Трубопроводные системы и технологии

Неразъемные электроизолирующие вставки (соединения)

По определению, неразъемные электроизолирующие вставки (соединения или муфты) являются необслуживаемым и неразборным изделием и должны гарантировать механические и диэлектрические свойства в течение всего его жизненного цикла.

Основной функцией электроизолирующей вставки является предотвращение снижения защитного потенциала, вследствие возникновения утечек:

  • Через металлический трубопровод
  • Через транспортируемый продукт
  • Через окружающий грунт.

Утечки потенциала через металлический патрубок

Основными являются утечки через металлический трубопровод. Применение электроизолирующих соединений в этом случае будет особенно эффективным. При этом, кроме гарантирования хорошей изоляции, электроизолирующая вставка должна обеспечивать прекрасное механическое уплотнение от внутреннего давления и способность выдерживать различные механические нагрузки: изгиб, растяжение, кручение, передаваемые трубопроводом.

Неразъемная электроизолирующая вставка с использованием системы поперечной изоляции предотвращает утечки потенциала в трубопровод.

Утечки потенциала через транспортируемый продукт

Утечки через трубопровод, встретив препятствие в виде электроизолирующего соединения, могут происходить через транспортируемый продукт. Это явление усиливается в случае, если транспортируемый продукт обладает высокой электропроводностью. 

Для предотвращения утечек потенциала через транспортируемый продукт должна применяться продольная внутренняя изоляция.

Утечки потенциала через окружающий грунт

Утечки через трубопровод, встретив препятствие в виде неразъемной электроизолирующей вставки, могут происходить через окружающий грунт.  Это явление усиливается если грунт обладает низким электрическим сопротивлением. Также в грунте могут возникать электрические токи иной природы, которые могут оказывать влияние на систему катодной защиты трубопровода.

Для предотвращения утечек потенциала через окружающий грунт должна применяться продольная внешняя изоляция.

Эволюционное развитие конструкции неразъемных электроизолирующих вставок

Для предотвращения утечек транспортируемого продукта электроизолирующая вставка должна обеспечивать прекрасное механическое уплотнение от внутреннего давления и выдерживать различные механические нагрузки: изгиб, растяжение, кручение, передаваемые трубопроводом. Это зависит от конструкции муфты и технологии ее производства.

1. Уплотнительная система с использованием резиновых колец круглого сечения. Разработана в 1960-1970 годы. 

2.  Уплотнительная система с использованием манжет прямоугольного сечения. Разработана в 1980-е годы.

3. Уплотнительная система для из композиционных материалов. Начало разработки 1990-е годы.

4. U-образная уплотнительная система. Разработана в 1990-е годы.

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, которые достигаются 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. 
Диаграмма 1. Зависимость давления выдавливания резинового уплотнительного кольца от диаметрального зазора и твердости резины Диаграмма 1. Зависимость давления выдавливания
резинового уплотнительного кольца
от диаметрального зазора и твердости резины

Уплотнительная система с использованием резиновых колец круглого сечения (разработана в 1960-1970 годы)

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 4 мм). 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.

Двойная уплотнительная система с использованием резиновых колец круглого сечения Двойная уплотнительная система
с использованием 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 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.

В связи с изложенным возникает ограничения:

  • по  способности неразъемных электроизолирующих вставок выдерживать деформации конструкции при воздействии изгибающих, растягивающих нагрузок и крутящего момента;
  • по способности выдерживать высокие давления.

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:

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.

Уплотнительная система для электроизолирующих соединений из композиционных материалов (начало разработки 1990-е годы)

Уплотнительная система разрабатывается в России и представляет собой комбинацию специальной уплотнительной манжеты, и резиновых уплотнительных колец круглого сечения.

Разрушение изолирующей манжеты Разрушение изолирующей манжеты

Недостатки

  • Необходимо специальное оборудование для изготовления и сборки уплотнительной манжеты.
  • Для первой ступени уплотнительной системы  (с резиновыми кольцами) свойственны все недостатки, указанные в системах уплотнения с применением резиновых колец круглого сечения.
Трещина композитной оболочки Трещина композитной оболочки
  • Применение в качестве второй ступени уплотнительной системы 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.

U-образная  уплотнительная  система (разработана в 1990-е годы) неразъемных электроизолирующих вставок

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

  • Необходимо специальное оборудование для изготовления и сборки.

Достоинства

  • Не требует высокого качества обработки уплотнительных поверхностей и соблюдения очень точных допусков на механическую обработку.
  • Уплотняемыми являются как поверхности между металлом и поверхностью изолирующего кольца, так и между металлическими поверхностями. 
  • 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.
  • Отсутствует возможность возникновения взрывной декомпрессии, поскольку манжета находится в закрытом затворе и полностью окружена поверхностями уплотнительного гнезда.
  • Отсутствуют ограничения по применению в неразъемных электроизолирующих соединениях U-образных манжет. Рекомендуется к применению в условиях высоких давлений (до 1000 кгс/см2) и повышенных внешних механических нагрузках (растяжение, сжатие, изгибающий и крутящий моменты). Способно выдерживать без разгерметизации напряжения и нагрузки аналогично основному материалу  трубопровода.