Разъемные вакуумные соединения

В разборных вакуумных соединениях необходимо обеспечить герметичность стыка двух соединяемых деталей, близкую к герметичности сплошного материала. В месте соприкосновения двух деталей в результате механической обработки всегда остаются микронеровности, которые затрудняют получение вакуумно-герметичного соединения.
Герметичность может быть достигнута значительно легче, если в зазор между соединяемыми материалами поместить уплотнитель, вязкость которого достаточна для заполнения неровностей при контактных напряжениях, значительно меньших предела упругости основных соединяемых материалов. В качестве уплотнителей могут применяться смазки, резины, фторопласт, металлы.

К разным вакуумным соединениям предъявляются следующие требования: минимальное натекание и газовыделение; механическая прочность; термическая стойкость — способность выдерживать многократные прогревы без нарушения герметичности; коррозионная стойкость; максимальное число циклов разборки и сборки с сохранением герметичности; удобство ремонта и технологичность в изготовлении; возможность лёгкой проверки на герметичность.

В вакуумной технике в системах с температурой прогрева до 300 ºC широко применяются резиновые уплотнители. Резина обладает хорошими упругими свойствами, и для создания вакуумно-герметичного соединения с полированной стальной поверхностью требуются небольшие усилия. Резиновые уплотнения допускают практически неограниченное число разборок и сборок, просты в изготовлении, редко нуждаются в ремонте. Недостатком резиновых уплотнений является повышенное газовыделение и газопроницаемость по сравнению с материалом уплотняемых деталей.

Форма сечения уплотнителя круглая или квадратная, диаметр или сторону квадрата из конструктивных соображений выбирают 3–5 мм. Форма фланцев и расположение уплотнителя во фланцевых соединениях с эластомерным уплотнителем показаны на рис. 5.1 и 5.2.

Рис. 5.1. Фланцевое соединение с плоскими фланцами:
1 — фланцы; 2 — уплотнитель; 3 — центрирующее кольцо

Рис. 5.2. Профили уплотняющих элементов фланцев с
помещёнными между ними эластомерными уплотнителями

Эластомерный уплотнитель допускает многократную сборку соединения. Большим ресурсом обладают соединения со сжатыми уплотнителями, в которых ограничено смыкание фланцев (рис. 5.2в,г). Напротив, меньшим ресурсом обладают соединения, изображённые на рис. 5.2а,б.

Для работы при сверхнизких температурах, температурах сжижения газов наиболее надёжны фланцевые и штуцерные соединения с тонким фторопластовым уплотнителем, например соединение, изображённое на рис. 5.2е. Фторопласт имеет меньшее газовыделение и газопроницаемость. Недостатком фторопласта является низкий предел упругости, поэтому для уплотнения фторопластом необходимо создавать напряженное состояние всестороннего сжатия.

Для соединения трубопровода малого диаметра используют различные разновидности штуцерных соединений (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Штуцерное соединение с эластомерным уплотнителем:
1 — штуцер; 2 — гайка; 3 — уплотнитель; 4 — ниппель

В лабораторной практике для присоединения форвакуумного насоса к трубопроводу часто используется резиновый вакуумный шланг (рис. 5.5.) Желательно концы трубопроводов на длину 1,5–2,0 диаметра расточить, как показано на рисунке. Для выполнения соединения используют, резиновый шланг, внутренний диаметр которого в полтора раза меньше внешнего диаметра трубопровода, а длина составляет 4–6 диаметров трубопровода.

Рис. 5.5. Соединение трубопроводов с помощью резинового
вакуумного шланга:
1 — трубопровод; 2 — шланг

Для техники сверхвысокого вакуума большое значение имеют металлические уплотнения, допускающий прогрев до температуры 450–500 ºC. Заполнение микронеровностей происходит за счёт пластической деформации материала прокладки. Текучесть металлов значительно меньше, чем у резины, и поэтому для создания уплотнения требуются значительно большие удельные давления и более высокий класс чистоты поверхности. Газовыделение металлических прокладок в 1000 раз меньше, чем резиновых, но соединение с металлическими прокладками сложнее в изготовлении, допускает ограниченное число прогрева и сборок. Схемы наиболее распространённых у нас в стране металлических уплотнений показаны на рис. 5.6.
В качестве уплотнителей применяется в основном медь, имеющая близкий коэффициент линейного расширения к нержавеющей стали. Также используются золото, алюминий, индий. Такие уплотнители, кроме индия, сохраняют работоспособность и герметичность после многих циклов нагрева. Впрочем, после первого нагрева иногда бывает необходима дополнительная подтяжка соединения.

Рис. 5.6. Схемы уплотнений с металлическими прокладками:
1 — конусное; 2 — канавочно-клиновые; 3 — conflat

Преимуществами соединения типа conflat являются:

- снижение вероятности повреждения уплотняющих поверхностей, вследствие того, что они находятся в углублении;

- оба фланца имеют одинаковую геометрию, что снижает их стоимость и, обеспечивает взаимозаменяемость;

- для обеспечения уплотнения достаточно небольшой деформации медной прокладки, поэтому прокладку можно использовать несколько раз.

Обжимные фитинги