Результат интеллектуальной деятельности: РАЗЪЕМНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ

Изобретение относится к агрегатам и узлам пневмогидросистем (ПГС) и предназначено для разъемного сочленения трубопроводов в стационарных промышленных и транспортных энергетических установках, в частности, с повышенными требованиями к технологичности и ремонтопригодности конструкции (доступности повторных сборок с заменой уплотнений) и надежности в эксплуатации (герметичности, прочности, ресурса, работоспособности в утяжеленных условиях), например, при контакте с агрессивными ракетными топливами в авиационно-космических энергодвигательных установках.

Известно множество разъемных соединений трубопроводов общепромышленного и специального исполнения [1,2].

В ПГС широко используются разъемные соединения с накидной гайкой при герметичном контакте сферических и конических поверхностей, называемые также соединениями "шар по конусу". См. [1], книга 2, с. 210, рис.495(3) "Ниппели с наружным конусом"; а также [2], с.408, рисунок в таблице 94 "Соединение прямое промежуточное". Соединения такого типа могут формироваться из набора стандартизованных элементов по ГОСТ [3,4,5] и широко используются в испытательной (например, при проверке герметичности устройств) и в бытовой технике (например, в гибких удлинителях бытовой воды и газа).

К подобным соединителям можно отнести и соединения тонкостенных труб с развальцовкой их концов. См. , например, [2], с.385; табл.73 "Соединение прямое промежуточное".

Недостатком и первых, и вторых указанных устройств является постепенное механическое и коррозионное разрушение контактируемых металлических поверхностей с последующей потерей герметичности, особенно - при большом числе сочленений (повторных сборок-разборок) с большими моментами затяжки накидной гайки и наличии механических вибраций при эксплуатации.

Известны также соединения иного типа - разъемные соединения с прокладками, в частности, так называемые штуцерные соединения с уплотнительными прокладками, см. , например, [6] и заявку Великобритании 2162607, F 16 L 15/04.

Достоинством их является та же простота конструкции, удобство и возможность повторных сборки и замены прокладок новыми при любом последующем сочленении. Работа с агрессивными средами обеспечивается выбором совместимых материалов конструкции.

К недостаткам этих решений можно отнести следующее. Для сред с особо высокой агрессивностью не всегда легко подобрать материал прокладок, даже из мягкого металла, стойкий в этой среде в течение длительного времени. Как результат - ограничение назначаемого ресурса или постепенная потеря начальной герметичности во времени.

Известны также в технике соединения третьего типа, преимущественно подвижные, способные быть и неподвижными (при нулевой скорости V=0), в которых вместо простых прокладок используются армированные манжетные уплотнения с пружинным подпором [2], с.283, рис.36 "Примеры применения уплотнении".

Они имеют два дополнительных достоинства. Во-первых, пружины при очередном сочленении автоматически восстанавливают и поддерживают плотность прижатия воротников манжет к поверхностям, что особенно важно при вибрациях как и в подвижных системах. И во-вторых, благодаря особой форме, манжеты сами прижимаются с усилием, пропорциональным перепаду давления.

Их недостатки, с точки зрения стойкости к агрессивным средам, аналогичны указанным для соединений с простыми прокладками. Кроме того, усложняются их изготовление (сложная геометрия манжет и распорно-пружинных колец) и экспериментальная отработка. Однако такие соединения используются в весьма ответственных ПГС, в том числе и в авиационно-космической технике.

Соединения трубопроводов перечисленных выше типов - "шар по конусу", с развальцовкой труб, соединения с армированными манжетными уплотнениями - являются аналогами, а разъемные неподвижные штуцерные соединения с кольцевыми прокладками приняты в качестве прототипа изобретения, см. [6], приложение 2, "Штуцерное соединение с уплотнительными металлическими прокладками и закрытым затвором", с. 14, черт. 16 - стяжное с плоской прокладкой.

Штуцерные соединения с уплотнительными прокладками (в том числе металлическими), состоящие из штуцера, сочленяемого с ним наконечника, уплотнения между ними и стягивающей накидной гайки, как уже указывалось выше, обладают тем недостатком, что для работы с агрессивными средами (такими, как гиптил и амилин) выбор стойких материалов ограничен, а использование металлических прокладок в качестве уплотнения, как и соединения "шар по конусу", не гарантируют герметичности в утяжеленных условиях эксплуатации из-за механического и коррозионного разрушения металлического уплотнения, возрастающего при наличии вибраций и ударных нагрузок.

Задачей изобретения является повышение надежности, в частности, герметичности, вибро- и ударостойкости, стойкости в агрессивных средах, прочности и, как следствие, увеличение ресурса при сохранении технологичности конструкции, обеспечивающей неоднократное сочленение (разъемность), замену уплотнения, а следовательно, ремонтопригодность. Причем указанная задача решается в условиях ограничения габаритов, в частности радиальных размеров соединения.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение указанной надежности с обеспечением разъемности и ремонтопригодности, во-первых, путем выполнения уплотнения в виде двух типов уплотнений, во-вторых, путем такого расположения этих уплонений, что обеспечивается их независимая затяжка с перераспределением суммарных усилий, а также разъемностъ и разборность конструкции с возможной заменой уплотнений, в том числе в условиях экслуатации, например, с приваренными к трубам ПГС штуцером и наконечником и, в третьих, путем использования рекомендуемого перечня материалов соединения.

Указанный технический результат достигается тем, что соединение разъемное, содержащее штуцер, сочленяемый наконечник, накидную гайку и уплотнение, выполняется с уплотнением, содержащим уплотнения двух типов, одним из которых является кольцевая металлическая прокладка, другим - многорядное армированное манжетное уплотнение с пружинным подпором, при этом опора манжетного уплотнения выполняется самостоятельной, разборной и вместе с пружинным подпором размещается на наконечнике, обеспечивая независимую от стягивающей накидной гайки штуцера и кольцевой прокладки затяжку манжетного уплотнения, затяжка кольцевой прокладки осуществляется накидной гайкой, а в качестве материалов использованы отожженный алюминий для кольцевой прокладки, фторопласт для манжет и нержавеющие стали для остальных деталей соединения.

Суть изобретения поясняется чертежом, где:
1 - штуцер,
2 - наконечник,
3 - накидная гайка,
4 - кольцевая металлическая прокладка,
5 - многорядное армированное манжетное уплотнение,
6 - манжета,
7 - кольцо армируемое, пружинное,
8 - пружинный подпор,
9 - набор кольцевых пружин,
10 - кольцо с ограничителем вращения,
11 - гайка подпора,
12 - опора разборная манжетного уплотнения,
13 - кольцо опоры,
14 - два опорных полукольца,
15 - паз опоры на наконечнике,
16 - металлическая лента контровки гайки подпора,
17 - металлическая лента контровки накидной гайки.

Конструкция предлагаемого изобретения содержит штуцер (1), сочленяемый с ним наконечник (2), с помощью уплотнения, накидную гайку (3).

Уплотнение выполнено в виде уплотнений двух типов - кольцевой металлической прокладки (4) и многорядного армированного манжетного уплотнения (5).

Многорядное армированное манжетное уплотнение (5) выполнено в виде ряда кольцевых манжет (6), которые армируются, чередуясь с металлическими пружинными кольцами (7), например, тарельчатого типа. Армированное манжетное уплотнение снабжается пружинным подпором (8) и разборной опорой манжетного уплотнения (12) и устанавливается между ними.

В свою очередь, пружинный подпор (8) выполнен из набора кольцевых пружин (9), кольца с ограничителем вращения (10) и гайки подпора (11), которая прижимает многорядное армированное манжетное уплотнение (5) к специальной (индивидуальной) опоре (12) с заданным моментом (усилием). При этом ограничитель вращения кольца (10) выполнен в виде паза (или выступа) и при взаимодействии с ответными элементами наконечника (2) не допускает проворачивание кольца при затяжке гайки подпора (11), а само кольцо (10) сохраняет способность свободно перемещаться в осевом направлении.

Опора (12) выполнена разборной и представлена кольцом опоры (13) и двумя опорными полукольцами (14), закладываемыми в паз наконечника (15) и в расточку кольца (13). Принципиально возможно другое крепление разборной опоры на наконечнике, например с использованием винтовых или резьбовых соединений.

Контровка, гайки подпора (11) и накидной гайки (3) металлическими лентами или проволокой (16) и (17) соответственно выполняется для предотвращения их самоотворачивания и, тем самым, повышения ударо- и вибростойкости соединения.

Выполнение уплотнения в виде двух последовательно установленных типов уплотнений - кольцевой металлической прокладки и манжетного уплотнения - делает конструкцию соединения многобарьерным, повышает его надежность, в частности, повышает уровень герметичности при повышении давления рабочих тел ПГС, при наличии вибро- и ударных нагрузок в процессе эксплуатации и при работе о агрессивными средами.

Размещение опоры (12) и пружинного подпора (8), а следовательно, и самого манжетного уплотнения (5) на наконечнике (2) позволяет получить сборочную независимость манжетной части уплотнения от штуцера (до полной сборки) и иметь в конструкции соединения следующие два позитивных технических результата.

Во-первых, обеспечить возможность многократного сочленения и расчленения наконечника и штуцера (разъемность соединения) без полной разборки манжетной части уплотнения. При этом наконечник вынимается из штуцера вместе с расположенными на нем опорой, манжетным уплотнением и пружинным подпором после небольшого ослабления гайки подпора (11).

Во-вторых, установив при сочленении наконечник в штуцер, выполнить затяжку манжетного уплотнения (5) гайкой подпора (11) независимо от стягивающей накидной гайки, еще до затяжки кольцевой металлической прокладки (4) и всего соединения стягивающей накидной гайкой (3). При этом суммарные усилия затяжки двух типов уплотнений распределяются между гайкой подпора (11) и накидной гайкой (3). Соединение, не испытывая дополнительных внутренних напряжений, связанных с установкой двух уплотнений, оказывается равнопрочным, точно таким, как и соединение-прототип (с одной металлической прокладкой). Это сохраняет прочность конструкции на уровне самых простых по конструкции соединений и, тем самым, также повышает надежность устройства.

Выполнение опоры (12) разборной, во-первых, обеспечивает возможность замены манжетной части уплотнения на наконечнике и делает соединение ремонтопригодным, так как замена простой кольцевой металлической прокладки является всегда выполнимой задачей, как и у соединения-прототипа. Причем разбираемость опоры (12) позволяет выполнять такую замену даже в том случае, если наконечник уже приварен к трубопроводу ПГС, то есть с одной стороны наконечника в условиях эксплуатации. И, во-вторых, - позволяет иметь такую конструкцию соединения, которая обеспечивает и разборность, и замену уплонений без заметного увеличения его радиальных размеров, практически на одном диаметре соединения.

На основе анализа физико-химических свойств совместимости материалов стойкость соединения к средам повышенной агрессивности, например, к таким, как космические рабочие тела гиптил и амилин, достигается, если в качестве материала кольцевой прокладки использовать отожженный алюминий [7] - с. 415-418, [8] - с. 264, для манжет - фторопласт-4 [7] - с.503, 518-519 и нержавеющую сталь для всех остальных элементов конструкции [7,8].

Таким образом, предлагаемая конструкция соединения позволяет повысить надежность, выраженную в повышении уровня герметичности, вибро- и ударостойкости, стойкости в агрессивным средам, и сохранить уровень прочности, технологичности (разбираемости и сочленяемости) и ремонтопригодности, характерный для простейших соединений, а следовательно, и увеличить его ресурс.

Работоспобность подобного разъемного соединения подтверждена экспериментально.

Источники информации
1. П.И. Орлов. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в двух книгах. Под ред. к.т.н. П.Н. Учаева. - М.: Машиностроение, 1988.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах. - М.: Машиностроение, 1992. (Том 3).

3. ГОСТ 16042-70 "Ниппели полусферические приварные для соединении трубопроводов по внутреннему конусу. Конструкция и размеры".

4. ГОСТ 16045-70 "Штуцера приварные для соединений трубопроводов по внутреннему конусу".

5. ГОСТ 16046-70 "Гайки накидные полусферических ниппелей для соединений трубопроводов по внутреннему конусу".

6. ГОСТ 19749-84. Соединения неподвижные разъемные пневмогидросистем. Затворы закрытые. Типы и технические требования.

7. Справочник металлиста. В пяти томах. Том 3. Книга первая. Под ред. проф. В.С. Владиславлева. М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1959.

8. Коррозионная стойкость реакторных материалов. Справочник под ред. В. В. Герасимова. М.: Атомиздат, 1976.