• Новости
  • Каталог уплотнений
  • Справочник
  • Каталог компаний
  • Мероприятия
  • Объявления
  • Герметизация фланцевых соединений: кажущаяся простота

    02 сентября, 2013

    Герметизация фланцевых соединений: кажущаяся простота

    Епишов А.П.

    Ген. дир. и главный конструктор по уплотнениям ООО "Ильма"

    Традиционно принято считать, что фланцевое соединение является относительно простым видом разъёмного герметичного соединения (РГС) и поэтому его  герметизация – простой и понятный каждому процесс. На самом деле, как минимум, вторая часть этого утверждения является иллюзией, а  стереотип кажущейся простоты в итоге дорого обходится людям и окружающей среде.

    На протяжении  сотен лет конструкция традиционного фланцевого соединения (рис.1) остаётся практически  неизменной – это совокупность двух  (как правило,  металлических) фланцев с уплотнительной поверхностью, прокладки (чаще всего, из пластичного материала), размещённой между этими поверхностями и крепёжных элементов, - такой классический фланцевый «бутерброд». Конечно, существуют и другие конструкции, включая бугельные и иные соединения без привычных крепёжных элементов. Фланцевые соединения традиционной конструкции могут работать в режиме самоуплотнения. Также довольно разнообразен и ряд конструктивных решений фланцевых прокладок. Исключительно редко во фланцевых соединениях применяются прокладки сальникового типа, где контактные напряжения создаются на цилиндрических уплотняемых поверхностях (рис.2). Однако, несмотря на некоторое разнообразие существующих конструкций, традиционные фланцевые соединения занимают доминирующее положение в технике и эта конструкция принципиально не меняется. Возникает вопрос - как тогда происходит «эволюция» фланцевых соединений? Ответ очевиден, -  изменяются и совершенствуются используемые материалы, разрабатываются принципиально новые конструкции фланцевых прокладок.

    фланцевая прокладка 

    Рис.1

     фланцевая прокладка

    Рис. 2

    Условия герметизации фланцевых соединений: стереотипы и заблуждения

    Миллиарды фланцевых соединений по всему миру призваны обеспечивать надёжную и безопасную работу технологических объектов во всех отраслях промышленности, в энергетике, на транспорте и в жилищно-коммунальном хозяйстве. Для этого фланцевые соединения должны сохранять прочность и герметичность в течение определенного периода  времени.  Специалисты ремонтных и эксплуатационных служб промышленных предприятий, работающие с фланцевыми соединениями, как правило, к сожалению, не знакомы с основами уплотнительной техники. Поэтому среди них доминирует искажённое представление о том, что для надёжной эксплуатации фланцевого соединения достаточно правильно выбрать прокладку и правильно выполнить сборку соединения. Они часто недоумевают, когда свежее, только что собранное  соединение работает с  утечками рабочей среды. Это классический пример неграмотного подхода к оценке работоспособности фланцевого соединения, так как не учитывается текущее техническое состояние элементов соединения. Эти элементы могут иметь «врождённые» (то есть полученные при изготовлении) или «приобретённые» (то есть полученные в процессе эксплуатации) дефекты. Именно эти дефекты - механические повреждения и отклонения формы и шероховатости уплотнительных поверхностей и крепёжных элементов, - довольно часто являются истинной причиной разгерметизации и аварий. Приобретённые дефекты, как правило, обусловлены врождёнными дефектами. То есть, если при изготовлении фланцев не соблюдалась технология или отсутствовал адекватный контроль качества, то потом, в процессе эксплуатации и ремонтов, такие соединения, очевидно, очень быстро накопят дефекты.  В наше время, когда при проведении конкурсов и тендеров довольно часто, ключевым, а порой и единственным критерием оценки предложения поставщика является низкая цена, довольно трудно угодить рынку с продукцией высокого качества. Но изготовление фланцев – это довольно сложный технологический процесс, включающий в себя несколько этапов от  получения заготовки (ковки, штамповки, литья)   до обработки поверхностей. Качество уплотнительных   поверхностей  – исключительно важный параметр для обеспечения герметичности фланцевого соединения. К сожалению, востребованное рынком низкое качество (дешёвые изделия не могут быть качественными по определению) в итоге очень дорого обходится тем, кто стремился сэкономить. Например, почти всегда, для герметизации фланцевого соединения  с дефектами требуется более толстая (а значит и более дорогая) прокладка. Соединение с дефектами практически всегда имеет  утечки  (иногда невидимые на первый взгляд) и значит, процессы коррозии в нём будут проходить более быстро, чем в кондиционном соединении. Это может привести к тому, что, наконец,  уплотнительные  поверхности получат такие дефекты, при которых  соединение   уже невозможно будет уплотнить без дополнительной механической обработки. Следующий этап – это уже наплавка уплотнительной поверхности и последующая механическая обработка. Всё это, в конечном итоге, выливается в затраты, на порядок и даже на порядки превышающие экономию на закупке некачественных фланцев или некачественный монтаж оборудования на месте эксплуатации. Итак, надёжность фланцевого соединения определяется не только материалом, конструкцией и качеством изготовления прокладки и правильной сборкой соединения, но и текущим техническим состоянием всех элементов соединения. Но для оценки текущего состояния соединения нужны специально разработанные нормативные документы и технические средства контроля и мониторинга состояния элементов конструкции соединения. К сожалению, в подавляющем большинстве случаев,  на предприятиях, эксплуатирующих фланцевые соединения, нет ни того, ни другого.  

    Выбор прокладки и сборка соединения – ахиллесова пята и дамоклов меч конечных пользователей.

    Если российские изготовители тепломеханического оборудования, стремясь использовать наиболее дешёвые уплотнения, хоть какое-то внимание уделяют подбору и надёжности уплотнения, то конечные пользователи, в подавляющем большинстве, всё ещё находятся в каменном веке. Трудно найти какую-нибудь другую техническую сферу, где настолько безграмотно и легкомысленно подходили  бы к вопросу, требующему особой тщательности и  повышенной ответственности. Но это лишь одна сторона медали или даже следствие. А причина в том, что разработчики и изготовители уплотнительных материалов и изделий сами содействуют такому положению вещей. Достаточно сравнить технические данные на выпускаемые прокладки ведущих западных и российских производителей. Что мы видим, как правило, на страницах технических каталогов и интернет сайтов российских производителей? Правильно, - мы видим максимальную температуру и максимальное давление рабочей среды для данного уплотнительного материала или конкретного конструктивного исполнения прокладки. Непосвящённый в основы уплотнительной техники обычный обыватель - конечный пользователь, разумеется, воспринимает эти рамки как легитимное поле для применения прокладки. Но! При этом он не осознаёт потенциальную опасность заложенной в таком безответственном подходе «мины», - возможного одновременного сочетания (совокупности) максимальной температуры и максимального  давления.   Технические данные – как правило, в виде Р/Т диаграмм (рис.3), устанавливающие границы применения уплотнительных материалов с учетом сочетания давления рабочей среды и температуры эксплуатации,  являются исключительно важными и необходимыми для тех, кто осуществляет выбор прокладки для конкретных рабочих условий. Типичный пример из жизни – внедрение безасбестового паронита. Многие компании – конечные пользователи «обожглись» на дешёвых прокладках в прямом и переносном смысле. Они устанавливали новые прокладки на узлах с повышенной  температурой, там, где раньше применяли паронит ПОН. Но практически 95% всех марок безасбестового паронита могут работать надёжно лишь при температуре максимум 250 градусов по Цельсию, остальные 5% – в лучшем случае, до 300 градусов. И лишь совсем недавно, менее пяти лет назад, один из ведущих мировых производителей безасбестовых паронитов предложил рынку действительно термостойкий и термостабильный материал, но даже у этого материала температура применения, при которой не требуются дополнительные испытания, не превышает 400 градусов по Цельсию. Такая же ситуация иногда возникает и с прокладками из терморасширенного графита. Ответственные поставщики чётко ограничивают температуру их применения величиной 400-450 градусов по Цельсию. Но при этом довольно часто в технических каталогах некоторых поставщиков можно найти температурный предел в 500 и даже 550 градусов, но без уточнения, в каких конкретных условиях такие температуры допустимы. Продолжая эту тему, можно также упомянуть и о других не менее важных технических параметрах фланцевых прокладок, таких как сжимаемость и упругое восстановление, плотность, газопроницаемость, стойкость к циклическим силовым и тепловым нагрузкам, склонность к ползучести, стойкость к агрессивным рабочим средам, теплопроводность и др.

      Р/Т диаграмма

    Если рабочие температура и давление находятся в границах сектора 1, то технические испытания обычно не проводятся, если принята во внимание устойчивость материала к рабочей среде.

    Если рабочие температура и давление находятся в границах сектора 2, рекомендуется проведение технических испытаний.

    Если рабочие температура и давление находятся в открытом секторе 3, то технические испытания обязательны.

    Рис.3

    Классическая ошибка при выборе фланцевой прокладки – недостаточная толщина прокладки при её низкой сжимаемости. Все слышали, что всегда желательно применять более тонкую прокладку, да к тому же она и дешевле. Да, так оно и есть, но при условии, что соединение не имеет дефектов. Например, у  паронита сжимаемость, как правило, не выше 10% (для сравнения – у графитовых прокладок до 45%). Если такую прокладку поставить в условиях не параллельности уплотнительных поверхностей, то она, вероятнее всего, в одном месте будет пережата, в другом будет «висеть». Ещё сложнее ситуация может сложиться в случае сборки замкнутого (то есть жесткого и малоподвижного в осевом направлении) технологического контура или при сборке так называемых «калачей» (изогнутых коротких участков трубопровода с двумя приваренными фланцами). В таких ситуациях, как правило, на одном фланцевом соединении всегда имеет место увеличенный зазор между фланцами, и устранить его затяжкой не представляется возможным. Единственный выход – применение прокладки с увеличенной толщиной или, что наиболее целесообразно -  изготовление специального промежуточного металлического кольца с установкой двух пластичных  прокладок.  С другой стороны, слишком толстая прокладка,  в большей степени, подвержена риску ползучести и релаксации напряжений. Также негативным моментом является относительно большая площадь внутренней торцевой поверхности прокладки, что означает и большую пропускную способность прокладки для  утечек, если принять за основу механизм утечек по теории фильтрации.

    Другой характерный пример не совсем корректного выбора размеров прокладки – ориентация на размеры уплотняемых поверхностей. К сожалению, иногда можно встретить примеры нестандартных фланцевых соединений с чрезмерно большой  по площади уплотнительной поверхностью фланцев. Очевидно, что при проектировании таких соединений не учитывалось соотношение возможностей крепёжных элементов (суммарно создаваемая сила затяжки), площади прокладки и параметров рабочей среды. В результате на прокладке с чрезмерно большой шириной поля уплотнения не создаётся необходимого по расчёту контактного давления. Специалисты ремонтники при замене такой прокладки просто замеряют размеры уплотняемой поверхности фланцев и переносят эти размеры на чертёж заказываемой прокладки. Хотя в данном случае, бывает достаточно уменьшить наружный или внутренний диаметр прокладки с тем, чтобы увеличить величину контактного давления.

    Усилие предварительной затяжки фланцевого соединения – это, пожалуй, ключевой этап герметизации. Здесь всегда две беды: или недотянули (что случается чаще) или перетянули (что случается реже). В инструкциях по сборке фланцевых соединений (которые вообще-то, порой и «днём с огнём» не найти), как правило, рекомендации по затяжке крепёжных элементов содержат расчётный крутящий момент на ключе. Но, во-первых,  встретить на ремонтном производстве специалиста с  динамометрическим ключом, это большая редкость (в отличие от автомобильной мастерской). Во-вторых, слишком много  факторов  влияет на истинный момент на ключе, слишком много погрешностей. Иногда, истинное значение получается  в два раза ниже расчётного из-за больших потерь на трение в крепёжных элементах, или вследствие дефектов соединения. В-третьих, сами ключи требуют регулярной поверки и тщательного ухода. Корректное усилие затяжки – это не вся проблема. Сам по себе режим затяжки соединения  имеет большое значение. В принципе, всегда целесообразно осуществлять одновременную затяжку, как минимум, четырёх шпилек за один шаг. Но у специалистов, осуществляющих монтажные работы, практически никогда нет под рукой необходимой оснастки. Самый верный способ – выполнить контроль деформации прокладки. Но тогда мы должны иметь диаграмму осевого сжатия для прокладки данного исполнения. Но найти корректную диаграмму это очень большая редкость, так как разработчики и производители листовых материалов (особенно это касается дешёвой продукции) зачастую не способны поддерживать заданные механические характеристики в каждом листе. Единственный выход – сделать из листа образцы (как минимум, три образца) и провести их испытания на осевое сжатие, на основании полученных данных можно сформировать диаграмму сжатия для данного материала. Затем при сборке соединения  надо или изготовить ограничительные плитки, или задействовать другой, но относительно корректный метод замера величины сжатия прокладки.

    Другой немаловажный фактор, который порой не учитывается – режимы эксплуатации оборудования. Нередки случаи, когда прокладки выходят из строя из-за, например, не регламентированных резких гидравлических и тепловых нагрузок или повышенной вибрации.

    В завершении хотелось бы отметить, что в реальной жизни, особенно в условиях современной российской действительности, когда подрядные организации, отвечающие за ремонт оборудования, стараются нанимать на работу дешёвый (а значит и  неквалифицированный) персонал, ситуация усугубляется. Поэтому актуальность приобретают вопросы оценки экономических потерь компаний в связи с низкой надёжностью работы фланцевых соединений, снижения аварийности на потенциально опасных производствах, экологического ущерба окружающей среде от несанкционированных утечек опасных рабочих сред, энергосбережения и обучения ремонтного персонала основам работы с уплотнениями.  

    www.ilma-sealing.com

    Похожие новости

    Назад к списку новостей