Приложение Н (справочное). Уплотнения

Приложение Н
(справочное)

Уплотнения

Н.1 Общие положения

Уплотнение представляет собой совокупность сопрягаемых элементов соединения, обеспечивающих необходимую герметичность подвижных или неподвижных соединяемых деталей. Функцией уплотнения является обеспечение и поддержание герметичности между компонентами (фланцы, муфта/ниппель) в течение продолжительного периода времени. Уплотнение должно быть устойчивым к воздействию уплотняемой среды, к внутреннему и внешнему давлению, температуре и внешним нагрузкам.

При оценке свойств уплотнения следует учитывать предварительное натяжение болтов и рассматривать уплотнение, соединитель и входящие в него болты как единую систему. При рассмотрении влияния соединителя на свойства уплотнения необходимо рассматривать такие параметры, как крутящий момент свинчивания ниппеля/муфты соединителя, предварительное натяжение и сопротивление болтов.

При возможности, в соединителях райзера необходимо использовать неподвижные уплотнения, т.е. уплотнения, размещаемые между поверхностями, с минимальным относительным перемещением или неподвижными поверхностями. Неподвижные уплотнения рекомендуются использовать в динамически нагружаемых соединителях.

Уплотнения могут воспринимать внешнюю нагрузку (т.е. являться элементами, несущими основную нагрузку) или не подвергаться воздействию внешней нагрузки. В динамически нагружаемых соединителях рекомендуется использовать конструкцию, в которой уплотнения не подвержены воздействию внешней нагрузки, для обеспечения высокой надежности и герметичности соединения на протяжении всего времени работы. Кроме того, при определении предварительного нагружения соединителя необходимо учитывать возможные сочетания действующих нагрузок.

При проектировании уплотнений для трубопроводной арматуры, фитингов и соединителей следует учитывать действие внешнего давления. Внешнее давление может превысить внутреннее рабочее давление в процессе внутрискважинных работ (при значительном снижении давления в райзере), а также при эксплуатации райзера в глубоководных условиях. При проектировании уплотнения следует учитывать условия эксплуатации и испытаний, при которых может иметь место частое изменение давления уплотняемой среды, что в сочетании с высоким внешним давлением воды приводит к циклическому изменению направления действия давления на уплотнение.

При выборе уплотнения необходимо учитывать срок его службы, химические свойства и температуру уплотняемой среды, рабочие давления и возможные относительные перемещения уплотняющих поверхностей. Уплотнения подвержены повреждениям в процессе перемещения, установки и повторной сборки. Поэтому единичное уплотнение имеет ограниченную надежность. Для повышения надежности соединения можно использовать двойное уплотнение. Для обеспечения резервирования следует использовать два уплотнения, имеющие различную конструкцию и не подверженные общему отказу.

Уплотнение следует устанавливать в процессе свинчивания соединителя с учетом требований 6.4.12 к обеспечению герметичности. Следует отметить, что для более низкого давления (3,5 МПа) контактное напряжение в соединении может быть недостаточным для обеспечения требований к герметичности.

Уплотнения могут быть разделены на две основные категории: металлические уплотнения и мягкие (комбинированные или неметаллические) уплотнения. Более подробная информация приведена в Н.2 и Н.3.

Н.2 Уплотнения "металл к металлу"

В качестве металлического уплотнения можно рассматривать пластически деформируемые металлические кольца, воспринимающие внешнюю нагрузку, упруго деформируемые металлические кольца, не воспринимающие внешнюю нагрузку, или уплотнения, формируемые непосредственным контактом уплотнительных металлических поверхностей. В металлических прокладках в виде уплотнительных колец специальной формы используют как упруго деформируемые, так и пластически деформируемые металлические уплотнения. Уплотнение при использовании металлических уплотнительных колец достигается за счет эффекта расклинивания, который вызывает напряжение сжатия в контакте, обеспечивая герметичность. Некоторые из уплотнений являются самоуплотняющимися, характеризующимися увеличением нагрузки на уплотняющие поверхности за счет давления уплотняемой среды. В большинстве случаев при использовании уплотнения "металл к металлу" для обеспечения герметичности необходимо обеспечивать высокое качество подготовки уплотнительных поверхностей и требуемое значение напряжения сжатия в контакте на уплотняющей/посадочной поверхности.

В технических условиях производителя должно быть указано минимальное начальное контактное напряжение после посадки уплотнения, минимальное контактное давление в процессе эксплуатации и испытаний, необходимое для обеспечения герметичности, и требование к чистоте обработки поверхности. Ниже приведены примеры типовых требований.

Для корректной сборки металлических уплотнений необходимо обеспечить начальное контактное напряжение в уплотнении и месте посадки, приводящее к пластической деформации материала уплотнения или посадочной поверхности. Для газовой уплотняемой среды требуются более высокие начальные контактные напряжения, чем для жидкой.

Контактное напряжение в уплотнении и месте посадки должно быть выше давления уплотняемой среды. Отношение контактного напряжения к давлению уплотняемой среды должно составлять 2,0 для газа (азот) и 1,2 для жидкости.

Уплотнительные поверхности должны иметь низкую шероховатость. Среднее арифметическое отклонение оцениваемого профиля шероховатости, определяемое в соответствии с ГОСТ Р ИСО 4287, не должно превышать Ra = 0,8 для газовой среды и Ra = 1,6 для жидкости.

Необходимо подтвердить, что при наиболее неблагоприятном сочетании деформаций, заводских допусков и нагрузок не происходит недопустимое уменьшение контактного напряжения в уплотнении и месте посадки, а начальное контактное напряжение обеспечивает пластическую деформацию материала, достаточную для создания надежного уплотнения.

Для улучшения уплотняющих свойств на металлические уплотнения может быть нанесено покрытие. Как правило, для снижения истирания применяют цинк или фосфат марганца, для повышения газонепроницаемости можно применять покрытие серебром. Политетрафторэтилен можно применять для снижения трения, улучшения герметичности применительно к жидкой уплотняемой среде и т.д. В каждом случае в рамках квалификации выбранного покрытия для условий применения должны быть проведены испытания. В процессе выбора покрытия следует учитывать механическую, электрохимическую и химическую совместимость материалов, рабочие температуру и давление, внешние нагрузки и срок службы.

Н.3 Мягкие уплотнения

Материалы, из которых изготавливают мягкие уплотнения, имеют различные характеристики стойкости к действию химически агрессивной среды и к повышенным температурам. Такие материалы, как правило, имеют незначительную прочность, разрушаются при выдавливании и могут разрушаться при снижении начального контактного напряжения после посадки уплотнения (см. [54]). Со временем эксплуатационные свойства мягких уплотнений ухудшаются, кроме того, они подвержены ползучести.

Для подтверждения функциональных свойств мягкого уплотнения должно быть определено наиболее неблагоприятное сочетание деформаций и допусков, приводящих к формированию зазора, через который может происходить выдавливание уплотнения. В процессе квалификации мягких уплотнений должен быть определен срок их службы или периодичность замены, допустимые значения температуры и давления, минимальное значение зазора, приводящего к выдавливанию, и параметров уплотняемой среды. Для уплотнений подвижных соединений должны быть проведены циклические испытания. Процесс квалификации уплотнения должен включать испытание на герметичность.

При расчете максимально допустимого зазора, исключающего выдавливание уплотнения, следует учитывать все допуски, технологические зазоры и деформации, включая осевое смещение соединений.

Эластомеры и полимеры подвержены ухудшению эксплуатационных свойств при воздействии окружающей среды. В процессе квалификации таких материалов должны быть проведены испытания на воздействие окружающей среды в соответствии с требованиями признанных стандартов, например ГОСТ 28198.

Руководство по испытанию неметаллических уплотнений приведено в [12] (подраздел F.1.13).