Практические технологии проектирования герметизирующих узлов оборудования высокого давления

 
 
 
 
 
В. К. Погодин 
 
 
 
 
 
ПРАКТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УЗЛОВ ОБОРУДОВАНИЯ 
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
УДК 621.646 
ББК 39.71 
П43 
 
 
Рецензент: 
доктор технических наук, профессор Братского технического университета  
(г. Братск) Огар Петр Михайлович 
 
 
 
 
 
 
Погодин, В. К. 
П43    Практические технологии проектирования герметизирующих узлов 
оборудования высокого давления : монография / В. К. Погодин. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 620 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1699-3 
 
 
Предложены понятия, терминология, а также технологии, которые позволили объединить различные направления исследований в единое направление, обеспечивающее 
функциональное назначение ГУ í герметичность. Предложенные технологии включают доступный алгоритм проектирования ГУ для оборудования ВД, технологию конструирования ГУ на основе классификации их конструктивных и функциональных 
признаков, выбор материалов деталей, методики расчета геометрических параметров 
деталей, методики расчета усилий с учетом изменения податливости и трения деталей, 
возникающих при их контактном взаимодействии, расчеты режимов затяжки крепежных деталей, а также методы оценки работоспособности и герметичности, учитывающие функциональные особенности их эксплуатации.   
Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и 
проектных организаций, машиностроительных предприятий и предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, энергетической, атомной промышленности. Может быть полезно при подготовке специалистов указанных отраслей промышленности, в том числе при подготовке аспирантов и студентов. 
 
УДК 621.646 
ББК 39.71 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1699-3 
© Погодин В. К., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 9 
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ВД ......... 16 
1.1. Терминология и определения ......................................................................... 19 
1.2. Механизм контактного взаимодействия деталей в ГУ 
................................. 26 
 1.2.1. Взаимодействие герметизирующих поверхностей деталей ГС ............ 27 
 1.2.2. Взаимодействие деталей в СУ .................................................................. 37 
1.3. Влияние условий эксплуатации на состояние контактирующих 
поверхностей деталей ГУ ....................................................................................... 43  
 1.3.1. Изменение параметров контактирующих поверхностей при трении 
...... 
44 
 1.3.2. Изнашивание контактирующих поверхностей деталей ГУ 
................... 49 
1.4. Применяемые методы исследования герметичности ................................... 55 
 1.4.1. Анализ опыта исследований герметичности ГС 
..................................... 55 
 1.4.2. Методы оценки герметичности в ТА ....................................................... 62 
 1.4.2.1. Оценка герметичности ЗУ 
.................................................................... 64 
 1.4.2.2. Оценка герметичности СУ ................................................................... 75 
Список литературы ................................................................................................. 83 
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГУ  
ОБОРУДОВАНИЯ ВД 
............................................................................................ 92 
2.1. Анализ технологий и методов проектирования ГУ 
...................................... 93 
 2.1.1. Особенности проектирования ГУ по коду ASME .................................. 94 
 2.1.2. Особенности проектирования ГУ по ГОСТ Р 52857.4 
........................... 99  
 2.1.3. Результаты анализа действующих технологий проектирования ГУ ..... 
106  
2.2. Технология конструирования ГУ ................................................................. 108 
 2.2.1. Общие сведения применяемых технологий конструирования ГУ ..... 109 
 2.2.2. Основные принципы предлагаемой технологии  
 конструирования ГУ .......................................................................................... 111 
 2.2.3. Конструктивные признаки ГУ ................................................................ 114 
 2.2.4. Признаки, определяющие условия герметизации ................................ 127 
 2.2.5. Пример конструирования ГС в ГУ для конкретных условий  
 эксплуатации 
....................................................................................................... 133 
2.3. Технологии оценки герметичности ГУ при проектировании  
оборудования ВД 
................................................................................................... 139 
 2.3.1. Оценка количества неорганизованных выбросов  
из промышленных объектов в окружающую среду ........................................ 140 
 2.3.2. Методы определения герметичности ГУ в оборудовании ВД ............ 144 
 2.3.3. Выбор метода и средств контроля герметичности оборудования  
 и ГУ 
...................................................................................................................... 148 
2.4. Общая технология проектирования ГУ ....................................................... 155 
Список литературы ............................................................................................... 165 
ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛЕЙ ГУ ........................................................... 168 
3.1. Материалы герметизирующих колец ........................................................... 169 
 3.1.1. Металлические материалы ...................................................................... 169 
 3.1.2. Неметаллические материалы .................................................................. 182 
3 

 3.1.2.1. Резина ................................................................................................... 182 
 3.1.2.2. Пластмассы .........................................................................................  186 
 3.1.2.3. Терморасширенный графит (ТРГ) 
..................................................... 194 
 3.1.2.4. Асбестобумажные материалы 
............................................................ 199 
3.2. Материалы крепежных деталей .................................................................... 202 
3.3. Материалы соединяемых деталей ................................................................ 207 
3.4. Герметизирующие материалы СУ ................................................................ 214 
3.5. Герметики 
........................................................................................................ 224 
3.6. Смазки ............................................................................................................. 230 
3.7. Выбор материалов деталей и элементов ГУ 
................................................ 232 
Список литературы ............................................................................................... 246 
ГЛАВА 4. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА СИЛОВЫХ  
ПАРАМЕТРОВ ГУ 
................................................................................................ 250 
4.1. Предварительный расчет геометрических параметров ГУ 
........................ 250 
4.2. Определение силовых воздействий на детали ГУ ...................................... 258 
 4.2.1. Принципы расчета усилий с учетом податливости деталей 
................ 258 
 4.2.2. Определение усилий в ГУ с различными типами герметизации ........ 260 
 4.2.3. Определение усилий при тепловых воздействиях 
................................ 266 
 4.2.4. Определение усилий при действии изгибающих моментов 
................ 269 
 4.2.5. Сопряжение деталей ГУ методом конечных элементов ...................... 272 
 4.2.6. Метод оптимального проектирования ГУ ............................................. 277 
4.3. Расчет силовых параметров ЗУ 
..................................................................... 281 
 4.3.1. Расчет усилий, действующих в ЗУ ......................................................... 283 
 4.3.2. Расчет усилий в ЗУ при наличии тепловых воздействий .................... 291 
4.4. Расчет усилий в СУ ........................................................................................ 292 
4.5. Податливости деталей, элементов и соединений ГУ ................................. 295 
 4.5.1. Осевая податливость крепежных деталей ............................................  296 
 4.5.1.1. Осевая податливость фланцев ........................................................... 305 
 4.5.1.2. Осевая податливость шайб 
................................................................  306 
 4.5.1.3. Осевая податливость ГС в ГУ 
............................................................ 308 
4.6. Влияние условий размещения герметизирующего кольца на его  
осевую податливость............................................................................................. 311 
4.7. Коэффициенты трения в соединениях ГУ ................................................... 314 
 4.7.1. Соединения ГУ с длинным путем скольжения их деталей 
.................. 314 
 4.7.2. Коэффициенты трения в ГС «сталь по стали» при коротком пути  
 скольжения деталей 
............................................................................................ 318 
 4.7.3. Трение в ГС с алюминиевым герметизирующим кольцом 
.................. 326 
Список литературы ............................................................................................... 330 
ГЛАВА 5. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ ГУ ..... 
336 
5.1. Расчет геометрических параметров соединяемых деталей и элементов 
..... 
338 
 5.1.1. Расчет толщины цилиндрического корпуса (трубы) 
............................ 338 
 5.1.2. Расчет цилиндрического корпуса со сквозным боковым  
   отверстием 
........................................................................................................... 339 
 5.1.3. Расчет корпуса типа тройника ................................................................ 342 
5.2. Расчет геометрических параметров корпусов ТА ...................................... 345 
4 

 5.2.1. Расчет концевых элементов корпусов с отверстиями под шпильки ..... 
349 
 5.2.2. Расчет корпусов при наличии упругопластических деформаций 
....... 350 
5.3. Расчет крепежных деталей и элементов ...................................................... 353 
 5.3.1. Расчет шпилек 
........................................................................................... 353 
 5.3.2. Расчет резьбового фланца ....................................................................... 356 
 5.3.3. Расчет муфт 
............................................................................................... 357 
 5.3.4. Поверочный расчет резьбовых соединений .......................................... 359 
 5.3.5. Влияние геометрических параметров на прочность резьбовых  
 соединений .......................................................................................................... 363 
5.4. Геометрические параметры ГС в ГУ 
............................................................ 369  
 5.4.1. Геометрические размеры металлических ГС в ГУ ............................... 371 
5.5. Методы расчета ГУ ........................................................................................ 383 
 5.5.1. Расчет бугельного ГУ .............................................................................. 384 
 5.5.2. Расчет ГУ с мембранным ГС .................................................................. 396 
 5.5.3. ГУ с волнообразным герметизирующим кольцом ............................... 402 
5.6. Определение размеров ГУ в ТА ................................................................... 406 
 5.6.1. Определение геометрических параметров ГУ в ТА ............................. 406 
 5.6.2. Определение геометрических размеров СУ .......................................... 408 
Список литературы ............................................................................................... 414 
ГЛАВА 6. УСЛОВИЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ГУ ...................................................  417 
6.1. Метод экспериментального определения герметизации ГС и ГУ ............ 417 
6.2. Условия герметизации ГС ............................................................................. 420 
 6.2.1. Условия герметизации ГС «сталь по стали» ......................................... 420 
 6.2.2. Герметизации ГС при различном распределении контактных  
давлений по ширине контакта 
.............................................................................. 421 
6.3. Условия герметизации ГС с ионноплазменными покрытиями ................. 427 
6.4. Условия герметизации ГС в ГУ в оборудовании ВД ................................. 433 
 6.4.1. Условия герметизации ГС в ГУ при средних и высоких рабочих  
 давлениях ............................................................................................................ 433 
 6.4.2. Условия герметичности ГС в ГУ при сверхвысоких давлениях 
......... 438 
6.5. Экспериментальные исследования герметизации в конструкциях ТА .... 442 
 6.5.1. Условия герметизации ГС в ЗУ при статических условиях  
 работы ТА ........................................................................................................... 443 
 6.5.2. Уточнение аналитических зависимостей для определения условий  
 герметизации ГС в ЗУ 
........................................................................................ 452 
 6.5.3. Условия герметизации СУ....................................................................... 461 
 6.5.3.1. Условия герметизации СУ при статических и динамических  
 воздействиях ..................................................................................................... 461 
 6.5.3.2. Условия обеспечения герметичности СУ в запорном клапане ...... 469 
Список литературы ............................................................................................... 474 
ГЛАВА 7. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГУ  
В ОБОРУДОВАНИИ ВД ...................................................................................... 477 
7.1. Определение оптимальных микрогеометрических параметров  
герметизирующих поверхностей ГС ................................................................... 477 
7.2. Оценка технического состояния ГУ 
............................................................. 483 
5 

 7.2.1. Оценка технического состояния ГУ перед сборкой ............................. 487 
 7.2.2. Оценка технического состояния ГУ в период сборки 
.......................... 497 
7.3. Определение допустимых погрешностей изготовления и сборки  
деталей ГУ 
.............................................................................................................. 499 
7.4. Определение величины радиального зазора в ГС с плоским  
герметизирующим металлическим кольцом ...................................................... 505 
7.5. Условия применения герметизирующих колец из терморасширенного  
графита в ГС «плоскость–плоскость» 
................................................................. 511 
7.6. Методы предварительного нагружения крепежных деталей ...................  517 
 7.6.1. Классификация и принципы выбора устройств для затяжки  
 шпилек ГУ 
........................................................................................................... 518 
 7.6.2. Методы расчета режимов затяжки шпилек ........................................... 523 
 7.6.3. Условия обеспечения предварительного нагружения крепежных  
 деталей 
................................................................................................................. 531 
 7.6.3.1. Контроль усилий нагружения резьбовых крепежных деталей ...... 532 
 7.6.3.2. Влияние условий нагружения на распределение усилий  
 по шпилькам ГУ ............................................................................................... 535 
Список литературы ............................................................................................... 539 
ГЛАВА 8. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГУ ...................... 543 
8.1. Причины неработоспособности ГУ 
.............................................................. 543 
8.2. Расчет ГУ на циклическую и длительную прочность ................................ 547 
8.3. Проверка работоспособности деталей ГУ на сопротивление хрупкому  
разрушению 
............................................................................................................ 555 
8.4. Определение остаточного ресурса деталей ГУ ........................................... 557 
 8.4.1. Определение остаточного ресурса при воздействии циклических  
 нагрузок ............................................................................................................... 557 
 8.4.2. Определение остаточного ресурса деталей ГУ с учетом воздействия 
 коррозии и эрозии .............................................................................................. 559 
8.5. Определение безопасного ресурса работы ГУ по критерию  
герметичности 
........................................................................................................ 561 
 8.5.1. Условие герметизации ГУ с линзовым герметизирующим  
кольцом 
................................................................................................................. 561 
 8.5.2. Определение безопасного ресурса работы ГС в ЗУ по критерию  
 герметичности 
..................................................................................................... 570 
 8.5.3. Оценка работоспособности СУ в ТА при выборе материала  
сальника 
................................................................................................................ 578 
8.6. Оценка работоспособности ГУ и ЗУ в аварийных ситуациях 
................... 587 
8.7. Сохранение работоспособности ГУ при разгерметизации ГС .................. 591 
Список литературы ............................................................................................... 594 
ГЛАВА 9. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ТЕХНОЛОГИЙ 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГУ ..................................................................................... 597 
9.1. Рекомендации по усовершенствованию технологий изготовления ГУ  
в оборудовании ВД 
................................................................................................ 598 
9.2. Выбор методов эксплуатации и герметизации оборудования ВД ............ 602 
Список литературы ............................................................................................... 615 
6 

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
σ – напряжение 
σр – расчетное напряжение 
σэкв – эквивалентное напряжение 
σi – интенсивность напряжений 
σr – радиальное напряжение 
σt – кольцевое (тангенциальное) 
напряжение 
σz – осевое напряжение 
[σ] – допускаемое напряжение 
p – расчетное внутреннее давление 
pа – давление автофретирования 
pp – рабочее давление 
pпр – пробное давление 
ртех, ропр – технологическое давление, 
давление опрессовки  
Rp  – предел текучести  
Rp0,2 – условный предел текучести  
Rm, σв – временное сопротивление, 
предел прочности (см. примечание) 
R1,0/10n – предел ползучести 
Rm/10n – предел длительной прочности 
ψ – относительное сужение  
į – относительное удлинение 
HB – твердость по Бринеллю 
Е – модуль упругости  
μ – коэффициент Пуассона 
G – модуль сдвига 
ε – относительная деформация 
εi – интенсивность деформаций 
nв, nт – коэффициенты запаса прочности, соответственно, по временному 
сопротивлению и пределу текучести 
 
К – коэффициент концентрации  
напряжений 
KCU − ударная вязкость материала 
α – температурный коэффициент линейного расширения 
ρ – угол трения 
f – коэффициент трения 
λ – коэффициент осевой  
податливости 
D – внутренний диаметр трубопровода 
Dк – диаметр контакта герметизирующего кольца с герметизирующими поверхностями соединяемых деталей 
d – диаметр стержня шпильки 
γо – угол наклона герметизирующей  
поверхности 
γ í угол наклона герметизирующей  
поверхности соединяемых деталей 
m – число крепежных деталей 
q1 – контактное давление на герметизирующую поверхность 
q – нормальное удельное усилие по периметру контакта герметизирующей 
поверхности 
Q3 – осевое усилие предварительного 
нагружения крепежных деталей (усилие затяжки) 
Q – полное осевое усилие, действующее на крепежные детали 
B – величина утечки герметизируемой 
среды с единицы периметра контакта 
герметизирующих поверхностей 
Р – шаг резьбы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 
 
 
НТД 
− нормативно-техническая документация 
 
ВД 
− высокое давление 
 
ГУ 
− герметизируемый узел 
 
ГС 
− герметизирующее соединение 
 
НДС 
− напряженно-деформированное состояние 
 
МКЭ 
− метод конечных элементов 
 
ТА 
− трубопроводная арматура 
 
ТО 
− техническое обслуживание 
 
ТС 
− техническое состояние 
 
ППР 
− планово-предупредительный ремонт 
 
ПДР 
− планово-диагностический ремонт 
 
СТО 
− стандарт организации 
 
ТО и Р 
− техническое обслуживание и ремонт 
 
ОФС 
− система ТО и Р по фактическому состоянию 
 
РТО 
− реагирующее техническое обслуживание 
 
ПАО 
− система проактивного обслуживания 
 
ПДР-I 
 − система ОФС с планированием сроков ремонта 
 
ПДР-II 
 − система ОФС с планированием сроков  
   диагностических проверок 
 
ТУ 
− технические условия 
 
ТР 
− технический регламент 
 
БРС 
− бугельное разъемное соединение 
 
СУ 
ЗУ  
− сальниковый узел 
í затворный узел 
 
ТРГ 
− терморасширенный графит 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Экологическая обстановка производственных объектов в значительной 
степени определяется состоянием технических систем, используемых при ведении технологических процессов в химической, нефтехимической, энергетической, атомной и других отраслях промышленности. Чаще всего потенциальными источниками загрязнения окружающей среды являются технические системы с высокой концентрацией оборудования, работающего под высоким давлением (ВД). 
 Технологические процессы, осуществляемые в оборудовании ВД на объектах в разных отраслях промышленности, условно разделяют: по агрегатному 
состоянию вещества (газовое, жидкое и др.), величине давления (низкое, высокое, сверхвысокое), температуре, химическому процессу, а также по характеру 
процесса (периодический, непрерывный, комбинированный). 
Для проведения промышленных процессов и лабораторных исследований 
под высоким давлением технические системы включают:  
− оборудование для проведения основных химических реакций (автоклавы, реакторы, теплообменники и др.);  
− вспомогательное оборудование (маслоотделители, сепараторы, фильтры, 
баллоны для хранения и транспортировки сжиженных газов и др.); 
− источники высокого давления (компрессоры, насосы, мультипликаторы 
и др.); 
− трубопроводы; 
− трубопроводную арматуру; 
− контрольно-измерительную и регулирующую аппаратуру.  
При проектировании и эксплуатации перечисленного оборудования важно 
учитывать следующие общие функциональные особенности и требования:  
1. Обеспечение герметичности, в особенности при работе с ядовитыми или 
огнеопасными продуктами. 
2. Необходимость применения для изготовления деталей материалов с повышенными механическими свойствами. 
3. Учет воздействия на материал деталей химических процессов (коррозии, 
эрозии и т. д.), высоких температур, снижающих их механические свойства. 
4. Сложности с выбором материалов в связи с его стоимостью, дефицитностью, трудностями дальнейшей механической и термической обработок, а для 
крупного оборудования еще и трудностью получения из этого материала тяжелых заготовок для изготовления деталей. 
5. Вероятность разрушения оборудования из-за конструктивных погрешностей, ошибок проектирования, дефектов материала, эксплуатационных ошибок, что может приводить к тяжелым экологическим последствиям. 
6. Проведение постоянного контроля за температурой и давлением для 
управления процессом и безопасностью обслуживающего установку персонала. 
7. Конструкция должна быть простой, транспортабельной, удобной в эксплуатации с осуществлением процессов сборки и разборки.  
9 

8. Сложности с осуществлением процессов с вводом твердого вещества и 
внутренних устройств в зону высокого давления и выводом их из зоны. 
9. Трудности оценки герметичности и безопасности при проектировании 
оборудования. 
Особенностью оборудования ВД является наличие в них большого количества разнообразных конструкций герметизирующих узлов (ГУ): герметизирующих соединений (ГС), затворных узлов (ЗУ), сальниковых узлов (СУ) и др. 
Трудно найти среди конструкций промышленного оборудования, которые 
бы не содержали по эксплуатационным, технологическим, конструктивным и 
другим причинам ГУ. Они предназначены для открытия и закрытия доступа в 
замкнутое пространство того или иного типа оборудования. Как самостоятельное устройство ГУ не используются, однако, являются важной частью объектов 
судостроительной, космической, химической, нефтехимической и другой техники.  
Область применения ГУ можно разделить на конструкции для герметизации в конкретном типе оборудования и на конструкции для герметизации мест 
соединения отдельных типов оборудования друг с другом. В составе конкретного оборудования ГУ представляют собой совокупность его соединяемых, 
крепежных, герметизирующих деталей и элементов. При соединении отдельных типов оборудования используются концевые элементы соединяемых деталей с выполненными в них герметизирующими поверхностями, а также крепежные и герметизирующие детали или элементы. 
При анализе расследований аварий и несчастных случаев, имевших место 
на промышленных объектах с использованием оборудования ВД, неоднократно 
Госгортехнадзором устанавливалось, что чаще всего они происходят не из-за 
прочности его основных деталей, по которым оценивается ресурс работы оборудования, а из-за нарушения функциональности ГУ í по критерию его герметичности. Объясняется это тем, что обеспечение герметичности в этих узлах 
является трудно управляемой проблемой не только из-за их конструктивного 
многообразия и количества. Эти трудности, в основном, связаны со сложностью механизма взаимодействия деталей ГУ при изготовлении, ремонте и эксплуатации оборудования ВД. Каждый из перечисленных этапов жизненного 
цикла оборудования по-разному влияет на обеспечение герметичности ГУ. 
В настоящее время в зарубежной и отечественной практике проектирования оборудования ВД используются ГУ, форма и размеры деталей которых 
считались общепризнанными и потому были стандартизованы. При этом оценка их работоспособности, определялась, в основном, по критериям их прочности. 
Однако в соответствии с действующими нормативными документами поведение технологических процессов в оборудовании ВД является недопустимым, если в ГУ не обеспечена его функциональность í требуемая герметичность. Таким образом, технология проектирования ГУ вступает в противоречие 
с нормативными документами, требующими проведения оценки герметичности 
перед их применением. 
10