Уплотнения сосуда высокого давления

Наиболее употребительное отношение:

..

Толщина стенки – до 350 мм и более. Вес – до 200 т.

Корпуса аппаратов делятся на СПЛОШНЫЕ и СОСТАВНЫЕ. Сплошные бывают цельнокованые, ковано-сварные и штампованые. Составные – многослойные витые и оплеточные.

При изготовлении СПЛОШНЫХ корпусов используют гидравлические кованые пресса мощностью 10..15 тыс. тонн. Вес заготовки в 2,5 раза больше изделия.

слиток предварительно обжимается

удаляется центральная часть

обрабатываются на токарных станках концевые участки

Недостатки: необходимость применения тяжелого оборудования, большое количество отходов (например, для колонны весом 70 т вес заготовки 150..170 т).

При изготовлении СОСТАВНЫХ корпусов применяется электро-шлаковая сварка.

Преимущества: отсутствие тяжелого оборудования, минимальное количество отходов.
Недостатки: большое количество сварных швов.

Оплеточные корпуса представляют собой внутреннюю гильзу толщиной 20..30 мм, на которой снаружи протачивают винтовую линию трапецеидальной формы.

Лента наматывается с натягом. Натяг обеспечивается разогревом электрическим током. При остывании боковые поверхности профиля заклиниваются.

Преимущества: отсутствие тяжелого оборудования.
Недостатки: Необходимость изготовления профильной ленты.

Затворы сосудов высокого давления.

Затвор – это комплекс деталей обеспечивающий герметичность между корпусом и крышкой.

По типу уплотняющего элемента различаются затворы:

1. С пластичным обтюратором из мягкого металла (Cu, Al).
   При сборке затвора и в рабочем состоянии материал обтюратора доводится до пластичного состояния (Cu и Al заполняют микронеровности).
2. С упругим обтюратором, работающим в области упругих деформаций.

В зависимости от фактора обжатия затворы делятся на 2 группы:

1. Затворы принудительного уплотнения, в которых обжатие производится в основном крепежными шпильками.
2. Самоуплотняющиеся затворы, в которых обжатие уплотняемых поверхностей осуществляется полностью или частично давлением газа в аппарате. Эти затворы бывают с осевым и радиальным уплотнением.

Конструкции затворов аппаратов высокого давления.

Обтюратор – стальное шлифованное гибкое кольцо с сечением равнобедренного прямоугольного треугольника. Края обтюратора закруглены.

Даже при небольших усилиях затяжки на закругленных поверхностях создаются высокие удельные давления. При подаче вовнутрь давления обтюратор выгибается наружу и прижимается краевыми участками внешних граней к проточкам корпуса и крышки.

Цилиндрическая часть шпилек обтачивается до внутреннего диаметра резьбы, что уменьшает концентрацию напряжений вблизи оси резьбы.

В шпильке делается отверстие для смазки.

Источник

Выбор типа уплотнений для фланцев сосудов и аппаратов. Часть 1.

Выбор типа уплотнений для фланцев сосудов и аппаратов. Часть 1.

Инженерные технологи, npoet.ru

Различные условия эксплуатации создают уникальные проблемы для сотрудников ремонтных служб заводов, которые обеспечивают надежную герметизацию резьбовых соединений фланцев сосудов и аппаратов.
Многие факторы могут оказать вредное воздействие на прокладки, которые используются для уплотнения фланцев. Вот только некоторые из этих факторов: перекосы фланцевых соединений, дефекты поверхности, вибрации, скачки температуры и давления, химическое воздействие, ползучесть материала прокладки, изменения прижимной силы или неправильная затяжка резьбовых соединений. Понимание сути физических процессов в болтовых соединениях имеет ключевое значение для обеспечения герметичности стыков. Только в этом случае, конструктор может быть уверен, что фланцы сосудов и аппаратов будут длительное время выполнять свою функцию.
Фланцы, являющиеся местом соединения труб, клапанов, насосов и другого оборудования, без сомнения, являются ключевым элементом для формирования трубопроводных систем. Разъемные болтовые соединения, в отличие от сварных, обеспечивают максимально легкий доступ для очистки, проверки и модификации системы трубопроводов.
Многие виды болтовых соединений фланцев были разработаны специально для определенных типов оборудования, включая клапаны, датчики, люки, технические лючки и теплообменники. Идеальное фланцевое соединение состоит из двух параллельных и абсолютно ровных поверхностей, соединенных вместе и создающих герметичное уплотнение.
Тем не менее, производственные процессы не позволяют создавать совершенные уплотнительные поверхности. Большинство поверхностей фланцев имеют неровности, которые неизбежно приводят к нарушению герметичности. Избежать утечки перекачиваемой жидкости или газа можно лишь одним способом – установкой между фланцами сосудов и аппаратов прокладки из упругого материала или комбинации материалов. Таким образом, прокладка используется между опорными поверхностями фланцев для компенсации погрешностей изготовления, возникающих в реальных условиях. Прокладка подвергается интенсивному сжатию, в момент затяжки болтового соединения.
Утечки из болтовых фланцевых соединений являются причиной проблем во многих отраслях промышленности, в том числе химической, целлюлозно-бумажной, энергетической и нефтеперерабатывающей. Именно поэтому, инженерами постоянно ведется работа над созданием новых материалов для уплотнений, способных выдерживать высокие перепады давления и температур.

Источник

Затворы аппаратов высокого давления с упругой деформацией. Конструкция

Влияние различных факторов (температуры, природы и концентрации реагентов, особенностей конструкции) на скорость коррозии

Ø состояние поверхности – полировка, шлифовка приводят к значительному снижению скорости коррозии (меньше трещин, дефектов), в атмосферных условиях вероятность конденсации водяного пара на гладких поверхностях значительно меньше, чем на шероховатых, так коррозионная стойкость полированных образцов стали Х18Н10Т в 6–12 раз выше, чем для грубошлифованных;

Ø механическое напряжение в металле – коррозионному растрескиванию подвержен металл сварного шва, так как в зонах, примыкающих к шву, возникают растягивающие усилия, изменяющие состав и структуру металла, по этой причине не рекомендуется использовать швы внахлестку, швы химической аппаратуры свариваются преимущественно встык.

Лотковый вибрационный питатель. Устройство, применение

В последнее время широкое применение находят вибрационные питатели, используемые для пылевидных, зернистых и кусковых материалов. К их достоинствам можно отнести простоту и надежность в использовании. Такие питатели снабжены вибраторами (чаще всего электромагнитными, когда количество дозируемого материала регулируется изменением напряжения). Скорость движения материала по лотку составляет 0,1–0,3 м/с.

Способы изготовления толстостенных аппаратов

Корпус – основной элемент, так как воспринимает основную нагрузку от внутреннего давления. Имеет значительную толщину стенок. Как правило, стоимость производства корпуса определяет стоимость колонны. Изготавливают корпуса в виде различных конструкций, соответственно для изготовления используются различные методы.

Бункеры и затворы для сыпучих материалов

Бункеры должны отвечать следующим требованиям:

· непрерывность потока и равномерность истечения материала при открытом затворе;

· обеспечение постоянной плотности материала независимо от степени заполнения бункера;

· отсутствие «мертвых зон».

Затворы аппаратов высокого давления с пластичной деформацией. Конструкция

№63 Аппараты для разделения гетерогенных систем (газ – твердое)

Расчет колонных аппаратов на прочность и устойчивость

К колонным аппаратам относятся вертикальные цилиндрические сосуды постоянного или переменного сечения с внутренними устройствами либо без них, предназначенные для осуществления тепломассообменных процессов.

Наиболее ответственными частями колонных аппаратов являются корпус и опорный узел, на которые помимо действующей нагрузки от давления реакционной среды, силы тяжести аппарата и реагентов в нем оказывают дополнительное воздействие внешние силы, а именно – ветровая и сейсмическая нагрузки. Поэтому действие данных сил необходимо учитывать при расчете аппаратов колонного типа. Нормы и методы расчета колонных аппаратов регламентируются следующими нормативными документами:

– ГОСТ 24756–81 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность». Этот документ регламентирует методику определения расчетных усилий, возникающих в элементах аппаратов колонного типа от ветровой и сейсмической нагрузок, в частности: определение периода собственных колебаний, определение изгибающего момента от ветровой нагрузки и усилий от сейсмических воздействий;

– ГОСТ 24757–81 «Сосуды и аппараты колонного типа». Он устанавливает методы расчета на прочность и устойчивость колонных аппаратов под действием внутреннего или наружного давления, собственного веса и изгибающих моментов от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий.

Толщину стенок цилиндрического корпуса, конических переходов и днищ определяют по ранее рассмотренным методикам расчета тонкостенных цилиндрических обечаек, исходя из величин избыточного внутреннего или наружного давления. После чего стенки аппарата рассчитываются на прочность и устойчивость с учетом действия ветровой нагрузки и сейсмического воздействия (расчет приведен в разделе 4 ГОСТ 24756–81).

Расчет толщины и высоты стенки опорной обечайки узла, а также проверка напряжения изгиба приводятся в 5 и 6 разделах ГОСТа. Кроме того, ГОСТ регламентирует методику расчета анкерных болтов.

Представленные в ГОСТ расчеты достаточно трудоемки, поэтому лишь кратко ознакомимся с алгоритмом расчетов на примере расчета корпуса колонного аппарата.

Прежде всего, необходимо отметить, что согласно ГОСТ расчету на ветровую нагрузку подлежат не все вертикально расположенные аппараты, а только удовлетворяющие следующим условиям:

Расчету на сейсмическое воздействие подлежат аппараты колонного типа, расположенные в районах с сейсмичностью 7 и более баллов. Республика Беларусь не является сейсмически опасным регионом, поэтому для промышленных предприятий, расположенных на территории страны, расчеты на сейсмическое воздействие не выполняются (в рамках настоящего курса не рассматриваются).

Колонну рассчитывают как консольный упруго защемленный стержень. При этом аппарат разбивается на z участков (hz ≤ 10 м), вес участка принимается сосредоточенным в середине участка, а ветровая нагрузка, распределенная непрерывно по высоте аппарата заменяется сосредоточенными горизонтальными силами, приложенными в середине каждого из z участков.

Изгибающий момент от ветровой нагрузки в расчетном сечении на высоте х определяется по формуле

где Рi– ветровая нагрузка на i-м участке; Mvj – изгибающим момент от действия ветра на обслуживающую площадку j на высоте х, Н ∙ м.

где Рi st– статическая составляющая ветровой нагрузки; Рi dyn – динамическая составляющая ветровой нагрузки;

При расчете колонного аппарата устанавливаются следующие основные расчетные сечения (рисунок):

– поперечные сечения корпуса, переменные по толщине стенки или диаметру;

– сечение в месте присоединения опорной обечайки;

– сечение в местах расположения отверстий в опорной обечайке;

– в месте присоединения опорного кольца;

– дополнительные сечения для расчета местных нагрузок.

Колонный аппарат рассчитывается для следующих условий работы:

Для рабочих условий, т. е. условий эксплуатации осевое сжимающее усилие F1 = G1, где G1 – вес колонны в рабочих условиях, включая вес обслуживаемых площадок, рабочей среды, изоляции, Н (кгс).

Расчетный изгибающий момент

М1 =

где

– изгибающий момент от действия эксцентричных ветровых нагрузок в сечении.

Р1 – расчетное давление в рабочих условиях, измеряемое на высоте х (внутреннее избыточное давление Р > 0 или наружное давление P 0, то процесс химической коррозии невозможен;

Δ GТ = 0, то система находится в равновесии.

Виды коррозионных разрушений. Изменение поверхности металла в результате коррозионных процессов может быть различными в зависимости от свойств металла и коррозионной среды. На их развитие очень сильно влияет механическая напряженность металла.

Наиболее опасной является местная коррозия, которая при малой общей коррозии в отдельных местах может создать резкую концентрацию механических напряжений, в свою очередь содействующих дальнейшему разрушению металла.

Выявляемые микроскопическим исследованием коррозионные разрушения все опасны и особенно интеркристаллитная коррозия, ослабляющая связь между металлическими зернами, и транскристаллитняя коррозия, возникающая под действием, механических напряжений и приводящая к развитию трещин. Наименее опасна селективная коррозия — результат травления стали при сохранении карбидных зерен (цементит, мартенсит) или потеря цинка из латуней.

Типы коррозионных процессов. Часто одни и те же типы коррозионных разрушений металла могут быть вызваны разными процессами коррозии. Коррозионные процессы бывает трудно отнести только к какому-либо определенному типу, так как они нередко происходят одновременно (атмосферная коррозия). По природе гетерогенных процессов взаимодействия окружающей среды с металлами эти процессы можно разделить на два основных типа:

— газовая коррозия — коррозионное разрушение под воздействием газов при высоких температурах;

— коррозия в жидкостях-неэлектролитах.

Газовая коррозия

Газовая коррозия — наиболее распространенный вид химической коррозии. При высоких температурах поверхность металла под воздействием газов разрушается.

Газовой коррозии подвержены детали и узлы машин, работающих при высоких температурах, — двигатели поршневого и турбинного типа, ракетные двигатели и т. п. Химическое сродство большинства металлов к кислороду при высоких температурах почти неограниченно, так как оксиды всех технически важных металлов способны растворяться в металлах и уходить из равновесной системы:

В этих условиях окисление всегда возможно, но наряду с растворением оксида появляется и оксидный слой на поверхности металла, который может тормозить процесс окисления.

Скорость окисления металла зависит от скорости собственно химической реакции и скорости диффузии окислителя через пленку, а поэтому защитное действие пленки тем выше, чем лучше ее сплошность и ниже диффузионная способность. Сплошность пленки, образующейся на поверхности металла, можно оценить по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла (фактор Пиллинга—Бэдвордса).

Коэффициент a (фактор Пиллинга — Бэдвордса) у разных металлов имеет разные значения (табл. 1).

Таблица 1. Значение коэффициента a для некоторых металлов

Надежность и себестоимость гидроприводов в значительной степени определяется качеством уплотнений подвижных соединений. Для надежной работы уплотнений необходимо обеспечить прецизионную точность изготовления, минимальную шероховатость контактирующих поверхностей, высокую износостойкость материалов и большую жесткость конструкции [4]. Хотя проблема уплотнений актуальна и для обычных гидроприводов, особое значение она приобретает для гидроприводов сверхвысокого давления (СВД), к которому в трубопроводной арматуре относят давление свыше 80 МПа, а в уплотнительной технике – свыше 40 МПа [2].

   В условиях СВД напряжение в деталях приближаются к пределам текучести материалов, поэтому даже незначительные утечки вызывают эрозию стенок канала течи. Одновременно увеличиваются деформации деталей, приводящие к потере начальных натягов и экструзии уплотнителя в зазоры; вследствие ухудшения условий смазывания и увеличения контактных напряжений резко повышаются интенсивность изнашивания и тепловыделение, особенно при герметизации жидкостей с плохой смазывающей способностью (например, воды).

   Для герметизации лабораторных гидросистем с давлением до 1000 МПа, появившихся в 40-х годах нашего столетия, американский физик П.В. Бриджмен создал так называемые дифференциальные контактные уплотнения (КУ), работа которых основана на принципе усиления эффекта самоуплотнения с повышением давления уплотняемой среды (рис.1), так как считал, что в резиновых уплотнениях этот эффект не достаточен для СВД. Такие уплотнения применяются и в настоящее время, однако, как следует из анализа механизма герметизации [4], при СВД могут надежно работать и обычные резиновые уплотнения, если они имеют прочные защитные кольца.

   Практика эксплуатации простейших контактных эластичных уплотнений (рис.2,а) с клиновыми защитными кольцами из высокотвердой (35-40 HRCэ) бериллиевой бронзы БрБ2 в гидроэкструзионных установках, работающих при давлении до 2000 МПа, подтверждает этот вывод [1]. Имеется большой опыт применения пластмассовых и эластичных уплотнений с пластмассовыми или бронзовыми защитными кольцами в гидроприводах высокого давления (до 300 МПа) кузнечно-прессового оборудования, гидродомкратах, устройствах для гидрораспора прессовых соединений, гидропружинах и гидродемпферах, стендах для испытания на прочность. При этом уплотнения успешно применяются не только для жидкостей на нефтяной основе, но также и для плохо смазывающих сред.

   Альтернативой контактным являются бесконтакные (щелевые) уплотнения (БУ) (рис.2,б), герметичность которых обеспечивается силами внутреннего трения в слоях жидкости, находящейся в микронных зазорах между сопрягаемыми деталями [3]. Наиболее отработаны БУ плунжерных пар в топливных насосах дизельных двигателей  и насосах-форсунках [5], работающих при давлении до 200 МПа, а также в гидромашинах и гидрораспределителях при давлении до 100 МПа. Имеется опыт применения при давлениях жидкости до 2000 МПа в поршневых манометрах, динамометрах и гидравлических весах.

   В современных насосах и гидромультипликаторах, работающих на воде при давлении в диапазоне 200-400 МПа, применяются как КУ, так и БУ плунжеров. В связи с этим полезно сопоставить основные параметры и качественные признаки работоспособного состояния уплотнений этих видов (см. таблицу).

   По главному параметру – герметичности – КУ выгодно отличаются  от БУ, утечки в которых сравнительно велики и нестабильны, так как зависят от многих факторов и прогрессируют по мере увеличения наработки. Что бы утечки не превышали нескольких процентов от подачи насоса, зазоры в БУ плунжерных пар в условиях СВД не должны превышать 3 мкм, а для топливных насосов и дизелей  – 1 мкм. Наличие утечек обусловливает необходимость применения дренажной системы с дополнительными уплотнениями и трубопроводами. Для поддержания минимальных зазоров в плунжерных парах используются толстостенные гильзы, так как их рассчитывают исходя из условия обеспечения высокой жесткости.

   Большое преимущество БУ – возможность эффективно выполнять функцию отключаемого уплотнения в устройствах регулирования подачи рабочей жидкости, поскольку в отличие от КУ они не чувствительны к наличию боковых отверстий на сопрягаемых деталях

   Потери на трение в КУ несоизмеримо выше, чем в БУ, особенно в режиме холостого хода. При рабочем ходе силы трения возникают и в БУ вследствие неуравновешенности давления в щели, а также внецентренной нагрузки плунжера. С повышением давления радиальные нагрузки увеличиваются даже при наличии кольцевых разгрузочных канавок на рабочих поверхностях втулки или плунжера. Стремление к минимизации износа обусловливает необходимость увеличения твердости и прочности, снижения шероховатости поверхности сопряженных деталей (что актуально, кстати, и для КУ). Повышенное трение существенно снижает допустимые скорости скольжения для КУ (по сравнению с БУ).

   Главное конструктивное преимущество КУ – пониженные требования к точности  изготовления его деталей (квалитет 8-9 вместо 1-3), благодаря эластичности уплотнителей. Расширенные допуски на изготовление позволяют выполнять КУ больших размеров для работы в условиях СВД, в то время как получить микронные зазоры в БУ затруднительно при диаметрах свыше 50 мм. КУ менее чувствительны к тепловым, силовым и структурным деформациям узла, работоспособны при значительных износах плунжера, имеют повышенную ремонтопригодность.

   Уход от микронных зазоров исключает такие частые и характерные для БУ отказы, как защемление и задиры плунжерной пары, связанные не только с подбором материалов и точностью изготовления, но и с деформациями деталей (например, вследствие аустенситно-мартенситных преобразований в структуре стали, вызванных неполной обработкой холодом).

   Причиной задиров часто является заклинивание в зазоре твердых включений, содержащихся в жидкости. КУ сравнительно малочувствительны к загрязнению жидкости и могут работать даже в абразивосодержащих буровых растворах, в то время как для плунжерных пар топливных насосов необходима фильтрация рабочей жидкости с точностью 3-5 мкм.

   Малая осевая протяженность современных КУ и возможность их размещения в глухих канавках позволяют резервировать уплотнения, предусматривать камеры для подвода смазочного материала и охлаждающей жидкости (рис.3).

   Таким образом, БУ целесообразно использовать, например, в топливных насосах дизелей с регулируемой подачей, в которых быстроходные плунжеры с малыми диаметрами и ходами работают в паре с втулками, имеющими боковые каналы, а утечки способствуют охлаждению пар трения.

   Для тихоходных машин и мультипликаторов больших размеров целесообразно использовать КУ, так как при увеличении диаметров и ходов трудоемкость изготовления БУ резко увеличивается, а надежность снижается. Поскольку силы трения в уплотнениях пропорциональны диаметрам плунжеров, а мощность гидромашин пропорциональна квадратам диаметров, недостатки КУ в части повышения потерь не трение становятся менее заметными. Для мультипликаторов, работающих на воде в условиях СВД (при 400 МПа и выше) при скоростях движения плунжера до 0,2 м/с и хороших условиях охлаждения, определяющими являются такие преимущества КУ, как высокая технологичность конструкции, нечувствительность к загрязнениям и неравномерным деформациям деталей силового контура, минимальные потери энергии на утечки, возможность многократного резервирования. Среди многочисленных типов КУ плунжеров наиболее совершенными являются компактные пластмассовые уплотнения [6, 7].

   Малая осевая протяженность и возможность монтажа в глухие канавки позволяет использовать их в многоступенчатых уплотнительных узлах. Высокая самосмазывающая способность современных антифрикционных пластмасс на основе фторопластов, полиуретанов и полиэфиров обеспечивает их надежную работу и в плохо смазывающих жидкостях (например, в водопроводной воде). При подводе смазочного материала между ступенями уплотнения дополнительно повышается ресурс уплотнительного узла.

   Поскольку в настоящее время нет методики расчета ресурса уплотнений в условиях СВД, основным способом решения проблемы остается экспериментальная отработка конструкции.

Современные уплотнения, в том числе для работы в условиях сверхвысокого давления, поставляет фирма «ЭЛКОНТ».