Навигация по таблицам
Таблица 1: Классификация типов вакуумных соединений и фитингов
| Категория соединений | Типы фланцев / стандарты | Особенности конструкции | Механизм уплотнения | Международные стандарты |
|---|---|---|---|---|
| Фланцевые |
|
|
|
|
| Резьбовые |
|
|
|
|
| Быстроразъемные |
|
|
|
|
| Эластомерные |
|
|
|
|
Таблица 1: Основные категории вакуумных соединений и их технические характеристики.
Таблица 2: Размеры и геометрические спецификации вакуумных соединений
| Тип соединения | Номинальные диаметры (мм/дюймы) | Размеры фланца (мм) | Допуски и посадки | Размеры уплотнений | Крепежные элементы |
|---|---|---|---|---|---|
| KF/QF |
DN10 (10 мм) DN16 (16 мм) DN25 (25 мм) DN40 (40 мм) DN50 (50 мм) |
DN10: Ø30 внешний DN16: Ø30 внешний DN25: Ø55 внешний DN40: Ø70 внешний DN50: Ø95 внешний |
Внутренний диаметр: ±0.2 мм Шероховатость уплотняемой поверхности: Ra ≤ 0.8 мкм |
DN10: Ø14×2 мм кольцо DN16: Ø20×2 мм кольцо DN25: Ø32×2 мм кольцо DN40: Ø47×2 мм кольцо DN50: Ø59×3 мм кольцо |
Зажимное кольцо с фиксирующим винтом Хомуты из нержавеющей стали |
| CF (ConFlat) |
DN16 (16 мм / 0.63") DN35 (35 мм / 1.38") DN63 (63 мм / 2.48") DN100 (100 мм / 3.94") DN160 (160 мм / 6.30") DN200 (200 мм / 7.87") |
DN16: Ø34 внешний DN35: Ø70 внешний DN63: Ø114 внешний DN100: Ø152 внешний DN160: Ø203 внешний DN200: Ø254 внешний |
Угол ножа: 90° ±1° Шероховатость Ra ≤ 0.4 мкм Допуск на диаметр фланца: +0, -0.25 мм |
OFHC медная прокладка DN16: Ø22×1.5 мм DN35: Ø48×2 мм DN63: Ø82×2 мм DN100: Ø122×2 мм DN160: Ø172×2 мм |
DN16: 6 болтов M4 DN35: 6 болтов M6 DN63: 8 болтов M8 DN100: 16 болтов M8 DN160: 20 болтов M8 DN200: 24 болтов M8 |
| ISO-K/ISO-F |
DN63 (63 мм / 2.48") DN100 (100 мм / 3.94") DN160 (160 мм / 6.30") DN250 (250 мм / 9.84") DN400 (400 мм / 15.75") |
DN63: Ø115 внешний DN100: Ø165 внешний DN160: Ø225 внешний DN250: Ø320 внешний DN400: Ø485 внешний |
Высота выступа: 2 мм ±0.1 мм Шероховатость Ra ≤ 1.6 мкм Толщина фланца: +0.5, -0 мм |
DN63: Ø76×5 мм кольцо DN100: Ø117×5 мм кольцо DN160: Ø178×5 мм кольцо DN250: Ø269×6 мм кольцо DN400: Ø430×8 мм кольцо |
ISO-K: Откидные зажимы ISO-F: Сквозные отверстия для болтов DN63: 4 отверстия DN100: 6-8 отверстий DN160: 8 отверстий |
| VCR |
1/4" (6.35 мм) 3/8" (9.53 мм) 1/2" (12.7 мм) 3/4" (19.05 мм) |
1/4": Ø19 внешний 3/8": Ø22 внешний 1/2": Ø25 внешний 3/4": Ø32 внешний |
Шероховатость торцевых поверхностей: Ra ≤ 0.4 мкм Плоскостность: 0.025 мм Допуск на диаметр: ±0.05 мм |
Металлические прокладки: 1/4": Ø9×0.8 мм 3/8": Ø12×0.8 мм 1/2": Ø16×1 мм 3/4": Ø22×1 мм |
Шестигранная гайка Вращающийся соединительный элемент Момент затяжки: 1/4": 3-4 Нм 1/2": 7-10 Нм |
| Swagelok |
1/8" (3.18 мм) 1/4" (6.35 мм) 3/8" (9.53 мм) 1/2" (12.7 мм) 3/4" (19.05 мм) |
Корпус фитинга: 1/8": Ø12 внешний 1/4": Ø15 внешний 3/8": Ø18 внешний 1/2": Ø22 внешний 3/4": Ø28 внешний |
Допуск на наружный диаметр трубки: ±0.05 мм Шероховатость трубки: Ra ≤ 1.6 мкм |
Передняя и задняя втулки: 1/8": Ø5/Ø6 мм 1/4": Ø8/Ø9 мм 3/8": Ø11/Ø12 мм 1/2": Ø14/Ø15 мм |
Накидная гайка Затяжка на 1-1/4 оборота для первой установки Затяжка на 1/4 оборота для повторной установки |
Таблица 2: Стандартные размеры и геометрические параметры различных вакуумных соединений.
Таблица 3: Материалы для вакуумных соединений и их свойства
| Материал | Применение | Газовыделение (мбар·л/с·см²) | Температурный диапазон (°C) | Коррозионная стойкость | Спецификации для СВВ |
|---|---|---|---|---|---|
| Нержавеющая сталь 304/304L | Фланцы KF, CF, ISO, корпуса фитингов | 2×10⁻⁹ (после отжига) 1×10⁻⁷ (необработанная) |
-270 до +400 | Хорошая. Устойчива к воздействию воздуха, воды, большинства кислот | ASTM A240/A240M Степень электрополировки Ra ≤ 0.4 мкм Обезгаживание при 250-350°C |
| Нержавеющая сталь 316/316L | Фланцы KF, CF, ISO, корпуса фитингов | 1×10⁻⁹ (после отжига) 8×10⁻⁸ (необработанная) |
-270 до +450 | Отличная. Повышенная устойчивость к хлоридам, морской воде | ASTM A240/A240M Степень электрополировки Ra ≤ 0.25 мкм Магнитная проницаемость μᵣ ≤ 1.005 |
| Алюминий (сплавы 6061, 6063) | Легкие фланцы, компоненты камер | 5×10⁻⁸ (после обработки) 2×10⁻⁶ (необработанный) |
-250 до +150 | Средняя. Устойчив к атмосферной коррозии, слабым кислотам | UNS A96061 Анодирование 10-25 мкм Обезгаживание при 150°C |
| Медь OFHC (бескислородная) | Уплотнения для CF фланцев, прокладки | 1×10⁻⁸ (после отжига) 5×10⁻⁷ (необработанная) |
-270 до +450 | Хорошая. Устойчива к воздействию воды, некоторых кислот | UNS C10100, C10200 Чистота ≥ 99.99% Кислородное содержание ≤ 5 ppm |
| Витон (FKM) | Уплотнительные кольца KF, ISO | 2×10⁻⁷ (стандартный) 5×10⁻⁸ (обезгаженный) |
-20 до +200 | Хорошая. Устойчив к углеводородам, кислотам, топливу | ASTM D1418 Класс A Твердость по Шору 75±5 |
| ПТФЭ (Тефлон) | Уплотнения, изоляторы, центрирующие кольца | 1×10⁻⁸ (стандартный) 3×10⁻⁹ (высокоплотный) |
-200 до +260 | Отличная. Устойчив к большинству химических веществ | ASTM D1710 Чистота ≥ 99.95% Плотность 2.13-2.22 г/см³ |
| Серебро | Высокотемпературные уплотнения CF | 8×10⁻¹⁰ | -270 до +450 | Хорошая. Подвержено образованию сульфидов | Чистота ≥ 99.99% Отжиг в защитной атмосфере |
| Золото | Уплотнения для специальных применений | 5×10⁻¹⁰ | -270 до +500 | Отличная. Инертно к большинству веществ | Чистота ≥ 99.99% Отжиг в защитной атмосфере |
| ПЭЭК (Полиэфирэфиркетон) | Изоляторы, опорные элементы | 5×10⁻⁷ | -60 до +250 | Хорошая. Устойчив к радиации, кислотам | ASTM D6262 Класс медицинский Содержание наполнителей ≤ 0.1% |
Таблица 3: Материалы, используемые в вакуумных соединениях, и их основные физико-химические свойства.
Таблица 4: Характеристики предельного вакуума и герметичности
| Тип соединения | Предельный вакуум (мбар) | Скорость натекания (мбар·л/с) | Макс. рабочее давление (бар) | Темп. ограничения (°C) | Методы тестирования |
|---|---|---|---|---|---|
| KF/QF с витоновым уплотнением | 1×10⁻⁷ (достижимый) 1×10⁻⁶ (типичный) |
≤ 1×10⁻⁹ (новое) ≤ 1×10⁻⁸ (после нескольких циклов) |
DN10-25: 2.5 DN40-50: 1.5 |
-20 до +150 Кратковременно до +200 |
Гелиевый течеискатель (ASTM E498) Масс-спектрометрия (ISO 20486) |
| CF с медным уплотнением | 5×10⁻¹² (достижимый) 1×10⁻¹⁰ (типичный) |
≤ 1×10⁻¹¹ (новое) ≤ 1×10⁻¹⁰ (после прогрева) |
DN16-63: 16 DN100-160: 10 DN200-250: 6 |
-270 до +450 После прогрева при 250°C |
Гелиевый течеискатель (ASTM E498) Аккумуляционный метод (ISO 3530) |
| ISO-K/F с витоновым уплотнением | 1×10⁻⁷ (достижимый) 1×10⁻⁶ (типичный) |
≤ 5×10⁻⁹ (новое) ≤ 1×10⁻⁸ (после нескольких циклов) |
DN63-100: 1.5 DN160-250: 1.0 DN400-500: 0.5 |
-20 до +150 Кратковременно до +200 |
Гелиевый течеискатель (ASTM E498) Перепад давления (ISO 20486) |
| VCR с металлическим уплотнением | 1×10⁻¹¹ (достижимый) 1×10⁻¹⁰ (типичный) |
≤ 1×10⁻¹¹ (новое) ≤ 5×10⁻¹¹ (после циклов) |
1/4": 250 3/8"-1/2": 230 3/4": 200 |
-270 до +450 С серебряным покрытием до +650 |
Гелиевый течеискатель (ASTM E498) Аккумуляционный метод (ISO 3530) |
| Swagelok (обжимные) | 1×10⁻⁹ (достижимый) 1×10⁻⁸ (типичный) |
≤ 1×10⁻⁹ (новое) ≤ 5×10⁻⁹ (после термоциклов) |
1/8": 340 1/4": 290 1/2": 210 3/4": 170 |
-200 до +230 С ПТФЭ до +260 |
Гелиевый течеискатель (ASTM E498) Метод пузырьков (для высокого давления) |
| NPT резьбовые | 1×10⁻⁷ (достижимый) 1×10⁻⁶ (типичный) |
≤ 1×10⁻⁸ (новое с ПТФЭ лентой) ≤ 1×10⁻⁷ (повторное соединение) |
1/8"-1/4": 300 3/8"-1/2": 250 3/4"-1": 200 |
-50 до +230 С высокотемп. герметиком до +350 |
Гелиевый течеискатель (ASTM E498) Метод пузырьков (для высокого давления) |
| UltraTorr (эластомерное) | 1×10⁻⁸ (достижимый) 1×10⁻⁷ (типичный) |
≤ 5×10⁻⁹ (новое) ≤ 1×10⁻⁸ (после нескольких циклов) |
1/4"-1/2": 10 3/4"-1": 7 1-1/4"-2": 4 |
-30 до +200 С ПТФЭ до +250 |
Гелиевый течеискатель (ASTM E498) Перепад давления (ISO 20486) |
Таблица 4: Достижимые уровни вакуума, герметичность и эксплуатационные характеристики различных соединений.
Таблица 5: Применимость и совместимость вакуумных соединений
| Тип соединения | Рекомендуемое применение | Совместимость с другими стандартами | Ограничения использования | Стоимость и соотношение цена/качество | Срок службы и обслуживание |
|---|---|---|---|---|---|
| KF/QF |
|
|
|
|
|
| CF (ConFlat) |
|
|
|
|
|
| ISO-K/ISO-F |
|
|
|
|
|
| VCR |
|
|
|
|
|
| Swagelok (обжимные) |
|
|
|
|
|
Таблица 5: Рекомендации по выбору типов вакуумных соединений для различных применений.
Полное оглавление
1. Введение в вакуумные соединения и фитинги
Вакуумные соединения и фитинги являются неотъемлемой частью любых вакуумных систем — от лабораторных установок до промышленного оборудования. Успешное функционирование вакуумной системы напрямую зависит от надежности этих компонентов, их способности поддерживать необходимый уровень вакуума и соответствия условиям эксплуатации.
Правильный выбор типа вакуумного соединения определяется множеством факторов: требуемым уровнем вакуума, рабочей температурой, давлением, химической совместимостью, частотой монтажа/демонтажа и экономическими соображениями. В этой статье мы рассмотрим основные типы вакуумных соединений, их характеристики, материалы, геометрические параметры и применимость в различных условиях.
Важно: Данные, представленные в таблицах, основаны на общепринятых стандартах и спецификациях производителей. Однако в конкретных условиях эксплуатации характеристики соединений могут отличаться от указанных. При проектировании вакуумных систем всегда следует обращаться к актуальной технической документации производителей.
2. Классификация вакуумных соединений
Как видно из Таблицы 1, вакуумные соединения можно разделить на четыре основные категории: фланцевые, резьбовые, быстроразъемные и эластомерные. Каждая категория имеет свои особенности конструкции, механизмы уплотнения и стандарты.
2.1. Фланцевые соединения
Фланцевые соединения являются наиболее распространенным типом в вакуумной технике. Они характеризуются наличием плоских или специально профилированных поверхностей, которые соединяются с использованием уплотнительных элементов и крепежных деталей. Среди фланцевых соединений особенно выделяются:
KF/QF фланцы (Klein Flange/Quick Flange) — оптимальное решение для низкого и среднего вакуума (до 10⁻⁷ мбар). Их конструкция основана на использовании зажимного кольца, которое прижимает два фланца друг к другу с уплотнительным кольцом между ними. Центрирующее кольцо обеспечивает правильное положение эластомерного уплотнения.
CF фланцы (ConFlat) — стандарт для сверхвысокого вакуума (до 10⁻¹² мбар). Отличительной особенностью является наличие "ножа" — острой кольцевой кромки на уплотняемой поверхности, которая врезается в мягкую металлическую прокладку (обычно медную) при затяжке болтов.
ISO фланцы (ISO-K, ISO-F) — используются для соединений больших диаметров в системах среднего и высокого вакуума. ISO-K использует зажимы, а ISO-F — болтовое соединение через сквозные отверстия.
2.2. Резьбовые соединения
Резьбовые соединения применяются для трубопроводов меньшего диаметра, особенно в системах, где требуется высокое давление или компактность. Согласно данным из Таблицы 1, основными типами являются:
NPT (National Pipe Thread) — конические резьбовые соединения, герметичность которых обеспечивается за счет деформации резьбы при затяжке. Часто используются с ФУМ-лентой или анаэробными герметиками.
VCR — металлические торцевые уплотнения с использованием металлической прокладки между двумя плоскими поверхностями. Затяжка производится с помощью накидной гайки. Обеспечивают сверхвысокий вакуум и высокую степень чистоты.
Swagelok — обжимные фитинги, где герметичность достигается за счет деформации передней и задней втулок на внешней поверхности трубки. Идеально подходят для систем высокого давления и небольших диаметров.
2.3. Быстроразъемные соединения
Быстроразъемные соединения разработаны для частого монтажа/демонтажа без использования инструментов или с минимальным их количеством. Наиболее известным примером является KF/QF система, упомянутая выше. Данные из Таблицы 1 показывают, что такие соединения обычно используют механизмы зажимов на шарнирах или рычагах.
2.4. Эластомерные соединения
Эластомерные соединения используют гибкие материалы (резины, фторэластомеры) для обеспечения герметичности. Они включают O-ринги, манжетные уплотнения и различные сильфонные соединения. Эластичность материала позволяет заполнять микронеровности поверхностей и компенсировать механические или термические деформации.
3. Размеры и геометрические спецификации
Размеры вакуумных соединений стандартизированы для обеспечения взаимозаменяемости компонентов от разных производителей. Таблица 2 предоставляет детальную информацию о номинальных диаметрах, размерах фланцев, допусках и размерах уплотнительных элементов.
3.1. Номинальные диаметры
Номинальный диаметр (DN) — это условный проход, приблизительно соответствующий внутреннему диаметру трубопровода. Для европейских стандартов используется метрическая система (DN в мм), для американских — дюймовая. Наиболее распространенные размеры для KF фланцев — DN16, DN25, DN40, для CF фланцев — DN35, DN63, DN100.
3.2. Допуски и посадки
Особое внимание следует уделить допускам на размеры и качеству поверхности. Как видно из Таблицы 2, для CF фланцев требуется шероховатость уплотняемой поверхности Ra ≤ 0.4 мкм, что значительно жестче по сравнению с KF фланцами (Ra ≤ 0.8 мкм).
Допуски на ключевые размеры, такие как диаметр фланца или угол ножевого уплотнения, критически важны для обеспечения герметичности. Например, для CF фланцев угол ножа должен быть 90° ±1°, а допуск на диаметр фланца составляет +0, -0.25 мм.
3.3. Уплотнительные элементы
Размеры уплотнительных элементов напрямую зависят от номинального диаметра соединения. Для KF фланцев используются стандартные эластомерные O-ринги, для CF фланцев — медные прокладки определённой толщины и диаметра. Согласно данным из Таблицы 2, для CF фланца DN63 требуется медная прокладка Ø82×2 мм, а для KF фланца DN40 — эластомерное кольцо Ø47×2 мм.
4. Материалы и их свойства
Выбор материалов для вакуумных соединений определяется требованиями к уровню вакуума, рабочей температуре, коррозионной стойкости и механической прочности. В Таблице 3 представлены основные материалы и их характеристики.
4.1. Металлы для фланцев и фитингов
Наиболее распространенными материалами для корпусов фланцев и фитингов являются нержавеющая сталь (304/304L и 316/316L) и алюминиевые сплавы. Нержавеющая сталь 316L обладает превосходной коррозионной стойкостью и низким уровнем газовыделения (до 1×10⁻⁹ мбар·л/с·см² после отжига), что делает её идеальным материалом для систем высокого и сверхвысокого вакуума.
Алюминиевые сплавы используются для легких компонентов, но имеют ограничения по температуре (до +150°C) и уровню вакуума из-за более высокого газовыделения (5×10⁻⁸ мбар·л/с·см² после обработки).
4.2. Материалы для уплотнений
Для систем среднего вакуума обычно используются эластомерные уплотнения, среди которых наиболее распространены Витон (FKM) и ПТФЭ (Тефлон). Витон имеет хорошую химическую стойкость и может работать при температурах до +200°C. ПТФЭ обладает практически универсальной химической стойкостью и может работать при температурах от -200°C до +260°C.
Для систем сверхвысокого вакуума необходимы металлические уплотнения. Бескислородная медь (OFHC) — стандартный материал для CF прокладок. Для особо высоких температур или агрессивных сред используются серебряные или золотые прокладки, которые обеспечивают еще более низкое газовыделение (до 5×10⁻¹⁰ мбар·л/с·см²).
4.3. Газовыделение материалов
Газовыделение — это процесс выделения газов с поверхности или из объема материала, который может ограничивать достижимый уровень вакуума. Как видно из Таблицы 3, материалы для сверхвысокого вакуума должны иметь газовыделение не более 10⁻⁹ - 10⁻¹⁰ мбар·л/с·см².
Для снижения газовыделения применяют специальные методы обработки: отжиг в вакууме или защитной атмосфере, электрополировку поверхностей, химическую очистку и обезгаживание при повышенных температурах.
5. Характеристики вакуума и герметичности
Таблица 4 предоставляет информацию о предельном вакууме, скорости натекания, максимальном рабочем давлении и температурных ограничениях для различных типов соединений.
5.1. Уровни вакуума
Уровни вакуума можно разделить на следующие категории:
- Низкий вакуум: от атмосферного давления до 1 мбар
- Средний вакуум: от 1 до 10⁻³ мбар
- Высокий вакуум: от 10⁻³ до 10⁻⁷ мбар
- Сверхвысокий вакуум (СВВ): ниже 10⁻⁷ мбар
- Ультравысокий вакуум: ниже 10⁻¹⁰ мбар
Согласно данным из Таблицы 4, KF/QF соединения с витоновыми уплотнениями могут обеспечивать вакуум до 1×10⁻⁷ мбар, CF соединения с медными прокладками — до 5×10⁻¹² мбар, а VCR соединения с металлическими уплотнениями — до 1×10⁻¹¹ мбар.
5.2. Скорость натекания
Скорость натекания (течи) измеряется в мбар·л/с и является критическим параметром для вакуумных систем. Для соединений, используемых в высоком вакууме, скорость натекания должна быть не более 10⁻⁸ мбар·л/с, а для сверхвысокого вакуума — не более 10⁻¹⁰ мбар·л/с.
Таблица 4 показывает, что CF соединения имеют скорость натекания ≤ 1×10⁻¹¹ мбар·л/с для новых прокладок, что делает их идеальным выбором для СВВ систем. После термоциклирования эта величина может увеличиться до ≤ 1×10⁻¹⁰ мбар·л/с.
5.3. Методы тестирования
Для проверки герметичности вакуумных соединений используются различные методы, наиболее распространенными из которых являются:
- Гелиевый течеискатель (ASTM E498) — наиболее чувствительный метод, позволяющий обнаруживать течи до 10⁻¹² мбар·л/с. Основан на масс-спектрометрическом определении гелия.
- Аккумуляционный метод (ISO 3530) — основан на измерении нарастания давления в закрытой системе за определенный промежуток времени.
- Метод перепада давления (ISO 20486) — используется для более грубой оценки герметичности на основе изменения давления в системе.
- Пузырьковый метод — простой визуальный метод для проверки герметичности под высоким давлением.
6. Заключение
Правильный выбор вакуумных соединений и фитингов является ключевым фактором для успешной работы вакуумных систем. Этот выбор должен основываться на тщательном анализе требований к вакууму, давлению, температуре, механической прочности, химической стойкости и экономических факторах.
Таблица 5 предоставляет рекомендации по выбору типа соединения для различных применений, их совместимости с другими стандартами, ограничениях использования, стоимости и сроке службы. Следуя этим рекомендациям, можно оптимизировать конструкцию вакуумной системы, обеспечить её надежную работу и снизить затраты на обслуживание.
Практический совет: При проектировании вакуумных систем используйте минимально необходимое количество соединений и выбирайте тип соединения, соответствующий самому высокому требуемому уровню вакуума во всей системе. Это упростит обслуживание и повысит надежность системы в целом.
Источники
- ISO 2861. Vacuum technology — Dimensions of couplings of the quick connection type with clamping ring.
- ISO 3669. Vacuum technology — Bakeable flanges — Dimensions of knife-edge flanges.
- ASTM E498. Standard Test Methods for Leaks Using the Mass Spectrometer Leak Detector.
- Hoffman, D.M., Singh, B., & Thomas, J.H. (1998). Handbook of Vacuum Science and Technology. Academic Press.
- O'Hanlon, J.F. (2003). A User's Guide to Vacuum Technology (3rd ed.). Wiley-Interscience.
- Jousten, K. (Ed.). (2016). Handbook of Vacuum Technology (2nd ed.). Wiley-VCH.
- Технические каталоги ведущих производителей вакуумного оборудования: Pfeiffer Vacuum, Edwards, Leybold, VAT, MDC Vacuum Products.
Отказ от ответственности
Информация, представленная в данной статье, носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для использования специалистами в области вакуумной техники. Авторы не несут ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования данной информации.
Все приведенные характеристики и параметры вакуумных соединений являются типичными и могут отличаться у конкретных производителей. При проектировании вакуумных систем необходимо обращаться к актуальной технической документации производителей и соответствующим стандартам.
Перед использованием вакуумных соединений в конкретных условиях эксплуатации рекомендуется провести собственные испытания на совместимость и герметичность.
