоты, агрессивные химические вещества, пар или слабые щелочи. Гибкость и хорошее восстановление предотвращают поломку при монтаже листовой прокладки. [7]
Идея твердого материала заключается в использовании металлов, которые невозможно выковать из листов, но которые по-прежнему дешевы в производстве. Эти прокладки обычно проходят гораздо более высокий уровень контроля качества, чем листовые прокладки, и обычно могут выдерживать гораздо более высокие температуры и давления. Ключевым недостатком является то, что твердый металл необходимо сильно сжать, чтобы он стал заподлицо с головкой фланца и предотвратил утечку. Выбор материала сложнее; поскольку в основном используются металлы, существует риск технологического загрязнения и окисления . Дополнительным недостатком является то, что используемый металл должен быть мягче фланца — чтобы гарантировать, что фланец не деформируется и тем самым предотвратить герметизацию с будущими прокладками. Несмотря на это, эти прокладки нашли свою нишу в промышленности.
Спирально-навитые прокладки состоят из смеси металла и наполнителя. [8] Как правило, прокладка состоит из металла (обычно из богатой углеродом или нержавеющей стали ), намотанного наружу по круговой спирали (возможны другие формы), с наполнителем (обычно гибким графитом), намотанным таким же образом, но начиная с противоположной стороны. сторона. 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 цельные прокладки, хотя и имеют более высокую стоимость.
Прокладка с постоянным напряжением посадки состоит из двух компонентов; твердое несущее кольцо из подходящего материала, например, из нержавеющей стали , и два уплотнительных элемента из какого-либо сжимаемого материала, установленные в двух противоположных каналах, по одному каналу с каждой стороны несущего кольца. Уплотнительные элементы обычно изготавливаются из материала (вспененный графит, вспененный 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 (отклонение под предварительным натягом болта). У всех других обычных прокладок при затягивании крепежных деталей фланца фланец прогибается в радиальном направлении под нагрузкой, что приводит к наибольшему сжатию прокладки и наибольшему напряжению на внешней кромке прокладки.
Поскольку несущее кольцо, используемое в прокладках с постоянным напряжением посадки, учитывает это отклонение при создании несущего кольца для данного размера фланца, класса давления и материала, профиль несущего кольца можно отрегулировать, чтобы напряжение посадки прокладки было радиально равномерным поперек. всю площадь уплотнения. Кроме того, поскольку уплотнительные элементы полностью удерживаются поверхностями фланцев в противоположных каналах несущего кольца, любые сжимающие силы, действующие на прокладку в процессе эксплуатации, передаются через несущее кольцо и исключают любое дальнейшее сжатие уплотнительных элементов, тем самым сохраняя герметичность. «постоянное» напряжение на посадке прокладки во время эксплуатации. Таким образом, прокладка невосприимчива к типичным видам отказа прокладок, включая релаксацию ползучести, высокую вибрацию системы или термические циклы системы.
Фундаментальная концепция, лежащая в основе улучшенной герметизации прокладок с постоянным напряжением посадки, заключается в том, что (i) если поверхности фланцевого уплотнения способны обеспечить уплотнение, (ii) уплотнительные элементы совместимы с технологической жидкостью и областью применения, и (iii) достаточная При установке достигается напряжение посадки прокладки, необходимое для воздействия на уплотнение, тогда возможность утечки прокладки в процессе эксплуатации значительно снижается или полностью исключается.
Прокладки с двойной оболочкой представляют собой еще одну комбинацию наполнителя и металлических материалов. В этом случае трубка с концами, напоминающими букву «С», изготовлена из металла с дополнительной деталью, которая помещается внутри буквы «С», что делает трубку самой толстой в местах 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 на эти два места приходится нагрузка по герметизации процесса. Поскольку все, что нужно, — это оболочка и деталь, эти прокладки можно изготовить практически из любого материала, из которого можно превратить лист, а затем вставить наполнитель. [9]
Прокладки Kammprofile (иногда называемые Camprofile [10] ) используются во многих старых уплотнениях, поскольку они обладают как гибкостью, так и надежностью. Kammprofiles имеют твердую гофрированную сердцевину с гибким покрывающим слоем. Такое расположение обеспечивает очень высокое сжатие и чрезвычайно плотное уплотнение по краям прокладки. Поскольку обычно вместо металлического сердечника выходит из строя графит, Kammprofile можно отремонтировать во время последующего простоя. Для большинства применений Kammprofile требует высоких капитальных затрат, но этому противостоит длительный срок службы и повышенная надежность.
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 разматываются ни при хранении, ни на заводе. Закругленные края не вызывают повреждения фланца. Добавленный «ступень остановки» предотвращает чрезмерное сжатие/раздавливание прокладок Fishbone, что часто происходит из-за крутящего момента при пуске установки. Косточки прокладки остаются пластичными и приспосабливаются к термоциклированию и скачкам давления в системе, в результате чего получается прочное и надежное фланцевое уплотнение, которое значительно превосходит все другие прокладки такого типа.
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 внешнему диаметру.
Существует множество стандартов на прокладки для фланцев труб. Прокладки для фланцев можно разделить на четыре основные категории:
Листовые прокладки просты, их нарезают по размеру либо с отверстиями для болтов , либо без отверстий для типоразмеров 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. Это цельные металлические кольца разного сечения: 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 из наружного и внутреннего колец из нержавеющей стали , а центр заполнен спирально намотанной лентой из нержавеющей стали, намотанной вместе с графитом и ПТФЭ , имеющими V-образную форму. Внутреннее давление действует на поверхности V, заставляя прокладку плотно прилегать к поверхностям фланца. В большинстве случаев применения спиральнонавитых прокладок используются две стандартные толщины прокладок: 1/8 дюйма и 3/16 дюйма. При использовании прокладок толщиной 1/8 дюйма рекомендуется сжатие до толщины 0,100 дюйма. Для толщины 3/16 дюйма сожмите до толщины 0,13 дюйма.
Мягкая прокладка — это термин, обозначающий прокладку, которая вырезается из мягкого (гибкого) листового материала и может легко приспосабливаться к неровностям поверхности даже при низкой нагрузке на болты. Мягкие прокладки используются в таких устройствах, как теплообменники , компрессоры, клапаны с крышкой и фланцы труб.
Кольцевое уплотнение (RTJ Seal) — это высоконадежное, устойчивое к высоким температурам и высокому давлению уплотнение для применения в нефтяной промышленности, бурении нефтяных месторождений, соединениях сосудов под давлением, трубах, клапанах и т. д.
Движение кольцевой набивки (RTJ) можно охарактеризовать как неравномерное течение в канавке деформированного уплотнительного фланца вследствие осевой сжимающей нагрузки. Цветное уплотнение (уплотнение RTJ) имеет небольшую площадь нагрузки, что приводит к большому поверхностному давлению между уплотнительной поверхностью и канавкой, эксплуатационные свойства плохие и не пригодны для повторного использования.
Многие прокладки содержат незначительные улучшения, позволяющие улучшить или обеспечить приемлемые условия эксплуатации:
Неравномерное давление может быть вызвано множеством факторов. Во-первых, это человеческий фактор: асимметричное приложение преднатяга болта, это может вызвать неравномерность давления. Теоретически при запрессовке фланцев уплотняющие поверхности абсолютно параллельны, однако на практике осевая линия трубопровода не может быть абсолютно концентричной, и затяжка болтов на момент фланца приводит к разрыву фланца. При асимметричных соединениях поверхности уплотнений будут более или менее деформированы, давление снизится, рабочая нагрузка будет склонна к утечкам. В-третьих, плотность расположения болтов оказывает 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 ослабление напряжений в спирально-навитой прокладке, натяжение болта будет постепенно уменьшаться, что приведет к потере крутящего момента, что приведет к утечке. Обычно более длинные болты и болты меньшего диаметра лучше предотвращают потерю крутящего момента. Длинный тонкий болт — эффективный способ предотвратить потерю крутящего момента. Нагрев в течение определенного периода времени для растягивания болта, а затем поддержание заданного крутящего момента очень эффективно предотвращает потерю крутящего момента. Чем тоньше и меньше прокладка, тем больше будет 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. Отсутствие воздействия на затянутые болты может предотвратить потерю крутящего момента.
Важно правильно выполнить герметизацию, иначе это приведет к утечке. Слишком гладкая поверхность может привести к выдуванию материала прокладки под давлением. Необработанная плоская поверхность может стать причиной утечек. Хорошее эмпирическое правило — обработанная поверхность со значением 32RMS. Это гарантирует, что поверхность будет ровной, но с достаточной чистотой поверхности, чтобы врезаться в прокладку при сжатии.
При использовании прокладок с металлическим сердечником обе стороны сердечника покрыты гибким, податливым герметиком. Имеются усиленные металлические уплотнения для класса давления до 300. Прочный металлический сердечник предотвращает появление уплотнений под давлением, а мягкий сердечник обеспечивает исключительную герметичность.
