Уплотнительная прокладка с внутренней пластинчатой структурой для работы в условиях сверхвысоких температур

Изобретение относится к уплотнительной технике. Уплотнительная прокладка содержит наружную металлическую оболочку и внутреннюю упругую структуру, при этом внутренняя структура состоит из гибких пластин, разделенных опорами, которые расположены по обе стороны от пластин и смещены относительно друг друга в шахматном порядке. Опоры располагаются рядами, проходящими в направлении, перпендикулярном полосам, и в направлении, параллельном полосам, и между полосами. Изобретение обеспечивает высокую жесткость при небольших деформациях. 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Настоящее изобретение относится к уплотнительной прокладке с внутренней пластинчатой структурой, предназначенной для работы в условиях сверхвысоких температур, как правило, от 600 до 1000°С.

В области обеспечения статической герметичности фланцев трубопроводов или аналогичных соединений, выполняемых с возможностью сопротивления резким перепадам давления или температуры, часто используют прокладки с металлическими пружинами, которые, в сочетании с затягиванием металлических фланцев на металле, обеспечивают хорошую герметичность, а также высокую прочность по отношению к нагрузкам от давления, расширения или к внешним нагрузкам.

Эти прокладки работают в условиях постоянного сжатия, фиксированного глубиной гнезда или толщиной распорного кольца, установленного между опорными поверхностями фланцев. Они содержат упругий внутренний сердечник, позволяющий развивать усилие реакции, необходимое для обеспечения герметичности, и сплошную оболочку, опирающуюся на фланцы и обеспечивающую герметичность. Упругие элементы, наиболее часто используемые в этой области, являются открытой или закрытой трубкой, винтовой пружиной с прилегающими друг к другу витками или различными профилями С-образной, U-образной или Е-образной формы.

Сердечник должен поддерживать усилие во времени в условиях определенных механических или термических воздействий. Часто его свойство упругости определяет условия работы прокладки и срок ее службы. Действительно, в условиях постоянного сжатия прокладка со временем будет стремиться к ослаблению и, следовательно, производить все более слабое усилие сжатия. При высоких температурах этот феномен проявляется еще более выраженно.

Можно сократить ослабление, снижая механические напряжения в сердечнике прокладки при помощи разделения внутренней структуры на несколько элементов, каждый из которых подвергается меньшим нагрузкам. Некоторые примеры выполнения приведены в патентах US A 4901987 и 5639074. Они представляют собой винтообразные гофрированные пружины. Контакты между витками последовательных слоев обеспечивают жесткость пружины. Вместе с тем конкретный способ выполнения этих известных пружин не обеспечивает достаточной жесткости в интересующих нас вариантах применения в силу сплошного характера винта, да и пружины эти не были предусмотрены для выполнения данных задач по обеспечению герметичности. Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является создание уплотнительной прокладки с внутренним упругим элементом, которая может сохранять свои упругие свойства при температурах от 600 до 1000°С в течение достаточного срока службы. Хорошая упругая жесткость этой прокладки сопровождается хорошим распределением усилия во всей ее структуре.

Для этого в предлагаемой прокладке наружную металлическую оболочку соединяют с упругой внутренней структурой, образованной набором пластин, контактирующих между собой через смещенные относительно друг друга опоры и прогибающихся под действием общего сжатия прокладки.

В отличие от упомянутых патентов упругий элемент состоит из расположенных друг над другом и разделенных между собой пластин, которые, благодаря круглой форме прокладки, являются замкнутыми и, следовательно, обладают индивидуальной жесткостью, большей, чем у витков, образующих единую пластину.

На прилагаемых чертежах представлены несколько частных вариантов выполнения настоящего изобретения.

Фиг.1а и 1b - два варианта одного способа осуществления настоящего изобретения.

Фиг.1с - вариант работы прокладки.

Фиг.1d - вид отдельного элемента прокладки.

Фиг.1e - вид сверху и в разрезе прокладки.

Фиг.2а, 2b, 2c, 2d и 2е - различные возможные виды пластин.

Первый вариант выполнения показан на фиг.1а; прокладка представляет собой металлическую оболочку 1, содержащую две опорные стороны 2 и 3, выполненные с возможностью обеспечения герметичности между двумя фланцами 4 и 5, причем снаружи опорных сторон 2 и 3 выполнены выступы 6, вершины которых соприкасаются с фланцами 4 и 5 с возможностью концентрирования усилия сжатия. Прокладка содержит также внутреннюю структуру 7, состоящую из нескольких гибких упругих пластин 8, опирающихся на разделяющие их промежуточные вставки 9.

Таким образом, сердечник прокладки состоит из слоев пластин 8 и вставок 9, чередующихся в вертикальном направлении от одного из фланцев 4 к другому фланцу 5. Вставки 9 распределены в вертикальных рядах в шахматном порядке и занимают в этих рядах один промежуток из двух между пластинами 8. Если рассматривать прокладку в нормальном направлении с общей осью симметрии прокладки, горизонтально и параллельно фланцам 4 и 5 между двумя пластинами 8, то точно так же видим одну вставку 9 в любых двух видимых вертикальных рядах.

Показанная на фиг.1а прокладка имеет структуру, называемую радиальной, в которой вставки 9 являются концентричными кольцами различных радиусов. Чтобы наилучшим образом участвовать в давлении сжатия, ряды, в числе трех на фигуре, в которых вставки 9 соприкасаются с крайними пластинами 8, опирающимися своей другой стороной на опорные стороны 2 и 3, будут иметь такие же диаметры, что и выступы 6, находясь при этом под ними, а другие ряды вставок 9 будут располагаться на середине расстояния между выступами 6. Две крайние пластины 8 находятся в контакте с металлической оболочкой 1. Этот контакт представляет собой плоское и скользящее соединение.

В зависимости от жесткости двух крайних пластин 8, которые, в частности, выполняют функцию распределения усилия реакции пластинчатой структуры на металлическую оболочку 1, вставки могут занимать другие положения.

Прокладка может также иметь структуру, называемую орторадиальной, в которой вставки 9' расположены вдоль радиусов, показанную на фиг.1b. При рассмотрении в тангенциальном разрезе прокладки они также расположены в шахматном порядке, аналогично расположению, показанному на фиг.1а.

Обе структуры работают по существу одинаково. Сжатие прокладки выражается чередующимися прогибами пластин 8 между смещенными вставками 9 или 9'. Пластины 8 максимально деформируются, входя между собой во взаимный контакт между парами вставок 9 или 9', занимая положение, показанное на фиг.1с, при котором между пластинами 8 исчезают пустоты, чередуясь с вставками 9 в каждом из вертикальных рядов. Такой сердечник прокладки, жесткость которого меняется в зависимости от расстояния между вставками, обеспечивает хорошее сохранение усилия сжатия при воздействии напряжений на пластины, превышающих их предел упругости при высокой температуре, но при котором не происходит ослабления материала.

Материал пластин можно выбирать в зависимости от температурных условий их работы и от предела упругости. Можно рекомендовать использование жаропрочных сплавов на основе никеля, дисперсно-упрочненных сплавов или керамических материалов в силу незначительной деформации, которой будут подвергаться пластины 8. Вставки 9 или 9' можно выполнять из такого же материала. Наконец, материал наружной оболочки 1 выбирают также жаропрочным и в зависимости от природы текучей среды, герметизацию которой необходимо обеспечить. Можно использовать сплавы на основе никеля или железа, поскольку они образуют слой оксида, препятствующий высокотемпературной коррозии.

Конкретный вариант выполнения настоящего изобретения содержит три выступа 6 на каждой из опорных сторон 2 и 3 и восемь гибких пластин 8. Вставки 9 могут быть выполнены из проволоки с круглым сечением. Внутреннюю структуру можно выполнять в виде различных вариантов, выбор которых основан на экономических и технических критериях в зависимости от размера сечения прокладки или ее номинального диаметра. Выбор между радиальными и орторадиальными структурами осуществляют в зависимости от размерных критериев механики согласно допустимым для используемого материала напряжениям.

Во всех случаях выступы 9 или 9' одного слоя могут быть соединены между собой перемычками. В случае орторадиальной структуры эти перемычки могут быть выполнены в виде колец или одного кольца 10, расположенного рядом с пластинами 8, соединяя их, как показано на фиг.1d.

Эта фиг.1d, а также фиг.1е подтверждают некоторые общие аспекты прокладки: она в основном имеет круглую форму и расположена вокруг сквозного отверстия 12, выполненного во фланцах 4 и 5; оболочка 1 имеет U-образную форму, закрытую в сторону внутреннего пространства круга и отверстия 12, но открытую в наружную сторону; пластины 8 выполнены круглыми и с замкнутым контуром, что придает им хорошую жесткость при деформациях прогиба; они также различаются между собой, имея при этом идеально плоскую и однородную поверхность в ослабленном состоянии прокладки; выступы 6 являются линейными и, в частности, выполнены в виде окружности вокруг сквозного отверстия 12; хотя это и не показано на фигурах, но понятно, что вставки 9 радиальной структуры, показанной на фиг.1а, должны находиться в тех же местах, что и выступы 6 в варианте, показанном на фиг.1е.

Далее следует описание нескольких других вариантов выполнения настоящего изобретения.

На фиг.2а в разрезе показана металлическая пластина 8а, опоры 9а которой выполнены не в виде отдельных вставок, а в виде складок, незначительно выступающих над самой пластиной. Этот вариант может быть использован как для радиальной, так и для орторадиальной структуры.

На фиг.2b в разрезе показана керамическая пластина 8b, опоры 9b которой выполнены в виде также керамических вставок, наклеенных на пластину. Этот вариант представляется более приемлемым для орторадиальной структуры.

Наслоение пластин, показанных на фиг.2а, 2b, 2с, осуществляют путем установления контактов между опорами (складки, керамические вставки, швы металлического припоя), смещенными между двумя последовательными пластинами.

На фиг.2с в разрезе показана металлическая пластина 8с, опоры 9с которой выполнены в виде дополнительного материала, такого как швы металлического припоя, нанесенные при помощи сварочного аппарата через равномерные промежутки. Этот вариант может быть использован как для радиальной, так и для орторадиальной структуры.

Наслоение пластин, показанных на фиг.2а, 2b, 2с, осуществляют путем установления контактов между опорами (складки, керамические вставки, швы металлического припоя), смещенными между двумя последовательными пластинами.

На фиг.2d в разрезе показана гофрированная металлическая пластина 8d, которая может работать аналогично описанным выше пластинам, но при этом предоставляет дополнительные возможности соединения в самых разных комбинациях для варьирования жесткости, как показано на фиг.2е, на которой изображено попарное соединение пластин 8d. Эта гофрированная структура может быть использована в орторадиальной или в радиальной версии в зависимости от кругового или радиального выполнения волнистости. В этом варианте реализации настоящего изобретения опоры 9d выполняют путем установления контакта между противоположными вершинами волнистых профилей соседних пластин. Несмотря на то, что деформация пластин 8d отличается от деформации в предыдущих вариантах выполнения, так как под действием усилия они выпрямляются вместо того, чтобы прогибаться, в данном варианте выполнения работа прокладки происходит аналогичным образом. Необходимо предпринимать меры предосторожности, чтобы избежать проскальзывания пластин 8d в тангенциальном направлении. Поэтому их можно закреплять вместе с опорами при помощи сварных швов 11, заклепок и т.д.

1. Уплотнительная прокладка, содержащая наружную металлическую оболочку (1) и внутреннюю упругую структуру, при этом внутренняя структура состоит из гибких пластин (8; 8а, 8b, 8c, 8d), разделенных опорами (9; 9а, 9b, 9c, 9d), которые расположены по обе стороны от пластин и смещены относительно друг друга в шахматном порядке, при этом опоры располагаются рядами, проходящими в направлении, перпендикулярном полосам, и в направлении, параллельном полосам, и между полосами.

2. Уплотнительная прокладка по п.1, отличающаяся тем, что часть опор, соприкасающихся с оболочкой, находятся под выступами (6), выполненными на наружной стороне оболочки.

3. Уплотнительная прокладка по п.2, отличающаяся тем, что опоры и выступы являются линейными.

4. Уплотнительная прокладка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что гибкие пластины выполнены в виде отдельных элементов с замкнутым контуром.

5. Уплотнительная прокладка по п.4, отличающаяся тем, что гибкие пластины являются однородными и отделены друг от друга промежуточными вставками, образующими опоры.

6. Уплотнительная прокладка по п.5, отличающаяся тем, что содержит кольца, каждое из которых содержит вставки, расположенные между соответствующей парой гибких пластин.

7. Уплотнительная прокладка по любому из пп.5 или 6, отличающаяся тем, что гибкие пластины выполняют из металла, керамики или дисперсно-упрочненного сплава.

8. Уплотнительная прокладка по п.4, отличающаяся тем, что гибкие пластины выполняют гофрированными, при этом опоры образованы при помощи контакта между парами волнистых профилей.

9. Уплотнительная прокладка по п.8, отличающаяся тем, что опоры распределены в виде последовательных рядов, проходящих через прокладку между двумя противоположными опорными сторонами оболочки, при этом опоры и пустоты, разделяющие гибкие пластины, чередуются в каждом ряде и от одного ряда к другому.

10. Уплотнительная прокладка по п.9, отличающаяся тем, что гибкие пластины выполнены в виде окружностей и являются плоскими.

11. Уплотнительная прокладка по п.10, отличающаяся тем, что опоры расположены вдоль радиусов.

12. Уплотнительная прокладка по п.10, отличающаяся тем, что опоры выполнены в виде концентричных колец различного радиуса.