RU2103575C1

RU2103575C1 - Circular sealing gasket

Info

Publication number: RU2103575C1
Application number: RU96100267A
Authority: RU
Inventors: А.П. Еперин; В.И. Лебедев; Л.В. Шмаков; Л.А. Белянин; В.В. Пикос; В.А. Максимов; Л.И. Щуров
Original assignee: Ленинградская атомная электростанция им.В.И.Ленина
Priority date: 1996-01-05
Filing date: 1996-01-05
Publication date: 1998-01-27

Abstract

FIELD: sealing technology; sealing taper and cylindrical surfaces of joints working under conditions of varying temperature and pressure. SUBSTANCE: seal includes circular sealing gasket fitted in groove between sealing surfaces; this gasket is wound from tape in form of filler and reinforcing wave-shaped base; at one end it is embraced by framework ring closing the end and edges of cylindrical surfaces of sealing member and pressure member. Framework ring is provided with alternating concentric ribs and recesses. Filler is made from heat-resistant material. Groove for gasket is widening from side of pressure member. Framework ring is fitted on side of groove widening. EFFECT: enhanced reliability. 5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может быть использовано для уплотнения конических и цилиндрических поверхностей соединений, работающих при изменяющихся температуре и давлении. The invention relates to the field of sealing technology and can be used to seal conical and cylindrical surfaces of joints operating at varying temperatures and pressures.

Известно устройство уплотнения трубопроводов ядерных установок, работающих при высоких температурах и давлениях [1]. Устройство включает в себя четыре манжеты из нержавеющей стали. Манжеты собраны в пакет, имеют уплотнительные прокладки, расположенные между манжетами и предназначенные для уплотнения внутренней трубы. Манжеты имеют наружные упругие ободки, в собранном виде образующие после шлифовки сплавную цилиндрическую поверхность. A device for sealing pipelines of nuclear installations operating at high temperatures and pressures [1]. The device includes four stainless steel cuffs. The cuffs are packaged and have gaskets located between the cuffs and designed to seal the inner pipe. The cuffs have external elastic rims that, when assembled, form an alloy cylindrical surface after grinding.

К недостаткам такой конструкции уплотнения следует отнести его избирательность для каждого конкретного соединения. The disadvantages of this design of the seal should include its selectivity for each specific connection.

Известна также конструкция уплотнения, устанавливаемого между двух цилиндрических деталей [2]. Это уплотнение содержит чередующиеся V-образные слои из графита и металлической пружинки, которые устанавливаются одна в другую и имеют внутренний и наружный диаметры, примерно соответствующие наружному и внутреннему диаметрам цилиндрических деталей. Слои уплотнения являются достаточно тонкими, чтобы позволить им изгибаться относительно их вершин под действием усилия, прикладываемого к одному концу сборного уплотнения. При этом металлические пружинки деформируют графитовые слои, так что внутренние и наружные кромки последних плотно взаимодействуют с цилиндрическими поверхностями. К недостаткам этой конструкции уплотнения следует отнести незначительную величину диаметрального зазора, который может быть уплотнен. Also known is the design of the seal installed between two cylindrical parts [2]. This seal contains alternating V-shaped layers of graphite and a metal spring, which are installed one into the other and have inner and outer diameters approximately corresponding to the outer and inner diameters of the cylindrical parts. The seal layers are thin enough to allow them to bend relative to their vertices under the force exerted on one end of the assembly seal. In this case, metal springs deform the graphite layers, so that the inner and outer edges of the latter tightly interact with cylindrical surfaces. The disadvantages of this seal design include a small amount of diametrical clearance, which can be sealed.

Известна конструкция уплотнения штока запорной задвижки [3]. Уплотнение штока обеспечивается пакетом колец, изготовленных из синтетического материала и зажатых между металлическими кольцами. Нижнее неметаллическое кольцо контактирует с корпусной деталью задвижки, а верхнее - с вторым пакетом уплотнительных колец. На верхнее кольцо пакета уплотнительных колец опирается расточенная на конце шайба. На шайбу устанавливается пакет конических тарельчатых пружин, обеспечивающих постоянный поджим уплотнительных пакетов к уплотняемым поверхностям. К недостаткам этого уплотнения следует отнести значительные габариты, а также большое усилие натяжки, которое следует приложить для деформации конических тарельчатых пружин. A known design of the seal of the stem of the gate valve [3]. The stem seal is provided by a package of rings made of synthetic material and sandwiched between metal rings. The lower non-metallic ring is in contact with the valve body part, and the upper one is in contact with the second pack of o-rings. The washer bored at the end rests on the upper ring of the o-ring package. A set of conical Belleville springs is installed on the washer, providing constant pressing of the sealing bags to the sealing surfaces. The disadvantages of this seal include significant dimensions, as well as a large tensile force, which should be applied to deform the conical Belleville springs.

Известно уплотнительное металлическое кольцо [4], предназначенное для уплотнения кольцевой полости между внутренними и внешними элементами. Между этими элементами устанавливается деформируемое металлическое уплотнительное кольцо, имеющее волнообразную в осевом направлении поверхность с внутренними и внешними кольцевыми гребнями. Осевая сила затяжки, действующая на кольцо, уменьшает его длину и деформирует его так, что внутренний гребень плотно прижимается к внутреннему элементу, а внешний - к внешнему элементу. К недостаткам уплотнительного кольца следует отнести его одноразовое использование, невозможность применения для уплотнения соединений, работающих при циклических изменениях температуры и давления, а также возможность повреждения уплотняемых поверхностей при разборке соединения. Known sealing metal ring [4], designed to seal the annular cavity between the internal and external elements. Between these elements, a deformable metal sealing ring is installed having an axially undulating surface with inner and outer annular ridges. The axial tightening force acting on the ring reduces its length and deforms it so that the inner ridge is firmly pressed against the inner element and the outer ridge to the outer element. The disadvantages of the sealing ring include its one-time use, the inability to use for sealing joints working under cyclic changes in temperature and pressure, as well as the possibility of damage to the sealing surfaces during disassembly of the joint.

Известно также уплотнение неподвижного соединения [5], содержащее полосу, навитую по спирали с осью, совпадающей с осью уплотняемых поверхностей, и образованную слоем металла и слоем наполнителя. Известное техническое решение позволяет исключить повреждение уплотняемых поверхностей при разборке соединения. Кроме того, известное техническое решение позволяет увеличить исходный радиальный зазор между наружным диаметром уплотнительной поверхности, что значительно упрощает установку уплотнительной прокладки. Однако, несмотря на свою прогрессивность, данное техническое решение не решает проблемы, связанной с обеспечением высокой степени эксплуатационной надежности, что подтверждено опытом их использования на АЭС для уплотнения каналов ядерного реактора. Это объясняется следующими факторами: уплотнительная прокладка имеет V-образный профиль. It is also known to seal a fixed joint [5], containing a strip helically wound with an axis coinciding with the axis of the surfaces being sealed and formed by a metal layer and a filler layer. The known technical solution eliminates damage to the sealing surfaces during disassembly of the connection. In addition, the known technical solution allows to increase the initial radial clearance between the outer diameter of the sealing surface, which greatly simplifies the installation of the gasket. However, despite its progressiveness, this technical solution does not solve the problem of ensuring a high degree of operational reliability, which is confirmed by the experience of their use in nuclear power plants for sealing the channels of a nuclear reactor. This is due to the following factors: the gasket has a V-shaped profile.

При перемещении прокладки в канале работающего реактора поток теплоносителя воздействует на открытый профиль прокладки и может сместить ее в радиальном направлении, что в свою очередь может привести к ее повреждению. При сжатии прокладки усилие передается от верхних слоев к нижним, при этом верхние слои деформируются на большую величину, чем нижние слои. При работе реактора поток теплоносителя воздействует на нижние слои и дополнительно их сжимает, что приводит к уменьшению общей высоты уплотнительной прокладки. При изменении давления или температуры в канале реактора возможно относительное смещение уплотняемых поверхностей в пределах образовавшегося зазора, вызванного дополнительной деформацией нижних слоев прокладки. Поэтому требуется периодическая подтяжка каждого уплотнения, что связано со значительными трудозатратами. When moving the gasket in the channel of a working reactor, the coolant flow acts on the open profile of the gasket and can shift it in the radial direction, which in turn can lead to damage. When the gasket is compressed, the force is transmitted from the upper layers to the lower ones, while the upper layers are deformed by a larger amount than the lower layers. During the operation of the reactor, the coolant flow acts on the lower layers and additionally compresses them, which leads to a decrease in the overall height of the gasket. With a change in pressure or temperature in the reactor channel, a relative shift of the sealing surfaces within the formed gap is possible, caused by additional deformation of the lower layers of the gasket. Therefore, a periodic tightening of each seal is required, which is associated with significant labor costs.

Наиболее близким аналогом по своей технической сущности к заявленному изобретению является уплотнительная прокладка для уплотнения цилиндрических поверхностей [6], где решается задача повышения осевой упругости уплотнительной прокладки за счет ввода в полосу, навиваемую по спирали с осью, совпадающей с осью уплотняемых поверхностей, армирующей металлической основы с наполнителем, причем армирующая металлическая основа выполнена волнообразной формы и размещена между двумя различными наполнителями, а одна из торцовых поверхностей прокладки охвачена кольцом W-образной формы, с дугообразной частью вогнутой во внутрь прокладки и лопастями, отходящими от дуги по направлению к ее вершине. The closest analogue in its technical essence to the claimed invention is a gasket for sealing cylindrical surfaces [6], where the task is to increase the axial elasticity of the gasket by introducing into the strip, wound in a spiral with the axis coinciding with the axis of the sealing surfaces, reinforcing the metal base with a filler, the reinforcing metal base being made in a wave-like shape and placed between two different fillers, and one of the end surfaces is masonry covered ring W-shaped with an arcuate portion concave inside lining and blades extending from the arc towards its top.

Недостатком данного технического решения является то, что не решается полностью задача при использовании этого уплотнения для герметизации конических уплотняемых поверхностей и больших радиальных зазоров (более 0,5 мм), необходимых при дистанционной стыковке элементов уплотнения, так как при дистанционной постановке, когда используются перегрузочные машины, роботы или манипуляторы, необходимо иметь большие боковые зазоры между сопрягаемыми элементами узла уплотнения, чтобы не повредить прокладку, в случае возможных перекосов и чтобы не усложнять дистанционно управляемую робото-технику сложными системами наведения на координату перегружаемых технологических трактов. Допускаемые величины боковых зазоров в этом случае зависят от технической возможности уплотнительной прокладки, от ее способности, упруго деформируясь, компенсировать большие боковые зазоры и в то же время она не должна сама охрупчиваться и разрушаться, особенно при уплотнении конических поверхностей, создающих наибольшие боковые зазоры. The disadvantage of this technical solution is that the problem is not completely solved when using this seal to seal conical sealing surfaces and large radial clearances (more than 0.5 mm) required for remote joining of seal elements, since during remote setting when reloading machines are used , robots or manipulators, it is necessary to have large lateral gaps between the mating elements of the seal assembly so as not to damage the gasket in case of possible distortions and not complicate the remotely controlled robot technology with complex guidance systems on the coordinate of overloaded technological paths. The permissible values of the lateral clearances in this case depend on the technical feasibility of the gasket, on its ability to elastically deform, to compensate for the large lateral clearances and at the same time it should not become embrittlement or break itself, especially when compacting conical surfaces that create the largest lateral clearances.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является увеличение надежности и ресурса работы уплотнения и его технологических возможностей, обеспечивающих расширение диапазона ее применяемости для герметизации конических уплотняемых поверхностей путем повышения радиальной податливости и упругих свойств уплотнения. The problem solved by the present invention is to increase the reliability and service life of the seal and its technological capabilities, providing an extension of the range of its applicability for sealing conical sealing surfaces by increasing the radial compliance and elastic properties of the seal.

Сущность изобретения заключается в том, что в уплотнении, содержащем установленную в канавке между уплотняющими поверхностями уплотнительную кольцевую прокладку, навитую из ленты, состоящей из наполнителя и армирующей основы волнообразной формы, охваченную с одного из торцов каркасным кольцом, закрывающим торец и кромки цилиндрических поверхностей уплотняющего элемента, и нажимной элемент, предложено каркасное кольцо выполнить с чередующимися концентрично расположенными ребрами и впадинами, наполнитель выполнить из термостойкого материала, канавку под прокладку выполнить расширяющейся со стороны нажимного элемента, при этом каркасное кольцо установить со стороны расширения канавки. Армирующую основу и наполнитель предложено выполнить из однородных материалов различной плотности, например, ленты из графита и графитофторопластов или из металла и кремнеорганической резины. Кроме того, в уплотнении количество ребер должно соотноситься с количеством впадин как:
N_R = П_вп + 1,
где N_R - количество ребер каркасного кольца;
П_вп - количество впадин каркасного кольца.The essence of the invention lies in the fact that in the seal containing installed in the groove between the sealing surfaces of the sealing ring gasket, wound from a tape consisting of a filler and a reinforcing base of a wave-like shape, covered from one end by a frame ring covering the end and the edges of the cylindrical surfaces of the sealing element , and a pressing element, it is proposed that the frame ring be made with alternating concentrically spaced ribs and depressions, the filler is made of heat-resistant Container material, the gasket groove perform expanding by the pressure body, wherein the skeleton ring set by the expansion groove. The reinforcing base and filler are proposed to be made of homogeneous materials of various densities, for example, ribbons of graphite and graphite-fluoroplastics or of metal and organosilicon rubber. In addition, in the seal, the number of ribs should be related to the number of depressions as:
N _R = P _ch + 1,
where N _R is the number of edges of the frame ring;
P _sn - number of cavities of the skeleton ring.

На фиг.1 представлено уплотнение, сечение; на фиг.2 - уплотнение в составе уплотнительного узла; на фиг.3 - схема расположения элементов уплотнения в корпусе арматуры до момента приложения нагрузки; на фиг.4 - схема расположения элементов уплотнения в момент приложения нагрузки; на фиг.5 - вариант кольцевых графито-фторопластовых уплотнений цилиндрических поверхностей с боковыми зазорами до 0,5 мм; на фиг.6 - вариант кольцевых уплотнений для цилиндрических и конических поверхностей с боковыми зазорами до Δb = 1/3 от B_упл - ширина уплотняемого сечения.Figure 1 presents the seal, section; figure 2 - seal in the sealing assembly; figure 3 - arrangement of sealing elements in the valve body until the application of the load; figure 4 - arrangement of the sealing elements at the time of application of the load; figure 5 is a variant of the ring graphite-fluoroplastic seals of cylindrical surfaces with side gaps of up to 0.5 mm; Fig.6 is a variant of the ring seals for cylindrical and conical surfaces with side gaps up to Δb = 1/3 from B _Opl - the width of the section being _sealed .

Уплотнение 1 (фиг.1) содержит полосу 2, навитую по спирали с осью, совпадающей с осью уплотняющих поверхностей 3 и 4. Полоса 2 образована армирующей металлической или графито-полимерной основой 5 волнообразной формы, размеренной между двумя различными наполнителями 6 и 7. Наполнитель 6 выполнен из графито-фторопласта или паронита, а наполнитель 7 - из терморасширенного графита. Верхняя торцовая поверхность уплотнения 1 охвачена каркасным кольцом 8, при этом кольцо 8 в сечении выполнено с выпуклым из торцовой поверхности прокладки гребнем 9 и ступенчатыми лопастями 10, отходящими от выпуклого гребня 9. При этом лопасти 10 частично охватывают и предохраняют от расслоения внутренние 11 и внешние 12 концевые участки слоев наполнителей 6 и 7. Противоположный нижний торец уплотнения 1 выполняется плоским - для герметизации сопряжений узлов уплотнений с небольшими боковыми зазорами величиной до 0,1-0,2 мм, что составляет 3-5% от наименьшей ширины уплотняемого сечения B_упл. Уплотнение 1 установлено в запорной арматуре 13 (фиг. 2-4) для уплотнения конической 14 и опорной цилиндрической 15 поверхностей.The seal 1 (figure 1) contains a strip 2, wound in a spiral with an axis coinciding with the axis of the sealing surfaces 3 and 4. The strip 2 is formed by a reinforcing metal or graphite-polymer base 5 of a wave-shaped shape, measured between two different fillers 6 and 7. Filler 6 is made of graphite-fluoroplastic or paronite, and filler 7 is made of thermally expanded graphite. The upper end surface of the seal 1 is covered by a frame ring 8, while the ring 8 in cross section is made with a crest 9 convex from the end surface of the gasket and step blades 10 extending from the convex crest 9. In this case, the blades 10 partially cover and prevent internal 11 and external from delamination 12 end sections of the layers of fillers 6 and 7. The opposite bottom end of the seal 1 is flat - to seal the mates of the seal nodes with small side gaps up to 0.1-0.2 mm, which is 3-5% of n imenshey the width of the sealed section B _{of sealing.} The seal 1 is installed in the shut-off valve 13 (Fig. 2-4) for sealing the conical 14 and supporting cylindrical 15 surfaces.

Уплотнение 1 (фиг. 5 - вариант), используемое в узлах уплотнений со стабильными боковыми зазорами Δb до 0,5 мм, собирается с двумя каркасными металлическими кольцами 19, вершина которых вогнута в торцовые поверхности прокладок. The seal 1 (Fig. 5 is an option) used in seal assemblies with stable lateral gaps Δb of up to 0.5 mm is assembled with two frame metal rings 19, the apex of which is concave into the end surfaces of the gaskets.

Процесс уплотнения с использованием предложенного уплотнения 1 осуществляется в следующей последовательности (фиг.3, 4). Уплотнение 1 устанавливается на выступ крышки 16 запорной арматуры 13 между конической 14 и цилиндрической 15 уплотняемыми поверхностями. Сверху на уплотнение 1 устанавливается промежуточное нажимное кольцо 17 (фиг. 2) и опорное кольцо 18, с помощью которых осуществляется передача усилия затяжки. Осевая деформация армирующей основы 5 вызывает радиальную деформацию полосы 2 со слоями наполнителей 6 и 7, которые входят в контакт с уплотняемыми поверхностями 14 и 15, создавая тем самым герметичное соединение. В силу того, что армирующая основа 5 - волнообразная, то при ее осевой деформации происходит уменьшение осевого шага между волнообразными вершинами с одновременным увеличением радиальной высоты волнообразных гребней основы 5 каждого слоя спирали, что приводит к радиальному боковому расширению всех слоев наполнителей 6 и 7 и его внедрению в микронеровности уплотняемых поверхностей 14 и 15. При этом волнообразная форма армирующей основы 5 фиксирует и передает аналогичные формы радиальных гребней всем слоям наполнителя в полосе 2, что позволяет в более широких пределах упругой деформации компенсировать температурные качки уплотнительного соединения. Каркасное металлическое кольцо 8 с выпуклым гребнем 9 своими ступенчатыми лопастями 10 охватывает кромки внутренних и внешних 12 слоев наполнителей 6 и 7 верхнего торца уплотнения 1, работающего в зоне уширения уплотняемой конической 14 поверхности, и предохраняет их от расслоения при сжатии в зоне, где боковой зазор может превышать 25% от начальной ширины уплотнения 1. Каркасное металлическое кольцо 8 благодаря своей геометрии - выпуклый гребень 9 и ступенчатые лопасти 10, изменяет свою форму при приложении к нему осевой силы сжатия. Выпуклый гребень 9 трансформируется, опускается в эластичное тело уплотнения 1, одновременно ступенчатые лопасти 10, деформируясь, образуют еще два боковых гребня 9, в результате образуется радиальный сильфон из трех гребней 9 и двух впадин. Каждый гребень 9 является также своеобразным ребром жесткости, по мере увеличения ширины уплотняемого сечения B_упл количество таких ребер может быть увеличено, причем их количество всегда будет больше числа впадин на одну единицу.The sealing process using the proposed seal 1 is carried out in the following sequence (Fig.3, 4). The seal 1 is installed on the protrusion of the cover 16 of the shutoff valve 13 between the conical 14 and the cylindrical 15 sealing surfaces. On top of the seal 1, an intermediate pressure ring 17 (Fig. 2) and a support ring 18 are installed, with the help of which the torque is transmitted. Axial deformation of the reinforcing base 5 causes a radial deformation of the strip 2 with layers of fillers 6 and 7, which come into contact with the sealing surfaces 14 and 15, thereby creating a tight connection. Due to the fact that the reinforcing base 5 is wave-like, when it is axially deformed, the axial pitch between the wave-like peaks decreases with a simultaneous increase in the radial height of the wave-like ridges of the base 5 of each spiral layer, which leads to a radial lateral expansion of all layers of fillers 6 and 7 and its the introduction of microroughnesses of the sealing surfaces 14 and 15. In this case, the wave-like shape of the reinforcing base 5 fixes and transfers similar forms of radial ridges to all layers of filler in strip 2, which allows t over a wider range of elastic deformation to compensate for the temperature fluctuations of the sealing joint. Frame metal ring 8 with a convex ridge 9 with its stepped blades 10 covers the edges of the inner and outer 12 layers of fillers 6 and 7 of the upper end of the seal 1, which works in the broadening zone of the sealed conical surface 14, and protects them from delamination under compression in the area where the lateral gap may exceed 25% of the initial width of the seal 1. Frame metal ring 8 due to its geometry - a convex ridge 9 and stepped blades 10, changes its shape when an axial compression force is applied to it. The convex ridge 9 is transformed, lowered into the elastic body of the seal 1, at the same time the stepped blades 10, deforming, form two more lateral ridges 9, resulting in a radial bellows of three ridges 9 and two depressions. Each ridge 9 is also a kind of stiffener, as the width of the compacted section B _cpl increases, the number of such ribs can be increased, and their number will always be greater than the number of depressions by one unit.

В результате такое комплексное техническое решение увеличивает и аккумулирует объемную упругость волнообразных осевых и радиальных упругих элементов, что позволит компенсировать и частично восполнить потери упругих сил, происходящие в уплотнении из-за деструкции физико-механических свойств и характеристик конструкционных элементов и материалов уплотнения. Изложенное позволит увеличить надежность и ресурс работы уплотнения. As a result, such a complex technical solution increases and accumulates the bulk elasticity of undulating axial and radial elastic elements, which will compensate and partially compensate for the loss of elastic forces that occur in the seal due to the destruction of the physico-mechanical properties and characteristics of the structural elements and materials of the seal. The above will increase the reliability and service life of the seal.

Claims

1. A seal comprising a sealing ring gasket installed in a groove between the sealing surfaces, wound from a tape consisting of a filler and a wave-shaped reinforcing base, enveloped from one end by a frame ring covering the end and the edges of the cylindrical surfaces of the sealing element, and a pressure element, characterized the fact that the frame ring is made with alternating, concentrically arranged ribs and depressions, the filler is made of heat-resistant material, the groove for the gasket in polyene expanding from the pressing member, wherein the skeleton ring is set by the expansion groove.

2. The seal according to claim 1, characterized in that the reinforcing base and filler gaskets are made of homogeneous materials.

3. The seal according to claim 1, characterized in that the reinforcing base and filler gaskets are made of materials of different densities.

4. The seal according to claim 3, characterized in that the reinforcing base and filler gaskets are made of a tape of graphite and graphite-fluoroplastics or of metal and organosilicon rubber.

5. The seal according to claim 1, or 2, or 3, or 4, characterized in that the number of ribs is related to the number of depressions as
N _p _in P _{_n.} + 1,
where N _{p the} number of ribs of the frame ring;
P _in _p _. the number of hollows of the frame ring.