автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Исследование и расчет разъемных герметичных соединений с самоустанавливающимся уплотнительным элементом

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Р г в од

„ На правах рукописи

2 г ШОН 1523

САБИНОВ ДЕНИС БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ РАЗЬЕШЫХ ГЕРМЕТИЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С СА1¡ОУСТАНАВЛИВ АЩИМСЯ УПЛОТНИЕЛЬНШ ЭЛЕМЕНТОМ

(Специальность 05.04.09 - Машины и агрегаты химических

и нефтехимических производств)

Автореферат диссертации, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1998

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Продан В.Д.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Шубин B.C., кандидат технических наук Божко Г.В.

Ведущее предприятие фирма "Агрохимреммаш" АО "Агрохимин-

вест"

Автореферат диссертации разослан '2Ь" " 1998 г.

Защита диссертации состоится ик>\иО-" 1993 г.

час. 00 мин. в аудитории Л-23-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Вали отзывы и замечания в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 107066 г. Москва, ул. Старая

Басманная 21/4, МГУИЭ.

Ученый секретарь Совета

Пахомов А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы, В настоящее время предъявляются высокие требования к защите окружающей среды от загрязнения вредными веществами. Одним из источников загрязнения являются разъемные соединения оборудования, работающего под давлением, откуда, вследствие недостаточной их герметичности , происходят утечки в окружающую среду. Данная работа посвящена проблеме повышения герметичности, в частности, крупногабаритных разъемных соединений оборудования, работающего под давлением.

Цель работы. Разработка и исследование новой конструкции самоустанавливающегося уплотнения, способного компенсировать отклонения формы и расположения поверхностей разъемного соединения в оборудовании, работающем при повышенных давлениях и температурах.

Научная новизна:

- новый в герметологии метод повышения упругих свойств уп-лотнигельного элемента заполнением его несжимаемой жидкостью;

- методика' расчета разъемного соединения с уплотнителъным элементом, заполненным жидкостью;

- дополнительный эффект самоуплотнения за счет температурного расширения жидкости в полости уплотнительного элемента, который предложено классифицировать как термическое самоуплотнение;

- методы и расчетные зависимости для стабилизации интенсивности термического самоуплотнения.

Практическая значимость. Применение предложенной конструкции в разъемных соединениях оборудования, работающего под давлением, позволит существенно повысить их герметичность при значительном снижении требований к точности выполнения уплотняемых поверхностей разъемных деталей (фланцев).

Автор защищает новую конструкцию разъемного герметичного соединения; результаты аналитического и экспериментального исследования работы этого соединения; методы стабилизации интенсив-

ности термического самоуплотнения.

Апробация работы и научные публикации. Результаты работы были доложены на 3-х научно-технических конференциях: на международных конференциях в г. Москве и г. Иркутске, и конференции МГАХМ. Содержание работы представлено в 4-х публикациях.

Объем работы. Работа содержит введение и 7 глав, 124 машинописных листа, 25 рисунков, 7 графиков, 6 таблиц, список литературы - 116 источников и 1 лист приложения. Общий объем (без приложений) - 148 листов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечено о необходимости создания эффективных конструкций разъемных герметичных соединений. Даны общие сведения по расчету конструкций.

В главе 1 представлены общие сведения о известных конструкциях уплотнений. Отмечены недостатки типовых уплотнений. Учитывая, что исследуемая конструкция уплотнения - пустотелая , особое внимание при анализе патентной и технической литературы было уделено трубчатым уплотнительным элементам. При анализе выявлен общий их недостаток - повышенные требования к точности изготовления контактных поверхностей.

Предложен новый подход к конструированию трубчатого уплотнения с целью снижения требований к точности изготовления элементов конструкции соединения и повышение герметизирующей способности в широком диапазоне изменения температуры уплотняемой среды. Предлагается конструкция герметичного разъемного соединения, которая содержит (рис.1) уплотняемые разъемные детали с кольцевыми канавками, образующими в сборе кольцевую полость для размещения уплотнительного элемента, и уплотнительный элемент, выполненный в виде тонкостенного полого кольца (трубчатого уплотнения). Новым в конструкции является то, что внутренняя полость уплотнительного элемента выполнена герметичной и заполнена ка-

-з-

Рис.1 Предлагаемая конструкция разъемного герметичного соединения:

1.2 - разъемные детали; 3 - крепежный элемент; 4 - металлическая оболочка уллотнительного элемента; 5 - жидкостное заполнение оболочки.

пельной несжимаемой жидкостью; кольцевая полость, образованная канавками разъемных деталей, соответствует внешнему контуру уп-лотнительного элемента.

Поставлены задачи исследования предлагаемой конструкции: условия применения жидкостного заполнителя, исследование напряженно-деформированного состояния в условиях отклонения формы и расположения поверхностей, исследование герметизирующей способности, оценка влияния температуры, рекомендации по расчету и конструированию.

В главе 2 установлены основные требования к жидкости при выборе ее в качестве наполнителя уплотнигельного элемента. Даны рекомендации по выбору рабочих жидкостей в зависимости от температуры 'уплотняемой среды.

В главе 3 рассматриваются условия размещения уплотнитель-

ного элемента в разъемном соединении. Выявлено, что, наиболее оптимальные условия работы разъемного соединения с уплотнитель-ным элементом, заполненным жидкостью, будут при соответствии формы поперечного сечения уплотнительного элемента и канавок для его размещения. Приведены различные варианты размещения уплотнительного элемента.

Проведен обзор нормативных материалов по вопросу отклонений формы и расположения уплотняющих поверхностей.

Отмечено, что, отклонения геометрической формы в стыке разъемного соединения при нагружении уплотнительного элемента с жидкостным заполнением приводят к дискретному распределению нагрузки по всей зоне сопряжения и уменьшению поперечного сечения уплотнительного элемента на участках наибольшей контактной нагрузки. Так как оболочка заполнена несжимаемой жидкостью, то уменьшение объема наиболее нагруженных участков вызывает увеличение давления самой жидкости, под действием которого неконтак-тирущие участки оболочки, деформируясь, заполняют зазоры между наружной поверхностью уплотнительного элемента и замыкающими поверхностями канавок.

Проведен анализ механизма деформации герметичной оболочки, заполненной жидкостью. На основании баланса работ: работа, направленная на увеличение внутреннего объема оболочки или уменьшения давления жидкости, уравновешивается работой на уменьшение внутреннего объема оболочки или увеличения давления жидкости,-получено основное уравнение деформации оболочки, заполненной жидкостью:

Лс

р = - д — ' (1)

Экспериментальное исследование деформации реального уплотнительного элемента предложено свести к исследованию ограниченного участка уплотнения в виде герметичной прямой оболочки заполненной жидкостью.

Глава 4 посвящена теоретическому и экспериментальному исс-

ледованию напряженно-деформированного состояния прямых трубок, заполненных жидкостью.

Для исследования использовалась моментная теория осесим-метричных цилиндрических оболочек применительно к расчету Длинных оболочек.

Рассматривается оболочка с днищами под воздействием локальной сжимающей нагрузки и внутреннего давления жидкости. Общее решение получено путем совместного решения двух задач определения деформаций в расчетных схемах:

1. Оболочка нагружена кольцевой распределенной нагрузкой q;

2. Оболочка с днищем под действием внутреннего давления р. Относительная кольцевая деформация при совместном действии

сжимающей и растягивающей нагрузки:

рг

Eta =- (1 - ц/2) [1 - е~р(1~х)(sin 0(l-x)+cos а(1-хШ -

Es

qrS

-- e px (sin ex + eos sx) (2)

2Es

Результат совместного действия относительных осевых деформаций от сжимающей нагрузки q и давления р:

где

с ч

£хэ = £хЧ + ехр (3)

ГЗ

ц - е рх (sin sx + cos sx) -

Е L 2s

з

- (1 - |i2) -- e"Px (sin sx - cos Sx)

2ss¿

(4)

рг

exP = - (1 - Z]L) (5)

2Es

Объемная деформация растяжения оболочки:

пуансон

ГЧ

матрица

Рис.2 Конструкция элементов для передачи усилия пресса.

Лр = еьэ + £хэ (6)

Значения линейных деформаций от нагрузки я были получены экспериментальным путем. Формулы использовались для определения давления жидкости р в полости оболочки.

При проведении эксперимента решалась задача оценки влияния сжимаемости жидкостного заполнителя на упруго-пластическую деформацию металлической оболочки уплотнительного элемента и, как следствие, способности оболочки, заполненной жидкостью, компенсировать за счет собственной деформации макронеровности герметизируемого стыка разъемных деталей.

Эксперименты проводились на прямых медных трубках с параметрами 10x1x120, заполненных глицерином и герметизированных резьбовыми пробками с прокладками из тонкой резины. Для нагруже-ния участка трубки длиной 30 мм использовались матрица и пуансон, изображенные на рис.2, которые имитируют некоторый ограниченный участок уплотняющих поверхностей разъемного соединения. Усилие обжатия создавалось ручным гидравлическим прессом ПГПР. Для измерения деформаций свободных концов трубок наклеивались тензорезисторы, ориентированные по направлениям осевых и кольце-

Ряс.З Схема установки для исследования условий деформации прямых металлических трубок, заполненных жидкостью:

1 - медная трубка 10 х 1 х 120; 2 - жидкостное заполнение; 3 - пуансон; 4 - матрица; 5 - резьбовая пробка; 6 - поршень пресса ПГПР; 7 - траверса пресса.

вых деформаций оболочки. Схема установки для проведения экспериментов изображена на рис.3.

В результате опытов были получены значения кольцевых £tэ и осевых £Хэ деформаций в зависимости от сжимающей нагрузки д. На основе полученных данных построены экспериментальные зависимости: р = Г (ч), ДР = Г (д), Др =» Г (Лс) • В качестве примера на рис.4 и рис.5 представлены зависимости р = £ (ч), Др = Г (ч) и Лр = £ (Дс)

На основании уравнения (1) получено следующее выражение

[Мн/м] Х10-4

Рис.4: Рис.5

х - р = Ид); о - Др = Ид).

для определения давления жидкости внутри оболочки уплотнительного элемента при заданной объемной деформации растяжения Др и сжимающей нагрузке ц:

16,2 Др1'27 я п „

р = д-*— = 16,2 я Др ' (7)

ДР

Для предварительной оценки давления жидкости внутри оболочки предложены зависимости (8) и (9).

Обозначая = Чэ/£хэ, получим:

р = А1А2 (8)

где еьхЧС

А1 --;

2 - ц - еъх(1 '

Аг = См- + l/stx) e~&x(sin 0х + cos ex) -

3

- (1- ir) -z— e~Px(sln Bx - cos 3x). irrs

В последнем выражении: при q < 0,3 Мн/м stx = 5, при q > 0,3 Мн/м etx = 4,75.

При известных значениях объемной деформации сжатия Дс:

Р = КПР Дс (9)

где КПР = 2КобК/(Коб + К) - приведенный объемный модуль упругости системы оболочка-жидкость ; Кое = Е/[3(1-2д)] - объемный модуль упругости материала оболочки; К - объемный модуль упругости жидкости.

Полученные значения объемной деформации растяжения требуют в 2-3 раза большей объемной деформации сжатия, что связано с двумя факторами:

- сниженная упругость жидкостного заполнения (наличие воздуха) из-за неполного заполнения оболочки жидкостью;

- сжимаемость реальной жидкости, коэффициент сжимаемости которой больше нуля;

По результатам проведенных опытов даны рекомендации по конструированию разъемного соединения с трубчатым уплотнительным элементом, заполненным жидкостью.

В главе 5 рассматривается экспериментальное исследование условий герметизации разъемного соединения с трубчатым уплотнением, заполненным жидкостью.

Задачей исследования являлось определение зависимости удельной нагрузки герметизации от давления уплотняемой среды и предельной величины компенсируемых макронеровностей разъемного соединения, при которых обеспечивается его герметичность.

Объектом исследования являлись трубчатые торообразные уп-лотнительные элементы со средним диаметром 95 мм, выполненные из трубок 9,8 х 0,4, сваренных ручной аргонно-дуговой сваркой и заполненные водой. Материал трубок - сталь 08Х18Н10Т.

Для проведения эксперимента создана экспериментальная установка, основными элементом которой являлось исследуемое соединение, состоящее из разъемных деталей с кольцевыми канавками, образующими при стыковке кольцевую полость для размещения уплотнительного элемента.

Нарушение герметичности соединения оценивали по падению давления в системе при статических условиях и постоянной температуре. Чувствительность метода - определение утечки от 6-Ю"6 м3/ч. За критерий герметичности было принято отсутствие падения давления за промежуток времени 5 мин.

Испытания образцов уплотнительных элементов состояли из трех этапов:

1. Испытание на герметичность образца уплотнительного элемента, заполненного жидкостью (водой);

2. Испытание на герметичность соединения при пустотелом образце;

3. Испытание на герметичность образца, заполненного жидкостью, в условиях заданной непараллельности уплотняющих поверхностей уплотнительного элемента и замыкающих его канавок, т.е. определение максимальной компенсационной способности уплотнительного элемента соединения.

Результаты исследования по первому и второму этапу представлены на рис.6 в виде графика зависимости удельной нагрузки герметизации ч от давления воздуха в полости разъемного соединения Р.

Глава 6 посвящена исследованию влияния изменения температуры жидкости в полости уплотнительного элемента на силовое взаимодействие элементов соединения.

Расширение жидкостного заполнителя оболочки при увеличении температуры создает дополнительную нагрузку герметизации на контактной поверхности. Это явление названо термическим самоуплотнением.

Однако, увеличение давления жидкости внутри оболочки может увеличить нагрузку на замыкающие уплотнительный элемент детали

[МПа]

Рис.б:

х - пустотелая оболочка; о - оболочка, заполненная жидкостью.

соединения (крепежные элементы, разъемные детали), что может отрицательно повлиять на их прочность.

Проведен силовой анализ конструкции соединения (рис.1) с использованием метода электрической аналогии. При этом, рассмотрены два условия работы: при увеличении давления уплотняемой среды внутри аппарата (при неизменной температуре) и при увеличении давления рабочей жидкости в трубчатом уплотнительном элементе за счет роста ее температуры.

Схема-аналог для первого условия представлена на рис.7а, где - податливость крепежных элементов, Аг - податливость уп-лотнительного элемента; Аз - податливость зоны контакта разъемных деталей.

Схема-аналог для второго условия (при нагреве жидкости в оболочке уплотнительного элемента и возникновении дополнительного усилия С^ от температурного расширения жидкости) показана на рис.7б.

А01 Л 02 лОз

0

а)

Рис.7

б)

В результате силового анализа получены зависимости, на основании которых сделаны выводы, что при наличии дополнительного контакта разъемных деталей, падение нагрузки на крепежные элементы в обоих случаях нагружения незначительно. Однако, при раскрытии стыка, т.е. при Хз падение нагрузки существенно и практически равно по величине разгружающему усилию Ц или С^.

Для увеличения надежности и герметичности соединения предложено установить между разъемными деталями дополнительный элемент с повышенной осевой жесткостью параллельно (в силовом отношении) уплотнительному элементу (рис.8).

Рис.8 Предлагаемая конструкция соединения с установкой дополнительного кольца.

Суммарная глубина канавок под кольцо должна быть меньше высоты й кольца на величину несколько превышающую минимальный зазор между разъемными деталями. При выполнении этого условия, между разъемными деталями после нагрукения соединения остается некоторый зазор, наличие которого позволяет в случае недостаточной герметичности дополнительно нагрузить уплотнительный элемент. При отсутствии же параллельного элемента, вследствие малой контактной податливости стыка, требуется более точное выполнение глубины канавок под уплотнительный элемент для достижения необходимой деформации его оболочки.

Схемы-аналоги при установке параллельного элемента соответствуют схемам на рис.7а и 76 при замене податливости контакта Аз на податливость кольца

Кроме снижения влияния роста давления жидкостного заполнения с увеличением температуры на нагрузку в крепежных деталях разработаны методы непосредственной компенсации температурного расширения жидкости наполнителя.

Один из вариантов компенсации предполагает дополнение конструкции уплотнения внутренним пустотелым элементом или несколькими элементами (рис.9) . Для этой цели используется полая

Рис.9 К расчету компенсации температурного расширения жидкости:

1 - уплотнигельная трубка; 2 - жидкостное заполнение; 3 - компенсатор.

трубка с высоким пределом текучести ее материала, концы которой заварены, согнутая в незамкнутое кольца по контуру уплотнитель-ной трубки.

Получено выражение, определяющее изменение давления при деформации компенсационной трубки:

адТ Е (и!2 - 1)

др = КжтадТ = —-5-—- (Ю)

- и

Е „ г ик2 + 1

К

(И12 - 1) +

ик2 " 1

где Кжт - приведенный модуль упругости системы жидкость-компенсационная трубка; ик = с1к1/<^к2; 41 = ¿вн/<3к1.

В главе 7 определяются предельные значения зазора между разъемными деталями соединения, а также относительное изменение объема оболочки уплотнительного элемента за счет ее прогиба в максимальном зазоре.

Минимальная величина зазора устанавливается из условия обеспечения требуемой нагрузки герметизации на поверхности уплотнительного элемента. Максимально допустимая величина определяется условием прочности стенки оболочки при ее прогибе в зазоре под давлением жидкости при нагружении уплотнительных элементов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате проведения анализа патентно-технической литературы установлено, что предложенное разъемное соединение с трубчатым уплотнительным элементом, является принципиально новым типом конструкции.

2. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния уплотнительного элемента при его дискретном нагружении. Получено уравнение деформации оболочки, заполненной жидкостью, связывающее внешнюю дискретную нагрузку, относительную объемную деформацию оболочки при ее локальном сжатии, возникающее при этом давление несжимаемой жидкости и относительную объемную компенсирую-

щую деформацию оболочки при ее локальном расширении. Полученное уравнение - основное при выводе расчетных зависимостей.

3. Проведены экспериментальные исследования с применением метода тензометрии напряженно-деформированного состояния модели участка уплотнительного элемента. Получены экспериментально-aHá-литические зависимости деформационных характеристик цилиндрической оболочки, заполненной жидкостью, при ее локальном нагруже-нии.

Установлено, что необходимая компенсирующая объемная локальная деформация оболочки в 2-3 раза меньше, чем объемная локальная деформация сжатия от внешней нагрузки, что объясняется неидеальным заполнением оболочки жидкостью при ее монтаже и определенной величиной сжимаемости реальной жидкости.

4. Основные требования к жидкостям при выборе их в качестве наполнителя уплотнительных элементов: высокий объемный модуль упругости, низкий по величине коэффициент объемного термического расширения, термостабильность. Наиболее приемлемыми в этом отношении являются жидкости на синтетической основе, работающие в широком диапозоне температур.

5. Разработана методика проведения экспериментов, опытная установка и выполнены исследования условий герметизации.разъемного соединения с трубчатым уплотнительным элементом, заполненным жидкостью.

Проведенные исследования показали, что наличие жидкостного наполнителя более чем*в 2 раза повышает герметизирующую способность соединения по сравнению с трубчатым уплотнительным элементом без жидкостного заполнения (при прочих равных условиях).

6. Повышенная компенсационная способность уплотнительного элемента, заполненного жидкостью, позволяет снизить требования к точности изготовления замыкающих элементов разъемного соединения, применив X степень точности вместо рекомендуемых для герметичных соединений VII и VIII степени.

7. Установлено, что повышение температуры жидкостного наполнителя вызывает увеличение нагрузки на уплотняющих поверхнос-

тях соединения. Это свойство соединения предложено классифицировать как "термическое самоуплотнение".

8. Установлено, что превышение температуры жидкости наполнителя свыше расчетной, которая зависит от свойств жидкости и соотношения жесткостей элементов соединения, может отразиться на прочности его крепежных деталей.

9. На основании силового анализа разъемного соединения с уплотнительным элементом, заполненным жидкостью, предложено установить параллельно уплотнительному элементу (в силовом отношении) опорный элемент с определенной осевой жесткостью.

Применение дополнительного элемента позволяет уменьшить интенсивность изменения нагрузки на крепежные детали не менее, чем в 10 раз.

10. Предложены методы стабилизации давления в полости уп-лотнительного элемента при росте температуры жидкостного наполнителя. Получено расчетное выражение для оценки необходимых параметров узла стабилизации давления. Применение этих методов позволяет компенсировать до 40% рост давления наполнителя.

И. Установлены условия выбора предельных допускаемых значений исходных зазоров между разъемными деталями соединения, которые зависят от наружного диаметра сечения и толщины - стенки трубчатого уплотнительного элемента, его материала, чистоты обработки контактных поверхностей и замыкающих канавок, объемного модуля упругости жидкостного наполнителя.

12. Методики аналитических и экспериментальных исследований, представленные в данной работе, могут быть использованы при оценке работоспособности других конструкций разъемных соединений с трубчатым, заполненным жидкостью уплотнительным элементом.

13. Разъемное герметичное соединение с трубчатым уплотни-тельным элементом, заполненным жидкостью, рекомендуется использовать в аппаратах и трубопроводах, работающих под давлением, (преимущественно повышенных диаметров) не только для вновь проектируемых, но и для существующих при незначительном и нетрудоемком конструктивном изменении.

Основное содержание диссертации доложено на научно-технических конференциях и представлено в следующих публикациях:

1. Продан В.Д., Савинов Д.Б. Исследования трубчатого уплотнения с жидкостным заполнением. Тезисы докладов ХШ научно-технической конференции. Москва, МГАХМ, 1995.

2. Савинов Д.Б., Продан В.Д. Новый подход к созданию герметичных разъемных соединений - путь к снижению вредных выбросов. Тезисы докладов международной конференции "Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды" (Экотехнология-96). Иркутск, ИрГТУ, 1996.

3. Савинов Д.Б., Продан В.Д. Применение самоустанавливающихся уплотнительных элементов - улучшение экологической обстановки на предприятиях. Материалы международного научного симпозиума "Техника и технология экологически чистых химических производств". Москва, МГАХМ, 1996.

4. Савинов Д.Б., Продан В.Д. Увеличение надежности и герметичности разъемных соединений с самоустанавливающимися уплот-нительными элементами при снижении требований к точности изготовления контактных поверхностей. Тезисы докладов II международного симпозиума студентов, аспирантов и молодых ученых "Техника и технология экологически чистых химических производств".- Москва, МГУИЭ, 1998.

Условные обозначения

Е - модуль упругости материала оболочки; ц, - коэффициент Пуассона; К - объемный модуль упругости жидкости; а - объемный коэффициент температурного расширения жидкости; Ц - сила; а - сжимающая удельная нагрузка; р - давление жидкости внутри оболочки; Р- давление уплотняемой среды; ^ - относительная линейная кольцевая деформация; ех - относительная линейная осевая деформация; Др - относительная объемная деформация растяжения; Дс - относительная объемная деформация сжатия; с! - диаметр; г - радиус; з -толщина стенки; в - коэффициент затухания перемещений; 1 - длина; х - текущая координата; Т - температура.

Подписано в печать 19.05.1998 г. Формат60x90 1/16- Печать офсетная. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Зак. № 1084 Отпечатано б типографии «Информпресс-94» 107066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4