Фланцы для работы в условиях вакуума и избыточного давления (эластомерные уплотнения)

Конструкция фланцевых соединений на основе специализированных вакуумных стандартов рассчитана на работу в условиях, когда внешние стенки магистрали или камеры находятся при атмосферном давлении, а давление внутри системы изменяется от атмосферного давления до предельного остаточного давления. Толщины фланцев обеспечивают механическую прочность соединения именно при таких условиях. Максимальный перепад давления не может превышать 1 атм, причем атмосферное давление создает дополнительное давление на внешнюю поверхность фланцев в откачанной системе. Монтажные компоненты (болты, хомуты, полукольца и т.п.) при этом никогда не подвергаются усилию на разрыв (давление внутри системы всегда меньше или равно атмосферному). Даже болтовые соединения специализированных вакуумных стандартов (не говоря о соединениях, фиксирующихся хомутами или струбцинами) не стандартизированы (и не рассчитывались) для работы при избыточных давлениях. Да, конечно, такие соединения имеют запас прочности и смогут выдержать некоторое избыточное давление, но использование этого запаса прочности опасно, т.к. создает риск внезапного разрушения соединения. Для справки: например, соединения ISO-KF16 могут выдержать до нескольких атмосфер, но сила, действующая на фланец при одинаковом давлении, будет возрастать как квадрат диаметра условного прохода фланца – т.е. предельно допустимое давление будет уменьшаться с увеличением размера фланца.
Из сказанного следует, что безопасное максимальное давление внутри системы, построенной на основе специализированных вакуумных стандартов, составляет ровно 1 атм (абсолютное) или 0 атм (избыточное).

Фланцевые соединения на основе общепромышленных стандартов трубопроводной арматуры рассчитаны на избыточные давления (толщина фланцев, количество и размер крепежных болтов соединения соответствуют классу избыточного давления, указанному в стандарте). Следовательно, использование таких фланцевых соединений обеспечивает безопасность эксплуатации систем с избыточным давлением, соответствующим регламентированному стандартом давлению.
Однако в общем случае такие соединения не всегда приспособлены оптимальным образом к эксплуатации в условиях вакуума, особенно среднего и высокого – с точки зрения регламентированных уплотнений, обработки поверхности, материала фланцев, способов приварки. Поэтому при использовании фланцевых соединений промышленной трубопроводной арматуры необходимо, оставаясь в рамках стандартов, учитывать специфику вакуумных соединений. (если говорить о предельном остаточном давлении в системе меньшем 1 Торр).

Из многообразия предлагаемых стандартом вариантов необходимо использовать только те конструкции фланцев, которые позволяют создать вакуумно-плотное соединение;

В качестве материала фланцев рекомендуется использовать нержавеющую сталь;

Необходимо обеспечить обработку опорных поверхностей фланцев, приемлемую для вакуумных приложений - с меньшей шероховатостью поверхности, чем предусмотрено базовым стандартом. Например, европейский стандарт EN 1092-1 предусматривает для малых избыточных давлений шероховатость Ra=3,2-12,5 мкм, что допустимо только в условиях технического вакуума. В некоторых случаях достаточно проточить «более чисто» опорную поверхность стандартного фланца из нержавеющей стали;

Проточка фланца под сварку должна обеспечивать возможность сварки с внутренней (вакуумной) стороны;

При проточке фланца необходимо предусматривать разгрузочный выступ/канавку во избежание коробления фланца вследствие локального перегрева при сварке;

В качестве уплотнений необходимо использовать витон (FKM), нитрил (NBR) или прокладки из резин вакуумных технических. Тип уплотнения выбирается исходя из задачи – от плоской прокладки, вырезанной из листа до кольцевых прокладок с круглым сечением (o-ring)