Исследования гелиевой плотности фланцевых соединений
Исследования гелиевой плотности фланцевых соединений проводились в следующем порядке. Вначале выполняли необходимые технологические операции, связанные с подготовкой системы заполнения изделия гелием до высоких давлений, тщательно промывали и протирали рабочие поверхности фланцевых крышек и прокладки, а также резьбовые соединения шпилек и гаек, наносили на них графитовую смазку (графит кристаллический, серебристый, литейный, ГОСТ 5279— 61) для уменьшения трения; затем производили сборку фланцевого соединения путем постепенного затягивания гаек шпилечного соединения в определенной последовательности. Момент затяжки контролировали сначала динамометрическим ключом ДК-25, затем динамометром ДПУ-0,5 через соответствующее плечо рычага.
После достижения расчетного крутящего момента на шпильках производили заполнение фланцевого соединения гелием до давления 4,0 ... 4,5 МПа и определяли его плотность. Как уже отмечалось, величина крутящего момента, полученного расчетным путем, оказалась недостаточной для образования прочно-плотного соединения. Поэтому проводили повторную подтяжку шпилек с приложением больших крутящих моментов, затем проверяли соединение на герметичность до тех пор, пока протечки гелия не становились соизмеримыми с пределом чувствительности метода предварительного контроля 1,33* 10“7 м3-Па/с (10—® л*мкм рт. ст./с).
Далее, после предварительного вакуумирования и достижения рабочего давления фланцевое соединение подвергали длительной выдержке в рабочих условиях с периодическим наложением термоциклических нагрузок, затем проводили последующую проверку на герметичность с помощью более чувствительного метода (метода накопления в вакуум). Сущность этого метода описана ранее; для его реализации авторами был создан стенд (рис. 2), состоящий из вакуумной камеры объемом примерно 0,8 м3 для размещения внутри нее испытуемого изделия; вакуумной системы; системы заполнения изделия гелием; системы контрольно-изме-рительных приборов, а также вспомогательных систем, включающих системы водяного охлаждения, электрооборудования и электропитания, дистанционного управления и блокировки. Вакуумная система стенда обеспечивает' создание разрежения в вакуумной камере до 6,66-10—4 Па (5*10“в мм рт. ст.)» а в проверяемом изделии до 1,33-10—1 Па (10~8 мм рт. ст.). Система заполнения изделия гелием позволяет создавать избыточное давление в проверяемом изделии до 15 МПа. Система контрольно-измерительных приборов состоит из датчиков и приборов, измеряющих давление газа в проверяемом изделии, разрежение в вакуумной камере и на различных участках вакуумной линии, давление охлаждающей воды и температуры изделия. Контроль герметичности осуществляется при помощи гелиевого течеискателя ПТИ-7А, который подключается к вакуумной системе на линии предварительного разрежения, что обеспечивает максимальный поток индикаторного газа через камеру течеискателя и, как следствие, максимальную чувствительность испытаний.
При испытаниях фланцевого соединения из стали 08Х18Н10Т с плоскими зеркалами и рифлеными медными прокладками были получены следующие результаты.
Расчетное усилие сжатия прокладки при сохранении герметичности в рабочих условиях (Р — 4,5 МПа; Т = 350 °С), полученное из условия необходимого удельного давления на медную прокладку 390 МПа (по методике работы), составило 3,85-105 Н. Для обеспечения такого усилия на каждой из шпилек необходимо создание крутящего момента, равного 130 Н-м (при коэффициенте трения &хр = 0,15). Необходимая плотность этого фланцевого соединения на гелии фактически была достигнута при величине крутящего момента на шпильках 400 ... 450 Н-м.
Проведенные затем горячие испытания фланцевого соединения в течение* 1000 ч при рабочих условиях и термоциклических нагрузках (25 термокачек в интервале температур 350 ... 100 ... 350 °С) показали его достаточно высокую надежность. Протечки за это время составляли менее 6,66* 10~8 м8-Па/с (5* 10-* л-мкм рт. ст./с).
Последующая проверка высокочувствительным методом показала, что суммарная величина утечки не выше 6,66* 10“10 м8* Па/с (5*10~®л-мкм рт. ст./с) при чувствительности течеискателя 4-10~13 м8*Па/с*мВ (3-10—9 л*мкм/с*мВ). Аналогичные результаты были получены при испытаниях фланцевого соединения с плоской прокладкой и рифлеными поверхностями зеркала затвора (время испытаний 5160 ч, 57 термокачек при 350... 100... 350 °С).
Разборка фланцевых соединений после испытаний показала, что выемка прокладок из паза как с плоскими, так и с рифлеными зеркалами затвора осуществляется без приложения значительных усилий. Никаких следов «схватывания» прокладок с зеркалом затвора не обнаружено. Экспериментальное определение действительного усилия сжатия прокладки по величине напряжения в шпильках (в результате их удлинения по мере затяжки) с использованием контрольных шпилек показало, что необходимое для создания герметичного соединения удельное давление на прокладку составляет 1,2* 108 МПа, т. е. в 3 раза больше расчетного, и соответственно необходимое усилие сжатия прокладки во фланцевых соединениях Е>у 200 составляет 1,15 10е Н.
Не менее важной задачей являлось исследование гелиевой плотности сварных соединений различных материалов, выполненных разными методами сварки, с учетом влияния на герметичность таких соединений различных эксплуатационных факторов.
Были испытаны образцы, моделирующие сварное соединение косых патрубков с корпусом сосуда давления, выполненные из сталей 15Х2НМФА и 08Х18Н10Т с приваркой к плите из стали 15Х2НМФА (йу 76); образцы, изготовленные с помощью сварки «под ус» из сталей 15Х2НМФА и 10ГН2МФА 200), моделирующие обварные полу-разъемные соединения; образец, моделирующий соединение трубного пучка с трубной доской; образцы мембранных сварных соединений (Бу 100), моделирующие фланцевые ограниченно-разъемные соединения со сваркой «под ус»; образцы сварных стыковых соединений перлитных и аустенитных труб 22X3.
Испытания проводили при температуре 350 °С и давлении 4,5 МПа. Длительность испытаний составляла 500 ... 2500 ч. В процессе исследования проводилось термоциклирование со скоростью изменения температуры 50 ... 60 °/ч в интервале температур 350 ... 100 ... ... 350 °С. В процессе ресурсных испытаний утечка была ниже 1,33-10~8 м8*Па/с (10-4 л-мкм рт. ст./с) Проведенные затем испытания этих образцов на герметичность высокочувствительными методами показали, что утечка составляет 6,66* 10—10 ... 6,66-10“12 м8Х ХПа/с (5* 10—6 ... 5* 10—8 л*мкм рт. ст./с), что вполне удовлетворяет требованиям к герметичности изделий по 1—2-му классу (ОСТ 5.0170—75. Контроль герметичности металлических конструкций. Газовые и жидкостные методы). Выводы:
1. Испытания фланцевых соединений с прокладками показали, что требуемая герметичность обеспечивается как зубчатыми прокладками при плоском зеркале фланца, так и плоскими прокладками из отожженной меди с рифлеными поверхностями затвора при фланцевом соединении типа «шип — паз».
2. Показано, что в моделях фланцевых соединений Лу 200, рассчитанных на предельное давление Ру = 10 МПа, для обеспечения требуемой герметичности в гелиевой среде необходимое усилие сжатия прокладки превышает расчетное в 3 раза и составляет 1,15х Х10« Н.
3. В результате испытаний на герметичность сварных соединений однородных и неоднородных аустенитных и перлитных сталей установлено, что при давлении гелия 4,5 МПа и температуре 350°С с периодическим наложением термоциклических нагрузок основной металл н сварные соединения соответствуют 1—2-му классам герметичности (ОСТ 5.0170—75).
Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность создания контура циркуляции с гелиевым теплоносителем, обладающего достаточной степенью герметичности.