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»).

По определению, неразъемные электроизолирующие соединения являются необслуживаемыми и неразборными изделиями и должны гарантировать свои механические и диэлектрические свойства в течение всего его жизненного цикла
рис1

рис1

В связи с этим уплотнительная система неразъемных электроизолирующих соединений требует специального изучения и совершенствования.

В настоящее время в мировой практике используется четыре основныхтипа системы уплотнений, используемые производителями неразъемныхэлектроизолирующих соединений
·         Уплотнительная система с использованием резиновых колец круглогосечения
·         Уплотнительная система с использованием манжет прямоугольногосечения
·         Уплотнительная система для неразъемных электроизолирующихсоединений из композиционных материалов
·         U – образная уплотнительная система
диаграмма1

диаграмма1

Вышеуказанные системы уплотненийимеют существенные различия и эксплуатационные ограничения, которые необходимо учитывать при проектировании мест установки на трубопроводах и эксплуатации.

Уплотнительная система сиспользованием резиновыхколец круглого сечения(Разработана в 1960-1970 годы).
В основном уплотнительная системасостоит из 2 или 4 резиновых колецкруглого сечения и герметизирует поверхности только между металлом иизолирующим кольцом. Данная система уплотнения заимствована из изолирующих фланцев (рис 1).
Недостатки
Вследствие небольшой длиныуплотнительной поверхности при использовании резиновых колец круглого сечения требуется высокое качество обработки уплотнительныхповерхностей, так в соответствии сГОСТ 9833 шероховатость поверхности должна быть не ниже Ra 2,5 (чтодостигается только шлифовкой и полированием).
В статических условиях разрушениекольца происходит вследствие выдавливания в уплотнительный зазор. Приэтом величина допустимого уплотнительного зазора измеряется несколькими десятыми долями миллиметра(см. диаграмму 1).В связи с этим возникает ограничение:
– по способности неразъемных электроизолирующих соединений выдерживать деформации конструкции привоздействии изгибающих, растягивающих нагрузок и крутящего момента;
– по способности выдерживать высокие давления.
рис2

рис2

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 (рис 2).

вырезка1

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 квырезка2

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.

вырезка3

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.

вырезка4

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 (рис 3). Эта уплотнительная система специально разработана для неразъемных электроизолирующих соединений.

рис3

рис3

Недостатки

Очень важно учитывать при эксплуатации действующий на электроизолирующее соединение изгибающий момент. Фактически давление воздействует наманжету 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.
Внутреннее давление приводит к возникновению продольных напряжений, которые уменьшают предварительное сжатие манжеты, созданное при сборке электроизолирующего соединения.
Необходимость в специальном оборудовании и формах для изготовления.
Достоинства
·         Невысокая стоимость.
·         Легко устанавливается при сборке.
·         Вследствие увеличения длины уплотнительной поверхности и большого поперечного сечения 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.
·         Отсутствует возможность выдавливания манжеты в уплотнительный зазор.
·         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)
рис4

рис4

Уплотнительная система разрабатывается в России и представляет собой комбинацию специальной уплотнительной манжеты, находящуюся в предварительно сжатом состоянии и резиновых уплотнительных колец круглого сечения (рис 4).

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 манжеты 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)
рис5

рис5

Эта уплотнительная система представляет собой U-образную манжету двойного профиля, располагаемую вокруг изолирующего кольца, плотно сжатую в образованном металлическими поверхностями уплотнительном гнезде (рис 5).

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
Вследствие большой длины уплотнительной поверхности и большого поперечного сечения 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.
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.

WWW.NEFTEGAS.INFO ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ 6 июнь  2008  защита от коррозии

Файлы для загрузки: