Герметичные вакуумные соединения: фланцы, штуцеры

Герметичные вакуумные соединения: фланцы, штуцеры

4650
0

Практически любая система из класса вакуумных состоит, как правило из нескольких различных элементов. Поэтому при проектировании и дальнейшей эксплуатацией различного вакуумного оборудования, основной задачей является их надежное герметическое соединение между собой.

В технике встречаются только неразъемные и разъемные соединения. Для неразъемных соединений применяется пайка и сварка, потому что разрушение и даже частичное нарушение герметичности в таких соединениях во время длительной эксплуатации наблюдается крайне редко.

Когда при профилактических осмотрах выявляется натекание по шву, значительно превышающее указанное в технических допусках по эксплуатации, то такой шов сразу удаляют до основного металла, а сварка производится заново. Дополнительная же проварка такого шва, как выявила практика, в большинстве случаев не устраняет протечку. Такое утверждение относится только к тонкостенным сварным соединениям. Если же по каким-то соображениям или причинам производится подварка давшего течь шва, то новый шов накладывается непосредственно по всей длине старого, с обязательным расплавлением первоначального шва.

Весь процесс сборки и монтажа, а так же достижения запланированных предельных характеристик всего вакуумного оборудования, напрямую связаны с надежным уплотнением его различных разъемных соединений.

Разъемные соединения в технике принято подразделять на штуцерные и фланцевые, а также соединения с участием вакуумных шлангов и соединения с применением незатвердевающих смол и замазок. Практика эксплуатации соединений с применением всевозможных замазок и незатвердевающих смол показала, что в этом случае происходит загрязнение всей системы, поэтому их применение следует избегать.

Различаются конструкции штуцерных и фланцевых соединений с применением эластомерных и металлических уплотнителей.

Фланцевые канавочно-клиновые соединения с металлическим уплотнениемФланцевые соединения с использованием металлических уплотнителей применяются в сверхвысоковакуумных установках и в узлах, которые подвергаются значительному нагреву во время эксплуатации. Наибольшее распространение среди них получили фланцевые соединения из марок нержавеющей стали с канавочно-клиновым уплотнением с использованием плоского алюминиевого или медного уплотнителя (рис. 5-1).

Алюминиевые уплотнители применяются в соединениях, работающих в диапазоне температур не выше 150-200 °C, а медные применяются при температурах до 500-600 °C. Натекание через соединения такой конструкции не превышает 6,6х10-12 Вт (5х10-8 л х мкм рт. ст/с). Вышеописанные соединения сохраняют свою работоспособность и стабильную герметичность после многократных циклов нагрева, но после самого первого цикла нагрева рекомендуется проверка и подтяжка всего соединения.

Плоские уплотнители небольшого размера изготавливаются на специальных токарных станках из целого листа, а уплотнители большего диаметра из металлической ленты определенной длины. Ее изгибают, а концы спаивают в торец с использованием мягкого припоя. Твердый припой в таких случаях не применяется во избежание порчи соединения в процессе затяжки.

Эксплуатация фланцевых соединений с применением металлических уплотнителей сопровождается необходимостью соблюдать меры безопасности, чтобы не нанести механические повреждения на уплотнительные поверхности.

Перед хранением в них вставляют применяемый уплотнитель, а все соединение стягивают болтами. При хранении элементов вакуумных систем, заканчивающихся фланцевым соединением, поверхности фланцев закрывают фанерными дисками с диаметром аналогичным наружному диаметру самого фланца и с проделанными заранее отверстиями, строго совпадающими с отверстиями под болты на оригинале. Затем болтами вся конструкция стягивается и отправляется на склад. Под хранением подразумевается любой промежуток времени, кроме самого непосредственного монтажа или же демонтажа вакуумной системы.

Кроме этого не допускается расположение фланца на посторонней металлической поверхности рабочей поверхностью, а при монтаже и демонтаже категорически исключить случаи падения соединения и удары его о твердые предметы.
Рабочая поверхность фланцев, в частности сама поверхность зуба канавочно-клинового соединения, довольно часто подвергаются механическим повреждениям. Такие вмятины от случайного удара на поверхности зуба не являются опасными и их устраняют с помощью шабера, а потом зачищают оселком.

Основными элементами уплотнения канавочно-клинового соединения считаются заплечики по краям зуба (рис. 5-1, г) и зеркально гладкая поверхность фланца с проточкой на расстоянии 1,5 мм от канавки. Даже самое мелкое и незначительное повреждение этих поверхностей может привести к нарушению герметичности всего соединения.

О целостности уплотнительных поверхностей судят по круговому отпечатку, который остается на поверхности уплотнителя при затяжке соединения, если он равномерный и без разрывов, то это свидетельствует о сохранности соединения. Таким же образом при разборке осуществляется контроль дальнейшей работоспособности всего соединения.

Вследствие неаккуратной эксплуатации на центрирующих поверхностях диаметра d1 (см. рис. 5-1, г) могут появиться вмятины и забоины, которые будут препятствовать плотному сближению фланцев. Восстановление нарушенных поверхностей производится путем расточки их на токарном станке на 0,2–0,3 мм по всему диаметру фланца. Сам зуб и канавку растачивать категорически не допускается – в случаи их повреждения растачиваются все поверхности фланцев, уменьшая при этом их толщину, что равносильно изготовлению абсолютно нового фланца.

Все болты должны иметь одинаковый шаг резьбы, чтобы обеспечить равномерность стягивания их при монтаже соединения и удобства во время работы. Если есть возможность замены болтов на шпильки, то такую замену необходимо осуществить, а для работы систем в прогреваемых до определенной температуры зонах надо применять сульфидированные шпильки и гайки из нержавеющей стали.
Во время многократного нагрева между уплотнителем и поверхностью фланца может произойти диффузионная сварка, кроме этого сам уплотнитель может от нагрева оказать расклинивающее действие и как результат – значительные затруднения во время демонтажа всей системы. Поэтому в одном из фланцев такого соединения предусмотрены два резьбовых отверстия, расположенных диаметрально противоположно друг от друга, для отжимных болтов, с помощью которых слипшиеся поверхности легко рассоединяются. Другими способами разъединения слипшихся фланцев категорически запрещено, чтобы не испортить соединение.

Фланцевое соединения с плоскими фланцами и ограничивающими сжатие уплотнителя центрирующим кольцом

По техническим характеристикам уплотнители канавочно-клинового соединения, особенно алюминиевый уплотнитель, могут обеспечивать герметичность при двух и более сборках, но менять их рекомендуется при каждом демонтаже.

Форма фланцев и расположение самого уплотнителя в соединениях с применением эластомерного уплотнителя показаны на рис. 5-2 и 5-3, в качестве уплотнителя здесь используются фторопласт и вакуумные резины. Фторопластовые уплотнители и резиновые малого диаметра вытачивают на токарных станках, а резиновые уплотнители большего размера склеивают при помощи резинового клея. При установке клееного уплотнителя обязательным условием является совпадение усилия сжатия и плоскости склеивания уплотнителя (рис. 5-4).

Профили уплотняющих элементов фланцев

В высоковакуумных не прогреваемых системах применяются фланцевые соединения с использованием эластомерных уплотнителей, а с уплотнителями из резины марки ИРП-2043,51-1433, ИРП-1368 и ИРП-1399 – используются в системах, прогреваемых до 200°C. Широкое применение находят и уплотнители из вакуумной резины марки 7889 и 9024.

В соединениях с использованием эластомерных уплотнителей допускается многократная сборка без замены уплотнителя.

Еще более больший ресурс имеют соединения, в которых сжатие уплотнителя ограничено смыканием фланцевых поверхностей (рис. 5-3, в и г), а соответственно меньший ресурс у соединений, изображенных на рис.5-3, а и б.

Склееннй резиновый уплотнитель

Самую большую герметичность обеспечивают соединения с объемно сжатым уплотнителем, которые изображены на рис 5-3, д. На рис. 5-3,в изображено соединение, в котором также реализуется объемное сжатие уплотнителя. Во всех выше описанных случаях надо помнить, что резина рассматривается, как материал несжимаемый. Площадь сечения круглого уплотнителя составляет 90-95 % от площади сечения канавки для уплотнителя.

Величину сжатия уплотнителя по его высоте, гарантирующую герметическое соединение при комнатной температуре, оценивают в 20-25 % высоты уплотнителя, а при высоких минусовых и плюсовых температурах в 30-35 %. Для резины марки 7889 такое уплотнение возникает при сжатии на 6-10 %, но такая величина не гарантирует практическую надежность уплотнения при изменении температуры всего соединения.

В рассматриваемом случае степень сжатия резинового уплотнителя характеризует усилие, с каким уплотнитель прижимается к фланцу. Минимальная величина усилия будет в пределах от 5х105 до 1х106 Н/м2 или 5-10кгс/см2, а оптимальная от 1х106 до 1,2х106 Н/м2 или 10-12 кгс/см2. Необходимо учитывать при этом, что для мягких резин эти величины немногим меньше, а для твердых – немного больше.

Фланцевые и штуцерные соединения, использующие тонкий фторопластовый уплотнитель, наиболее надежны для функционирования при сверхнизких температурах или температурах сжижения газов (рис. 5-3, е).

Газ может натекать в систему через фланцевое соединение с применением резинового уплотнения как по поверхности соприкосновения уплотнителя с фланцем, так и в процессе возникновения диффузии через сам уплотнитель. Проникновение газа по поверхности, где уплотнитель непосредственно соприкасается с поверхностью фланца, прекращается при достижении силы сжатия самого уплотнителя по высоте на 10-20 %.

В среде инженеров-конструкторов мнения о влиянии чистоты обработки фланцев на герметичность всего соединения довольно разноречивы. На практике доказано, что при средней высоте микронеровностей от 2,5 мкм шероховатость всей поверхности фланца удовлетворяет требованиям к герметичности, которая предъявлена к подобным соединениям (см. приложение 12), суммарное натекание через которые не должно превышать 1,3х10-10 Вт (1,0х10-6 л х мкм рт./с).

На практике эксплуатация фланцевых соединений с эластомерными уплотнителями гораздо проще, чем соединений с уплотнителями из металла, но и в этом случае нужно соблюдать меры предосторожности для сохранения всего соединения. Недопустимо появление радиальных рисок на фланцах в местах расположения уплотнителя, а обращенные в вакуумную полость поверхности фланцев должны удовлетворять требованиям вакуумной гигиены. Правила хранения аналогичны правилам хранения фланцевых соединений с уплотнителями из металла.

В процессе эксплуатации на поверхностях фланцев могут скапливаться смолистые вещества, выделяемые из резины в результате сжатия, а также и вырванные из тела уплотнителя частицы резины. Во время демонтажа эти поверхности необходимо тщательно обработать с помощью чистой тряпочки из бязи, смоченной в бензине марки «Б-70».

Как правило, фланцы соединений изготовлены из обычной углеродистой стали, поэтому на их рабочих поверхностях могут образовываться пятна ржавчины, которые удаляются при разборке с помощью наждачной бумаги нулевого номера.

При обнаружении на рабочей поверхности глубоких радиальных рисок, фланцы протачиваются на токарном станке на всю глубину риски.
Во время эксплуатации фланцевых соединений с применением резиновых уплотнителей наблюдается выделение газа из резины, поэтому перед сборкой такой системы необходимо резиновый уплотнитель обезгазить.

Известно, что при возрастании температуры – возрастает и величина газовыделения из тела самого уплотнителя, но при длительном нагреве в вакууме такое газовыделение снижается и достигает со временем практически постоянной величины. При охлаждении газовыделение резко снижается до оптимальной величины, намного ниже первоначального газовыделения при той же температуре. Именно на этом и основан способ предварительного процесса обезгаживания резиновых уплотнителей: их нагревают до максимальной рабочей температуры и, даже немного выше, а затем выдерживают в этом режиме в течение 10-15 часов.
Обычное штуцерное соединение с эластомерным уплотнителем показано на рис. 5-5, а на рис. 5-6 показана разновидность этого соединения – грибковое соединение. В качестве уплотнителя в первом случае применяется фторопласт или резина, а во втором – только резина довольно мягких марок.

 Штуценрное соединения с эластомерный уплотнителем

Качественное уплотнение в грибковом соединении достигается следующим образом: затягивая гайку 2 через кольцо 3, сжимается уплотнитель 4, под действием вертикального сжатия тело уплотнителя распирается в горизонтальной плоскости, в результате чего происходит непосредственное уплотнение поверхности соприкосновения тела уплотнителя с присоединенным трубопроводом.

Соединение трубопроводов с помощью вакуумного шлангаОсобое внимание при этом необходимо обратить на обязательность скругления поверхности кольца 3, обращенного к уплотнителю, по радиусу равному толщине кольца. Если же будет произведено уплотнение соединения с плоской поверхностью кольца 3 и зазором между самим кольцом и трубопроводом, то кромка уплотнителя 4 может быть повреждена – уплотнитель рвется, а герметичность всего соединения будет нарушена.

Для присоединения форвакуумного насоса в условиях стандартной лаборатории используют соединение трубопроводов с помощью резинового вакуумного шланга (рис.5-7). Необходимо при этом концы трубопроводов расточить на токарном станке на длину не менее 1,5-2,0 диаметра, при этом используется резиновый шланг, внутренний диаметр которого должен быть в полтора раза меньше внешнего диаметра самого трубопровода, а длина равняться от 4 до 6 диаметров подсоединяемого трубопровода.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОТВЕТИТЬ