150085 (Аппаратура для высоких давлений)

РЕФЕРАТ

"Аппаратура для высоких давлении"

1. Изготовление аппаратуры высокого давления

Неоднократно предлагались формулы для расчета аппаратуры высокого давления, в том числе и для цилиндров, усиленных бандажами или обмоткой снаружи применяются некоторые сорта нержавеющих сталей на основе сталей 18Cr8Ni. Посредством автофреттажа прочность этих материалов повышается.

Соединение труб друг с другом существенно облегчается, если они имеют незначительную конусность.

Аппаратуру высокого давления, рассчитанную на давление свыше 20000 атм, изготавливают по Бриджмену, вдавливая один стальной конус в соответствующий второй конус. Этот метод имеет преимущество по сравнению с другими, так как упругие напряжения, возникающие на конических поверхностях, соответствуют внутреннему давлению в трубе, что при цилиндрических поверхностях не имеет места.

2. Трубопроводы

В качестве трубопроводов для соединения отдельных частей аппаратуры при давлении до 1000 атм применяются цельнотянутые медные трубы; при более высоких давлениях применяются главным образом стальные капиллярные трубки. Среди цельнотянутых стальных труб для установок, работающих под давлением, имеются трубы для номинальных давлений от 200 до 640 атм, от 1 до 100 атм и до 25 атм. Однако для еще более высоких давлений имеет смысл изготавливать трубы путем высверливания круглой заготовки. При большом числе оборотов и применении соответствующим образом заточенного сверла эту работу можно выполнить за относительно короткое время. При сверлении давление на сверло не должно быть сильным.

3. Вентили

Вентили применяются в аппаратах высокого давления, если необходимо перекрыть часть аппаратуры. Если для получения высоких давлений пользуются жидкостью, то до давлений в несколько сотен атмосфер можно применять вентили следующих конструкций.

Конус на конце шпинделя S давит вниз в направлении отверстия, прижимая таким образом металл к металлу. Конус D во всех случаях должен быть тверже, чем материал, в котором сделано отверстие В. Конус-D в большинстве случаев имеет угол 90°. Место уплотнения С должно представлять собой острый край и иметь маленький диаметр. Периодически рекомендуется прирабатывать место С, сильно завертывая шпиндель. Но при обычных работах не следует вентиль сильно затягивать, так как иначе место уплотнения слишком быстро деформируется, и вследствие этого поверхность соприкосновения возрастает. Тыльная отшлифованная часть шпинделя G уплотняется с помощью кожаных шайб или металлических прокладок, например свинцовых. Во многих случаях вместо металлических прокладок прекрасно служат уплотнения из асбестового шнура, пропитанного графитовой смазкой. Известны также конструкции вентилей, у которых уплотняющие прокладки можно заменять во время действия аппаратуры. Для этой цели предусмотрен второй конус вентиля. При обратном вращении шпинделя этот конус перекрывает сообщение с наружным пространством, что позволяет освободить верхнюю гайку и сменить набивку.

На рис. представлен разрез вентиля со сменным седлом клапана, рассчитанного на давление в несколько тысяч атмосфер. Уплотнение осуществляется удлиненным конусом. Внутренняя металлическая уплотняющая шайба у вращающейся части с наружной стороны скошена для лучшего прилегания обеих кожаных прокладок.

Вентиль с уплотнением металл-металл

На рис. показан вентиль Бассета для давлений до 5000 атм. Конус из легированной стали, с углом заострения около 10°, для повышения прочности вставляется в стальной кожух. Две гайки служат для придания конусу определенного положения его в кожухе.

Вентиль со сменным седлом

Вентиль со вторым уплотняющим конусом диаметр около 1,8 мм. Вращение головки H передается через шариковый подшипник на шпиндель S с конусом К. В качестве самоуплотнения применяется несколько модифицированное уплотнение Бриджмена. В стальную пластину L вставляется цилиндрический штифт /, который способствует уменьшению поверхности уплотнительной шайбы M. Две стальные пластинки образуют затвор уплотнения. С помощью гайки P уплотнение можно подвергнуть предварительному напряжению.

Если высокие давления получают в газах, то берут длинный конус, причем коническое отверстие в соединяемой с ним детали делается с углом на 1° больше. В этом вентиле щель между уплотняющим конусом и стенками отверстия имеет точную регулировку, благодаря чему вентиль с успехом можно применять для регулирования газового потока. Если редукционного вентиля недостаточно или исследуемый объем имеет значительные размеры, то с помощью этих вентилей при соблюдении осторожности можно получить желаемое давление при условии, что в распоряжении экспериментатора имеется сильно сжатый газ, например азот в стальном баллоне.

Вентиль на 5000 атм.

Герметическое соединение труб

В некоторых случаях, например при наполнении, переливании и добавлении чистого газа в стальные баллоны, необходимо применять вентили для вакуума. При откачке негерметичность сальника обычного вентиля заметно нарушает этот процесс. Применяя вместо сальников упругую спиральную трубку или упругое пружинящее тело F, можно получить вентиль, который герметически сохраняет вакуум до избыточного давления 150 атм.

Вентиль для газа Вентиль с сильфоном

В насосах с жидкостями до давлений 5000 атм применяются шаровые клапаны, надежно работающие как со стороны всасывания, так и со стороны давления. Для достижения лучшего уплотнения в ряде случаев рекомендуется применять шарик со слабой спиральной пружиной, прижимающей его к седлу клапана. Образцы вентилей с такими клапанами, которые можно легко заменять и подвергать дополнительно приработке, очень хорошо себя зарекомендовали в установках, работающих под давлением до 2000 атм. При конструировании установок высокого давления надо стремиться седло клапана и другие подобные части делать сменными, чтобы их можно было изготовить на небольшом токарном станке.

Впускной вентиль нагнетающего насоса со сменным седлом Выпускной вентиль тающего насоса со сменным седлом.

Для уменьшения износа были разработаны конструкции конуса, в которых при открывании и закрывании не происходит вращения конуса вентиля, а имеет место лишь его смещение в осевом направлении. Некоторые вентили описаны у Комингса

4. Рабочие жидкости

В качестве жидкости для высоких давлений при комнатной температуре можно применять не очень густое машинное масло. Так как при более высоком давлении это масло становится очень вязким, то до 5000 атм употребляют парафиновое масло DA136. Для давлений до 10 000 атм и при комнатной температуре применялись также ситойль с декалином, тяжелый нефтяной эфир или смесь воды с глицерином в отношении 3:1. При давлениях до 12 000 атм применима смесь из двух частей керосина, одной декалина и одной парафинового масла. Для давлений до 15 000 атм можно использовать жидкость из одной части парафинового масла, одной части декалина и шести частей керосина. Для давлений свыше 20 ООО атм пригодна смесь из изо- а н-пентана. Такая смесь может применяться в качестве жидкости, работающей под давлением при температурах ниже 0° С. Силиконовые масла применимы для тех же давлений и при более высоких температурах.

5. Рабочие газы

Газы, вследствие их большой сжимаемости п опасности работы с ними при высоких давлениях, вряд ли будут применяться для получения высоких давлений, за исключением тех случаев, когда они сами должны быть объектом исследования. Йодер описал аппарат, рассчитанный на давление газа до 10 000 атм и температуру до 1400° С, в котором для получения давления применяется аргон; эта температура получается в маленькой печке, помещенной внутри аппаратуры высокого давления. В некоторых работах в качестве рабочего тела применялся азот; при давлении около 19 000 атм он переходит в твердое состояние.

В случае применения водорода или других «агрессивных» веществ установка должна быть изготовлена из материала, не подверженного разрушению этими веществами.

Для сжатия чистых газов используют ртутные насосы, которые приводятся в действие сжатым воздухом или, при более высоких давлениях, жидкостными насосами.

6. Соединения

Для соединения отдельных частей установки высокого давления можно пользоваться следующими способами.

На концах соединяющих трубок нарезается резьба, которая входит в соответствующую резьбу в деталях А и В. Эти детали соединяются с трубками при помощи специальных уплотнителей или же пропаиваются при ввинчивании мягким припоем.

С помощью прижимной гайки С деталь А сильно придавливается к детали В, причем шайба D из мягкого материала деформируется и уплотняет соединение. В качестве материала для этих шайб употребляют свинец, кожу, фибру и медь, последняя перед употреблением прокаливается. При работе с кислородом можно в качестве уплотняющего материала применять только фибру или медь. Кроме того, необходимо следить за тем, чтобы на деталях не было масла или жира. Для соединения трубопровода с аппаратом высокого давления часто применяют конструкцию, пригодную для давлений до нескольких сотен атмосфер, которая имеет такой вид. На конец трубки А припаивают твердым припоем цилиндр с фланцем В, или на конце А нарезается левая резьба. В последнем случае цилиндр В, также с левой резьбой, при навинчивании пропаивается мягким припоем. При помощи прижимной гайки С с правой резьбой трубка и уплотняющая шайба E плотно соединяется с аппаратом.

При более высоких давлениях, а также при более высоких температурах вместо уплотняющих шайб применяют стальные линзы. Для того чтобы в случае нарушения уплотнения можно было ограничиться заменой только уплотнительной линзы, предел упругости ее материала должен быть меньше, чем у материала трубы. Однако в некоторых случаях линзу надо делать более жесткой. Для сокращения работы, необходимой для восстановления уплотнения, концы труб не следует закруглять, так как площади соприкосновения должны быть достаточно малыми.

Соединение трубок на резьбе

Присоединение трубопровода

Известны конструкции, в которых уплотнение линзами происходит на острых краях. Уплотнение линзами применяется с большим успехом до давлений свыше 5000 атм. Вместо линз применяются также кольца с закаленными уплотняющими режущими кромками. При стягивании места уплотнения режущая кромка вдавливается в поверхность материала, чем достигается плотное соединение металла с металлом.

Линзовое уплотнение

Линзовое уплотнение

Если поверхность материала плоско отшлифована, то на нее можно наложить шайбу из армкожелеза толщиной около 3 мм, в которую и будет вдавливаться режущая кромка кольца. Диаметр уплотняющей режущей кромки должен быть возможно малым. Манометры с уплотняющими режущими кромками изготовляются для давлений свыше 5000 атм. Надо, однако, отметить, что изготовление таких кромок требует некоторого опыта.

Конический ввод трубопровода

Уплотнение для давлений до 2000 атм.