Основные вопросы, возникающие при решении задач, связанных с герметизацией плоских разъемных соединений

Сотни лет одним из самых безопасных и широко используемых соединений различных технологических линий считается фланцевое. Простота данного способа стыкования участков трубопроводов в ближайшее время вряд ли позволит изобрести и внести какие-то изменения в принципиальную конструкцию фланцев. Однако, увеличение требований к герметичности фланцевых соединений, как одного из главных условий их надежности, вносит необходимость их совершенствования.

На сегодняшний день добиться этого можно только изменением используемых при изготовлении фланцев материалов и разработкой прокладок нового типа, обеспечивающих большую степень непроницаемости соединения.

Причины разгерметизации фланцевых соединений

Сегодня уже недостаточно просто правильно подобрать прокладку и грамотно выполнить монтаж соединения. Утечки рабочей среды могут происходить даже на только что собранных, качественных соединениях. Как правило, основными причинами тому являются заводские отклонения от стандарта изготовления либо дефекты, полученные в результате эксплуатации технологической линии. Последние, тем не менее, обусловлены первыми и возникают вследствие наличия нарушений технологий при изготовлении прокладок или при прохождении контроля качества.

В ходе эксплуатации фланцевые соединения «аккумулируют» увеличивающиеся дефекты, пока их состояние не достигнет «критической точки». Резюме: именно из-за «плачевного» технического состояния герметичности большинства фланцевых соединений происходит большая часть аварий, следствием которых являются простои производственных и инженерно-коммуникационных линий, финансовые потери и что более важно – негативное, а зачастую опасное и вредное воздействие на окружающую среду.

В большей степени ответственность за качество соединений и используемых при их монтаже материалов лежит на конечных пользователях – эксплуатационных службах, которые при техническом обслуживании, производстве ремонта и замене изношенных элементов не уделяют должного внимания соблюдению разработанных в этой сфере стандартов и нормативов.

Выбор «правильной» прокладки как решение проблемы

Выбор необходимой прокладки в большинстве случаев зависит от таких факторов, как агрессивность рабочей среды, давление внутри технологической линии, сроков планового обслуживания, ремонта и других факторов.

Каждый тип прокладок имеет свои ограничения по применению в тех или иных условиях эксплуатации. Так, к примеру, большая часть прокладок из безасбестового паронита сможет надежно служить для герметизации соединения только до температуры рабочей среды 250⁰ С.

Намного выше эти показатели у прокладок из терморасширенного графита – до 400⁰ С. Однако не стоит забывать, что нельзя правильно подобрать прокладку, ориентируясь только на установленные производителями предельные нормативы давления и температурного режима.

Данный график наглядно показывает при каких параметрах рабочей среды необходимо проведение испытаний прокладки для обеспечения герметичности соединения. Если показатели находятся в пределах 1-го сектора и учтена устойчивость уплотнительного материала к рабочей среде – тестирование материала не проводится. Показатели в пределах 2-го сектора – тестирование рекомендовано. При показателях в 3-м секторе – проведение испытаний обязательно.

Характеристики уплотнительного материала

Нужно отметить, что до недавнего времени в России, а до этого в СССР, многие важные параметры уплотнительных материалов, необходимые для обеспечения безопасности соединения и повышения срока его эксплуатации, попросту не учитывались при разработке стандартов. В то время как за рубежом существовало множество критериев и методик для проведения эффективного анализа и оценки этих показателей, в том числе и для асбосодержащей продукции.
Российские, европейские и американские стандарты технических параметров, которые сегодня имеют решающее значение при выборе прокладок, во многом схожи и имеют лишь небольшие часто непринципиальные различия.

Степень сжатия материала прокладки и упругость его восстановления

Благодаря этому свойству прокладок, они обеспечивают герметичность, компенсируя все неровности плоской поверхности фланцев и восстанавливая свою первоначальную толщину при уменьшении оказываемого давления. В США данная величина определяется стандартом ASTM F 36J, в России – ГОСТ 24038.
Для определения соответствия необходимым показателям, уплотнительный материал проходит по американскому стандарту испытания следующим способом: в тестируемый образец прокладки в течение определенного промежутка времени вдавливается индентор диметром 6,3 мм. Сила предварительного вдавливания составляет 22,2 Н, общая – 1112 Н.
Измерение толщины прокладки проводится в каждый момент под нагрузкой, после – определяется время и степень восстановления. Все испытания проводятся при температуре от 18 до 25⁰ С. Измерения по российскому стандарту отличаются от американских использованием инденторов двух видов – 6,4 мм и 11,3 мм и варьированием давления на испытуемый материал.

Прочность на разрыв

Данная характеристика призвана определять внутреннюю прочность, способность прокладки к растяжению. Стандарты значения определяются в Америке по системе DIN 52910, в России – ГОСТ 30684.
Данная характеристика призвана определять внутреннюю прочность, способность прокладки к растяжению. Стандарты значения определяются в Америке по системе DIN 52910, в России – ГОСТ 30684.
Согласно российскому стандарту испытание на соответствие нормативам проводится следующим образом: из исследуемого материала вырезается образец размером 110*20 мм, который помещается в разрывную машину, в которой при определенной скорости совершается действие, направленное на разрыв образца, с фиксированием показателей разрывной силы.

Устойчивость к воздействию рабочей среды

Именно этот параметр уплотнительного материала является одним из важнейших при выборе прокладки. Однако каких-то определенных нормативных показателей он не имеет. Поэтому применение уплотнительного материала носит исключительно рекомендательный характер, основанный на проведенных производителем лабораторных испытаниях для той или иной рабочей среды.
Согласно европейской (ASTM F 146) и российской (ГОСТ 24037) методикам производители используют для проведения испытаний бензин, керосин, различные масла. Определить устойчивость к воздействию можно двумя способами:

Образец тестируемого материала помещается в среду на определенный промежуток времени, причем все происходящие с ним изменения строго фиксируются.
Собирается фланцевое соединение с тестируемым материалом в качестве прокладки, через которое подается рабочая среда с имитацией изменения температуры и давления. Происходящие изменения с материалом также фиксируются.

Основной нюанс и различие в лабораторных исследований заключается в том, что состав рабочих наполнителей в Европе и России кардинально отличается.

Максимальное поверхностное давление

Данное значение определяет при какой силе воздействия происходит разрушение – «раздавливание» прокладки в соединении по стандарту DIN 13555. Прокладка помещается в фланцевое соединение, обжимается и подвергается постепенному повышению давления. При этом проводится регистрация, как толщины образца материала, так и температуры и давления.

Минимальное поверхностное давление

Нарушение статичности соединения в рабочих условиях, вследствие изменения воздействующих факторов – температуры, давления, усилия сжатия, приводит к разгерметизации соединения. Показатель минимального поверхностного давления определяет при каком значении сохраняется полная герметичность соединения и регламентируется стандартом DIN13555.
Способ определения данного значения предусматривает следующее испытание: образец материала, вырезанный кольцом, помещается в специальный аппарат, позволяющий изменять условия воздействия на прокладку – температуру и давление, измерять толщину уплотнительного материала и его герметичность.

При проведении данного тестирования регистрируются два показателя:

необходимое давление на прокладку, которое нужно создать в процессе монтажа соединения, гарантирующее ее герметичность;
давление, необходимое для герметичности прокладки в условиях эксплуатации.

Стойкость к циклическим изменениям силовых и тепловых воздействий

Уплотняемая среда имеет два постоянных параметра – давление и температуру, причем последняя может быть также внешней, то есть соединение может нагреваться или охлаждаться извне. Норматив устойчивости уплотнительного материала к сохранению эксплуатационного давления в определенный временной промежуток при воздействии постоянной или изменяемой температуры определяется стандартом DIN 28090-2.
Исследование образца материала проводится следующим образом: кольцевая прокладка диаметром 50*90 мм помещается в прибор, способный задавать определенную температуру (200⁰С – для каландрованных материалов, 300⁰ С – для материалов из графита), изменять давление по заданным параметрам, регистрировать толщину прокладки в любой момент воздействия. Рабочие нагрузки составляют при холодной пробе – 35 Н/мм², при горячей – 50 Н/мм ². После путем использования специальных формул определяются показатели устойчивости.

Устройство для определения устойчивости прокладочного материала к давлению и температуре.

Устойчивость к давлению в определенной температуре – 175⁰ С/300⁰ С

Данная характеристика показывает способность уплотнительного материала сохранять свои свойства при воздействии определенной температуры, время, по истечении которого происходит расслабление фланцевого соединения в результате ослабления прокладки. Показатель регламентируется стандартом DIN 52913.
Согласно этому стандарту образец материала в форме кольца размером 55*75 мм помещается в аппарат, позволяющий регистрировать температуру и толщину уплотнения. Задается начальное давление в 50 Н/мм², нагревание проводится со скоростью 300⁰ С/час. Итоговый показатель температуры для каландрованных безасбестовых материалов составляет 175⁰ С, для графита 300⁰ С. Испытание проводится в двух режимах: кратковременном – 16 часов, долговременном – 100 часов.

Качество графита (для прокладок из терморасширенного графита)

На данный момент рынок уплотнительных материалов предлагает графитовые прокладки с содержанием графита не менее 98 %. В Европе и США данный показатель определен стандартом DIN 28090-2. Качество графита устанавливается путем сжигания материала при температуре 8000 С в кислородной среде, а затем в путем проведения химических проб определяется содержание хлорида в образовавшихся газах.

Уровень газопроницаемости

Это показатель, имеющий весьма весомое значение для западных производителей, определяется стандартом DIN 3535-6. Проверка газопроницаемости проводится на специальной установке, в которой образец материала в форме кольца зажимается во фланцевом соединении при температуре от 18 до 250 С при давлении 32 Н/мм².. По отрезку трубопровода подается азот под давлением 4 Мпа. А через установленное время замеряется выделившийся объем газа.

Заключение

Итогом данного обзора может являться понимание необходимости тщательного подбора уплотнительных материалов для конкретных технологических линий и возможности, вследствие правильного выбора, снижения экономических затрат за счет предотвращения утечки среды и на проведении незапланированных ремонтных работ.