Герметизация оборудования и коммуникаций

«Герметизация — обеспечение непроницаемости сте­нок и соединений, ограничивающих внутренние объемы аппаратов, машин, сооружений для жидкостей и газов» [БСЭ, изд. 2-е, т. 11, с. 137].

До рассмотрения основных расчетных методов необ­ходимо отметить некоторые особенности микробиологиче­ских производств при решении вопросов герметизации. Первая из них заключается в наличии многочисленных видов герметизирующих элементов, условия работы ко­торых существенно различаются (торцевые уплотнения валов мешалок, фланцевые соединения, уплотнения што­ков запорной арматуры с помощью сильфонов и др.). Вторая особенность состоит в том, что нарушение не­обходимой степени герметизации многих элементов и узлов часто ведет к контаминации, которую, к сожале­нию, можно обнаружить только после достижения оп­ределенной концентрации посторонних микроорга­низмов.

Для монтажных схем ферментаторов (МСФ), герме­тизация которых представляется наиболее сложной и крайне необходимой, характерно наличие большого числа фланцевых соединений с уплотняющими элементами различного типа (шип — паз; плоские; с канавками и др.), различного условного прохода, имеющими различ­ные площади контакта, качество уплотняющих поверх­ностей и затяжки и др. Используют также резьбовые 54

соединения бобышек, с помощью которых в аппарат введены различные датчики. Герметизирующим элемен­том служат резьба и прокладка между опорной пло­щадью датчика и бобышки. Поскольку уплотняющие поверхности бобышек имеют различные диаметры и со­ответственно различные площади уплотнений, то при установке датчиков на уплотняющие элементы необхо­димо создавать различные удельные напряжения для обеспечения требуемой герметичности.

Следует отметить, что герметизирующие элементы разных типов даже в течение одного рабочего цикла эксплуатируются при отличающихся значениях рабочего давления и температуры. В качестве уплотняющего ма­териала в замке вентилей (седло — клапан) используют различные по свойствам материалы: резину, паронит, фторопласт, металл и др. Поэтому в зависимости от вида уплотнения и качества его изготовления в замке для обеспечения герметичности требуется прикладывать к шпинделю вентилей различные усилия, которые в реаль­ных условиях эксплуатации арматуры не контролируются и могут колебаться в достаточно широком диапазоне. В; то же время усилие, необходимое для надежного за­пирания арматуры, зависящее от площади герметизи­рующего элемента, материала и других характеристик, не является постоянным.

Большое влияние на эффективность герметизации монтажных схем аппаратов оказывают уплотнения для ввода вала перемешивающего устройства. В торцевых уплотнениях герметизирующими элементами служат про­кладки в посадочном гнезде аппарата, сильфон, трущиеся пары из различных материалов. Постоянная вибрация вала, изменение температуры деталей торцевого уплот­нения в ходе эксплуатации аппарата (режим культиви­рования, термическая стерилизация и др.) являются факторами, несомненно, способствующими дегерметиза­ции и не поддающимися строгой количественной харак­теристике.

Практические потребности пищевой и микробиологи­ческой промышленности требуют знания фактической эффективности герметизации и прогнозирования воз­можного числа отказов герметизирующих элементов. Остановимся на состоянии теоретических разработок в этой области.

Наиболее распространены работы, посвященные определению условий достижения герметичности лишь отдельных элементов, например фланцевых соединений [13, 92]. Достаточно полно изучено влияние на эффек­тивность герметизации фланцевых соединений давления [92], температуры [70], качества уплотнительных по­верхностей [17, 38], вида среды в трубопроводе [39, 69] , монтажно-сборочных погрешностей [20, 59, 89], про­кладочного материала [33, 38].

Шероховатость обусловливает существование капил­лярных каналов, через которые может поступать- рабо­чая среда. По теории протекание среды через капилляр­ные каналы можно предотвратить при условии, если наибольший размер канала будет равен диаметру мо­лекулы среды, а при образовании на твердых уплот­нительных поверхностях прочного адсорбированного слоя среды герметичность будет также сохраняться и при зазоре, равном трем диаметрам молекул [30]. Для жидкостей характерно явление облитерации, поэтому зазор, обеспечивающий герметичность соединения, мо­жет быть еще больше [71].

Повышение требований к герметичности фланцевых соединений привело к необходимости установки упругого уплотнительного элемента (прокладки) между уплот­нительными поверхностями, значительно повышающего эффективность герметизации в эксплуатационных усло­виях. Если представить, что зазор между уплотнитель­ными поверхностями фланцевого соединения и проклад­кой состоит из нескольких круглых отверстий, то исте­чение через соединение можно сравнить с истечением через капиллярные трубки [30]. Отмечается, что в этом случае для определения утечек применим закон Пуазей- ля [38]:

56

Это уравнение не учитывает всех явлений, происходя­щих в малых зазорах. Например, из него следует, что нельзя предотвратить утечку до тех пор, пока зазор h₃ не будет равен нулю (все остальные величины имеют конечные значения).

В нашей стране исследования герметичности флан­цевых соединений были начаты с изучения мягких паро- нитовых прокладок, распространенных на некоторых микробиологических производствах. При этом большин­ство работ сводилось к оценке необходимого удельного давления (7_У) на прокладке:

где (р, д, g — коэффициенты, определяемые опытным путем.

Определенный интерес представляет следующее со­отношение [18]:

где б?пр — постоянный коэффициент, зависящий от материала про­кладки; К_л — коэффициент, учитывающий влияние давления среды на удельное давление при данном материале прокладки; Р_ср — рабочее давление среды; Ь_а — ширина прокладки.

Для расчета удельного давления предложена фор­мула [55]

57

Указанные исследования относятся к статическим условиям работы фланцевых соединений.

Некоторые авторы рассматривают работу фланцевых соединений в динамических условиях [21]. Предложена также формула для расчета удельного давления на по­лимерной прокладке фланцевых соединений в зависи­мости от погрешностей сборки [20]:

где k_y И ку_г —коэффициенты, учитывающие степень снижения ве-. личины удельного давления на прокладке при существовании мон­тажно-сборочных погрешностей; Уд —■ скорость снижения удельного давления на прокладке; т_0Т — время наработки на отказ.

Справедливо отмечено [13], что многие авторы при расчете фланцевых соединений учитывают влияние тем­пературы, крутящих моментов и других факторов на прочность фланцевых соединений, но не рассматривают влияние этих факторов на долговечность.

Арматура, используемая в микробиологической про­мышленности, состоит из различных герметизирующих элементов. В их числе фланцевые соединения, сальнико­вое или сильфонное уплотнение шпинделя, замок (сед­ло— клапан). Все эти элементы имеют различную нара­ботку на отказ. В то же время вентиль как систему герметизирующих элементов рассматривают, как пра­вило, только с позиций необходимости достижения рав­ного удельного давления в прокладках фланцевых со­единений.

Анализ опубликованных работ показывает, что имею­щиеся данные для обеспечения требуемой эффективности герметизации по необходимому удельному давлению относятся в основном лишь к определенной конструкций, конкретному материалу и определенным условиям экс­плуатации и не могут быть распространены на другие виды фланцевых соединений с уплотнительным материа­лом без проведения дополнительных экспериментальных работ. Именно этот недостаток характерен для расчет- 58

ных методов не только фланцевых соединений, но и других видов уплотнений. Например, получены соотно­шения для расчета и прогнозирования работы подвиж­ных контактных уплотнений [83], а также для сильфо­нов [81, 82]. Однако полученные формулы можно применять, как правило, только при условии знания микрогеометрических и физико-химических характери­стик поверхностей, а также рабочих условий и геомет­рии конструкционных узлов. Очевидно, что такие урав­нения нельзя использовать для оценки эффективности герметизации элементов иной конструкции, эксплуати­руемых в отличающихся условиях.

Важно отметить, что ни один из известных методов не позволяет оценить эффективность герметизации слож­ных технических систем, работающих в асептических условиях, а тем более прогнозировать ожидаемое число дегерметизаций различных элементов и узлов за опре­деленный промежуток времени при эксплуатации. Отсут­ствие в настоящее время количественных соотношений между конструктивно-технологическими параметрами герметизирующих элементов и количественными пока­зателями их надежности в производственных условиях приводит к тому, что эксплуатационная надежность гер­метизирующих элементов в условиях микробиологиче­ских производств не является контролируемым техноло­гическим параметром. Более того, отсутствуют стати­стические данные, полученные в условиях эксплуатации -и необходимые для количественной характеристики эф­фективности герметизации отдельных герметизирующих элементов, узлов, аппаратов и -технических систем в целом.

3.4.