Совершенствование конструкции неразъемных электроизолирующих соединений для катодной защиты трубопроводов
Н.Г. Петров (Отдел защиты от коррозии ОАО ГАЗПРОМ), Д.Б. Захаров, В.И. Передерий, В.А. Яковлев (ЗАО «Трубопроводные системы и технологии»)
В связи с этим уплотнительная система неразъемных электроизолирующих соединений требует специального изучения и совершенствования.
В настоящее время в мировой практике используется четыре основных типа системы уплотнений, используемые производителями неразъемных электроизолирующих соединений
- Уплотнительная система с использованием резиновых колец круглого сечения
- Уплотнительная система с использованием манжет прямоугольного сечения
- Уплотнительная система для неразъемных электроизолирующих соединений из композиционных материалов
- U – образная уплотнительная система
Вышеуказанные системы уплотнений имеют существенные различия и эксплуатационные ограничения, которые необходимо учитывать при проектировании мест установки на трубопроводах и эксплуатации.
Уплотнительная система с использованием резиновых колец круглого сечения
(Разработана в 1960-1970 годы).
В основном уплотнительная система состоит из 2 или 4 резиновых колец круглого сечения и герметизирует поверхности только между металлом и изолирующим кольцом. Данная система уплотнения заимствована из изолирующих фланцев.
Недостатки
-Вследствие небольшой длины уплотнительной поверхности при использовании резиновых колец круглого сечения требуется высокое качество обработки уплотнительных поверхностей, так в соответствии с ГОСТ 9833 шероховатость поверхности должна быть не ниже Ra 2,5 (что достигается только шлифовкой и полированием).
-В статических условиях разрушение кольца происходит вследствие выдавливания в уплотнительный зазор. При этом величина допустимого уплотнительного зазора измеряется несколькими десятыми долями миллиметра (см. диаграмму 1).
Диаграмма 1. Зависимость давления выдавливания резинового уплотнительного кольца от диаметрального зазора и твердости резины.
В связи с этим возникает ограничение:
- по способности неразъемных электроизолирующих соединений выдерживать деформации конструкции при воздействии изгибающих, растягивающих нагрузок и крутящего момента;
- по способности выдерживать высокие давления.
Поскольку во избежание возникновения явления взрывной декомпрессии (с последующим образованием микротрещин в материале уплотнительного кольца) размеры резиновых колец круглого сечения невелики, то достаточно деформации конструкции на несколько десятых миллиметра для возникновения утечки транспортируемого продукта (например: только 0,2 мм для резинового кольца сечением 4мм). Так, например, продольные деформации неразъемного электроизолирующего соединения Ду 400 с толщиной стенки 15 мм класса прочности К60 только за счет нагружения внутренним давлением 150 кгс/см2(без учета изгибающих нагрузок) составляют свыше 0,3 мм.
- Небольшая длина уплотнительной поверхности, небольшое поперечное сечение и небольшие допустимые уплотнительные зазоры не позволяют гарантировать механическое уплотнение при выполнении сборочных (сварочных) операций, поскольку даже незначительные отклонения формы уплотнительных поверхностей или несоосность при сборке могут привести к разгерметизации уплотнительной системы. В случае несимметричной герметизации после сварки (поскольку конструкция соединения неразъемная) невозможно выполнить обычное исправление дефекта как в случае с фланцами (затяжкой и/или ослаблением болтов).
- В приведенной системе уплотнения контактной (уплотнительной) поверхностью является поверхность между металлом и изолирующим кольцом (как правило, изготовленным из композиционного материала, поликарбоната и т.п.), что вследствие различных физико-механических свойств материалов (коэффициентов температурного расширения, диаграмм растяжения- сжатия и др.) может привести к дополнительному увеличению уплотнительного зазора.
Для того чтобы уменьшить влияние указанных конструктивных недостатков уплотнительной системы с использованием резиновых колец круглого сечения, изготовители добавляют вторую или вспомогательную уплотнительную систему, настоящее назначение которой – устранить неэффективность основной уплотнительной системы. Хотя такое решение не устраняет целую серию проблем, связанных со снижением диэлектрических свойств неразъемных электроизолирующих соединений, из-за проникновения транспортируемого продукта во внутреннюю полость конструкции.
Все вышеизложенное подтверждается в ряде документов, запрещающих или ограничивающих использование резиновых колец при производстве неразъемных электроизолирующих соединений.
VALDEL Engineering & Constructors Pvt Ltd
«6.3 Уплотнительная манжета должна быть изготовлена, как единое целое и иметь поперечное сечение достаточной толщины.
6.4. …Манжета должна быть полностью размещена внутри соединения во избежание хладотекучести. Манжета должна быть размещена как можно ближе к изолирующему кольцу и не менее 90% с обеих сторон манжеты должны находиться в непосредственном контакте с металлическими поверхностями»
IPS-M-TP-750/8
«5.8 …Не допускается применение уплотнительной системы с использованием колец круглого сечения»
PETRONAS GAS BERHAD
«… Уплотнительная манжета (пункт 7b) должна быть изготовлена как единое целое.
… Не допускается применение соединений без уплотнительной манжеты.
… Манжета должна быть полностью размещена внутри соединения таким образом, чтобы избежать вытекания. С другой стороны манжета должна быть расположена как можно ближе к изолирующему кольцу и большая часть обеих сторон манжеты должна быть в непосредственном контакте с металлическими поверхностями…»
SNAMPROGETTI
«…Манжета должна быть полностью размещена внутри соединения во избежание хладотекучести. Манжета должна быть размещена как можно ближе к изолирующему кольцу и большая часть поверхности манжеты должна находиться в непосредственном контакте с металлическими поверхностями»
Достоинства
- Не требует специального оборудования для изготовления и сборки.
- Резиновые уплотнительные кольца широко используются в различных областях машиностроения, что обеспечивает их невысокую стоимость и стабильность поставок.
Уплотнительная система с использованием манжет прямоугольного сечения
(Разработана в 1980-е годы)
Уплотнительная система представляет собой одну уплотнительную манжету прямоугольного сечения, находящуюся в предварительно сжатом состоянии между металлическими поверхностями и между металлом и поверхностью изолирующего кольца.
Эта уплотнительная система специально разработана для неразъемных электроизолирующих соединений.
Недостатки
1.Очень важно учитывать при эксплуатации действующий на электроизолирующую вставку изгибающий момент.
Фактически давление воздействует на манжету в точках A и A1, что приводит к следующему:
- увеличение изгибающего момента приводит к возникновению гребня на уплотнительной поверхности манжеты;
- возрастают продольные растягивающие напряжения, вызванные воздействием высокого эксплуатационного давления;
- искажение поверхности манжеты в точке A1 уменьшает размер контактной уплотнительной поверхности.
2.Внутреннее давление приводит к возникновению продольных напряжений, которые уменьшают предварительное сжатие манжеты, созданное при сборке электроизолирующего соединения.
3.Необходимость в специальном оборудовании и формах для изготовления.
Достоинства
1.Невысокая стоимость.
2.Легко устанавливается при сборке.
3.Вследствие увеличения длины уплотнительной поверхности и большого поперечного сечения не требует высокого качества обработки уплотнительных поверхностей и соблюдения очень точных допусков на механическую обработку.
4.Уплотняемыми являются как поверхности между металлом и поверхностью изолирующего кольца, так и между металлическими поверхностями.
5.Отсутствует возможность выдавливания манжеты в уплотнительный зазор.
6.Отсутствует возможность возникновения взрывной декомпрессии (с последующим образованием микротрещин и разрывов в материале уплотнения), поскольку манжета находится в состоянии предварительного всестороннего сжатия и полностью окружена поверхностями уплотнительного гнезда.
Уплотнительная система для неразъемных электроизолирующих соединений из композиционных материалов
(начало разработки 1990-е годы)
Уплотнительная система разрабатывается в России и представляет собой комбинацию специальной уплотнительной манжеты, находящуюся в предварительно сжатом состоянии и резиновых уплотнительных колец круглого сечения.
Эта уплотнительная система специально разработана для неразъемных электроизолирующих соединений из композиционных материалов.
Недостатки
- Необходимо специальное оборудование для изготовления и сборки второй ступени (уплотнительной манжеты).
- Для первой ступени уплотнительной системы (с резиновыми кольцами) свойственны все недостатки, указанные в системах уплотнения с применением резиновых колец круглого сечения. Для того чтобы уменьшить влияние указанных конструктивных недостатков уплотнительной системы с использованием резиновых колец круглого сечения, изготовители добавляют вторую или вспомогательную ступень уплотнительной системы, настоящее назначение которой – устранить неэффективность основной уплотнительной системы. Хотя такое решение не устраняет целую серию проблем, связанных со снижением диэлектрических свойств неразъемных электроизолирующих соединений, из-за проникновения транспортируемого продукта во внутреннюю полость конструкции.
- Применение в качестве второй ступени уплотнительной системы в конструкции неразъемного электроизолирующего соединения с композиционной силовой оболочкой имеет дополнительные ограничения, связанные со значительно большими (по сравнению с металлической силовой конструкцией) деформациями при одних и тех же значениях внутреннего давления, изгибающего и крутящего моментов, растягивающей силы. Что может приводить к разрушению манжеты, вследствие образования трещин и разрывов.
Достоинства
Для первой ступени:
- Не требует специального оборудования для изготовления и сборки.
- Резиновые уплотнительные кольца широко используются в различных областях машиностроения, что обеспечивает их невысокую стоимость и стабильность поставок.
Для второй ступени
- Вследствие большой длины уплотнительной поверхности и большого поперечного сечения не требует высокого качества обработки уплотнительных поверхностей и соблюдения очень точных допусков на механическую обработку.
U-образная уплотнительная система
(Разработана в 1990-е годы)
Эта уплотнительная система представляет собой U-образную манжету двойного профиля, располагаемую вокруг изолирующего кольца, плотно сжатую в образованном металлическими поверхностями уплотнительном гнезде. Эта уплотнительная система специально разработана для неразъемных электроизолирующих соединений и обычно называется Системой двойного манжетного уплотнения.
Недостатки
1.Необходимо специальное оборудование для изготовления и сборки.
Достоинства
1.Вследствие большой длины уплотнительной поверхности и большого поперечного сечения не требует высокого качества обработки уплотнительных поверхностей и соблюдения очень точных допусков на механическую обработку.
2.Уплотняемыми являются как поверхности между металлом и поверхностью изолирующего кольца, так и между металлическими поверхностями.
3.Очень длинная уплотнительная поверхность и большое поперечное сечение позволяет выдерживать значительно большие деформации конструкции (растяжение, изгиб) по сравнению с уплотнительными системами с использованием манжет прямоугольного сечения и особенно в сравнении с использованием резиновых колец круглого сечения.
4.Отсутствует возможность возникновения взрывной декомпрессии, поскольку манжета находится в закрытом затворе и полностью окружена поверхностями уплотнительного гнезда.
Выводы
- Применение уплотнительной системы с использованием резиновых колец круглого сечения должно быть ограничено низкими давлениями, малыми диаметрами и трубопроводами, на которые не воздействуют дополнительные механические нагрузки (растяжение, сжатие, изгибающий и крутящий моменты).
- Применение уплотнительной системы с использованием манжет прямоугольного сечения должно быть ограничено средними давлениями.
- Применение уплотнительной системы для неразъемных электроизолирующих соединений из композиционных материалов должно быть ограничено низкими давлениями, малыми диаметрами и трубопроводами, на которые не воздействуют дополнительные механические нагрузки (растяжение, сжатие, изгибающий и крутящий моменты)
- Отсутствуют ограничения по применению в неразъемных электроизолирующих соединениях U-образных манжет. Рекомендуется к применению в условиях высоких (до 1000 кгс/см2) давлений и повышенных внешних механических нагрузках (растяжение, сжатие, изгибающий и крутящий моменты). Способно выдерживать без разгерметизации напряжения и нагрузки аналогично основному материалу трубопровода.