Прокладки для фланцевых соединений

Что такое фланцевая прокладка?

Уплотнения фланцев используются для создания статического уплотнения между двумя поверхностями фланцев при различных условиях эксплуатации, с различными значениями давления и температуры. Прокладки заполняют микроскопические пространства и неровности поверхностей фланцев, а затем образуют уплотнение, предназначенное для хранения жидкостей и газов. Правильная установка без повреждений прокладок и поверхностей фланцев является обязательным требованием для фланцевого соединения без утечек.

Типы прокладок

Материалы для прокладок можно разделить на три основные категории:

• Неметаллические виды
• Полуметаллические виды
• Металлические виды

Неметаллические прокладки - это, как правило, композитные листовые материалы, которые используются с плоскими фланцами и фланцами с приподнятой поверхностью в классах низкого давления. Неметаллические прокладки изготавливаются из аримидного волокна, стекловолокна, эластомера, тефлона® (PTFE), графита и т. д. Типы полнопрофильных прокладок подходят для использования с плоскими фланцами. Уплотнения с плоским кольцом подходят для использования с фланцем с соединительным выступом.

ASME B16.21 охватывает типы, размеры, материалы, размеры, допуски на размеры и маркировку неметаллических плоских прокладок.

Полуметаллические прокладки - это композиты из металла и неметаллических материалов. Металл предназначен для обеспечения прочности и упругости, в то время как неметаллическая часть обеспечивает совместимость и герметичность. Часто используемые полуметаллические прокладки представляют собой спирально-навитые и резиновые прокладки, а также различные графитовые прокладки, армированные металлом.

Полуметаллические материалы предназначены практически для всех условий эксплуатации, а также для применения при высоких температурах и давлении и используются на фланцах с выступами, с наружной и внутренней резьбой, а также на фланцах с уплотнительной поверхностью «шип-паз» .

ASME B16.20 охватывает материалы, размеры, допуски на размеры и маркировку для металлических и полуметаллических прокладок.

 Типичная спирально-навитая прокладка

Металлические прокладки изготавливаются из одного или нескольких металлов до желаемой формы и размера. Часто используемые металлические прокладки являются соединениями кольцевого типа (RTJ). Они всегда наносятся на специальные сопутствующие фланцы, которые обеспечивают хорошее и надежное уплотнение при правильном выборе профилей и материала.

Кольцевые фланцевые соединения предназначены для уплотнения путем «первоначального линейного контакта» или заклинивания между сопряженным фланцем и прокладкой. Прилагая давление на поверхность уплотнения с помощью силы болта, «более мягкий» металл прокладки попадает в мелкозернистую структуру материала более жесткого фланца, создавая очень плотное и эффективное уплотнение.

ASME B16.20 охватывает материалы, размеры, допуски на размеры и маркировку для металлических и полуметаллических прокладок.

Часто используемые полуметаллические прокладки

Здесь ниже можно найти краткое описание ряда полуметаллических прокладок, которые широко используются.

Спирально-навитые прокладки

Концепция конструкции спирально-навитой прокладки была разработана компанией Flexitallic в 1912 году, открыв начало новой эры в безопасном и эффективном уплотнении. Основной целью этого развития были все более суровые температуры и давления, используемые операторами нефтеперерабатывающих заводов в США в первой половине столетия.

Необходимость восстановления способности прокладки не может быть переоценена. Влияние колебаний давления и температуры, перепад температур на поверхности фланца, а также ослабление напряжения болта и ползучесть требуют прокладки с достаточной гибкостью и восстановлением для поддержания уплотнения даже в этих изменяющихся условиях эксплуатации. Спирально-навитая прокладка - это точное решение таких проблем, отвечающее самым строгим условиям как температуры, так и давления во фланцевых соединениях и аналогичных узлах, а также против практически всех известных агрессивных и токсичных сред. Спирально-навитая прокладка удовлетворяет самым требовательным условиям как температура и давление во фланцевых соединениях и аналогичных узлах и против всех известных агрессивных и токсичных сред.

Спирально-навитая прокладка зависит от механических характеристик сформированной металлической спиральной полосы, а не от свойств сжатия более традиционных материалов прокладки. Это делает его особенно подходящим для низких или колеблющихся нагрузок болтов. Уплотнительные полосы или наполнители обычно представляют собой графит, хотя могут использоваться и другие материалы, такие как Teflon® (PTFE - фторопласт), обмотки всегда выполнены из нержавеющей стали. Чтобы этот тип прокладки работал, спираль не должна быть чрезмерно сжата, поэтому обычно используется один из двух типов управления сжатием.

Готовая прокладка вставляется в стальное кольцо определенной толщины. Когда прокладка вставлена ​​во фланец и приложена нагрузка болта, закрытие фланца регулируется внешним стальным кольцом прокладки. Для дальнейшего повышения номинального давления спирально-навитой прокладки внутрь может быть добавлено стальное кольцо. Это дает дополнительный ограничитель сжатия и обеспечивает тепловой и коррозионный барьер, защищающий обмотки прокладки и предотвращающий эрозию фланца. Обычно материал внутреннего кольца выбирают таким же, как металлическая обмотка.

ASME B16.20, который охватывает спирально навитые прокладки, требует использования внутренних металлических колец из твердого металла: класс давления 900, номинальные размеры труб 24 и более, класс давления 1500 для номинальных размеров труб 12 и более, класс давления 2500 для номинальных размеров труб 4 и больше и все прокладки заполнены PTFE. В том же стандарте также описано, как следует характеризовать спирально-навитую прокладку, ниже вы найдете изображение на ней.

Маркировка спирально-навитых прокладок

Поперечное сечение спирально-навитой прокладки

Кампрофильные прокладки

Прокладки с гнутым профилем или «желобчатые» зарекомендовали себя во всех промышленных применениях. Уплотнения с гнутым профилем находятся на промышленных электростанциях и в первичных цепях ядерных установок. Используется либо между фланцами, либо в теплообменниках в ядерных применениях. Нефтеперерабатывающая и химическая промышленность также выигрывают, так как прокладки используются в приложениях, где поддерживаются высокие давления и температуры, и, следовательно, необходимо контролировать высокие нагрузки на болты.

Прокладки с гнутым профилем

Прокладки с гнутым профилем состоят из металлического сердечника (обычно из нержавеющей стали) с концентрическими канавками по обе стороны с уплотнительными материалами. Герметизирующими слоями (в зависимости от условий эксплуатации) могут быть графит, PTFE (тефлон®), CAF или металл (например, алюминий или серебро). Прокладки с гнутым профилем можно использовать без уплотнительных слоев, чтобы обеспечить отличное уплотнение, но существует риск повреждения поверхности фланца - особенно при высоких посадочных нагрузках. Уплотнительные слои защищают поверхности фланцев от повреждений, а также обеспечивают эффективное уплотнение.

Прокладки с металлической оболочкой

Прокладки с металлической оболочкой, как следует из названия, состоят из металлической внешней оболочки с металлическим или неметаллическим наполнителем. Материал наполнителя обеспечивает упругость прокладки, а металлическая оболочка защищает наполнитель и противостоит давлению, температуре и коррозии.

Они традиционно используются для применения в теплообменниках, насосах и клапанах, однако упругие и восстановительные свойства этих прокладок ограничены. Прокладки с металлической оболочкой требуют гладкой поверхности фланца, высокой нагрузки на болты и плоскостности фланца для эффективного уплотнения.

Существует много различных видов прокладок с оболочкой. Во фланцевой прокладке с двойной оболочкой, наполнитель полностью окружен металлической оболочкой из двух частей, которая покрывает как внутренний, так и наружный диаметры, а также обе контактные поверхности.

Металлические прокладки для фланцев с впадиной под прокладку овального сечения

Соединение кольцевого типа изначально разрабатывалось для использования в нефтяной промышленности, где при высоких давлениях и температурах требовалась необходимость в уплотнении высокой целостности. Они в основном используются в нефтяной промышленности на буровом оборудовании и оборудовании для освоения скважин. Соединения кольцевого типа также широко используются на клапанах и трубопроводах вместе с некоторыми соединениями сосудов высокого давления.

Наиболее применяемым типом является кольцо типа R, которое обрабатывается с жесткими производственными допусками в соответствии с соответствующими стандартами для обеспечения правильной установки в стандартные фланцы API 6B и ASME B16.5.

Овальные и восьмиугольные RTJ (соединение кольцевого типа) с одинаковым обозначением размера кольца могут быть взаимозаменяемыми в стандартных фланцах с плоскими кольцевыми канавками. Для бороздок старого стиля с круглым дном можно использовать только овальные RTJ. Материалы конструкции выбираются так, чтобы они соответствовали материалу фланца и были устойчивы к коррозийным и эрозионным средам. Кроме того, твердость материала RTJ меньше, чем твердость фланцев, чтобы обеспечить деформацию RTJ, а не фланцев при сборке. RTJ нестандартного размера специально предназначены для установки на фланцы, предназначенные для конкретного применения, а не на стандартный фланец.

Типичное применение

Овальные и восьмиугольные RTJ предназначены для уплотнения давления до 6250 фунтов на квадратный дюйм в соответствии с ASME B16.20 и до 5000 фунтов на квадратный дюйм в соответствии с номинальными давлениями API 6A. Типичные области применения при высоких давлениях и температурах, в которых используются эти прокладки, включают клапанные и трубопроводные узлы при бурении и очистке нефтяных месторождений. Кроме того, эти прокладки установлены в сосудах высокого давления и насосах.

Как они работают

Под осевой сжимающей нагрузкой соединения кольцевого типа пластически деформируются и протекают в неровности канавки фланца. Поскольку несущая площадь соединения кольцевого типа относительно мала, между уплотняющими поверхностями соединения кольцевого типа и канавкой возникают очень высокие поверхностные напряжения. Эти напряжения дополнительно увеличиваются на кольцах вида RX и BX, что позволяет герметизировать очень высокое внутреннее давление. Поскольку кольцевые соединения выполнены из твердого металла, их характеристики восстановления плохие. Уплотнение поддерживается благодаря действию осевой нагрузки на прокладку.

Повторное использование

Соединения кольцевого типа имеют ограниченное количество положительных помех, что обеспечивает правильное размещение соединения кольцевого типа в канавке при сжатии. Их повторное использование не рекомендуется по двум причинам:

1. Первоначальная посадка прокладки будет нарушена
2. Когда прокладка подвергается пластической деформации, происходит закалка наружной металлической поверхности. Это может привести к необратимому повреждению канавки.

Твердость материалов

При сжатии фланца в сборе обязательно, чтобы соединение кольцевого типа было значительно мягче, чем канавка фланца, чтобы прокладка пластически деформировалась, а не канавка. Использование более жестких кольцевых соединений может привести к повреждению канавки фланца. По этой причине соединения кольцевого типа поставляются со следующими максимальными значениями твердости:

		Максимальная жёсткость
Материал	Wst No	Бринелль*	HRB**	ID
Мягкая сталь		90	56	D
Малоуглеродистая сталь		120	68	S
4 - 6% хром 1/2% молибден		130	72	F5
Тип 304 Нержавеющая сталь	1.4301	160	83	S304
Тип 316 Нержавеющая сталь	1.4401	160	83	S316
Тип 347 Нержавеющая сталь	1.4550	160	83	S347
Тип 410 Нержавеющая сталь	1.4006	170	96	S410

Примечания:

* Измеряется при нагрузке 3000 кг, за исключением мягкого железа, которое измеряется при нагрузке 500 кг.
** (по Роквеллу), измеренный при нагрузке 100 кг и шарике диаметром 1/16 дюйма.

Защитное покрытие

В соответствии со спецификациями API соединения кольцевого типа из мягкого железа, низкоуглеродистой стали и других черных материалов защищены от коррозии гальваническим цинком или кадмием с максимальной толщиной 0,0005 дюйма. Могут поставляться покрытия из альтернативных материалов.