Результат интеллектуальной деятельности: Линейный элемент сборно-разборного трубопровода

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта, в частности к сборно-разборным трубопроводам с раструбным соединением.

Для перекачки нефтепродуктов на большие расстояния и нефти с месторождений в труднодоступных районах, а также для перекачки нефтепродуктов на полевых складах горючего используются полевые магистральные и складские сборно-разборные трубопроводы диаметром 100, 150 и 200 мм. Линейные элементы и трубопроводное оборудование этих трубопроводов имеют раструбное соединение, обеспечивающее как механизированную (трубомонтажными машинами), так и ручную (с помощью специального инструмента) сборку и ручную (с помощью специального инструмента) разборку трубопроводов.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и взятым за прототип является линейный элемент металлического сборно-разборного трубопровода, содержащий центральную часть, выполненную из трубы, и концевые части, выполненные одна в виде раструба, а другая в виде конуса. На внутренней поверхности раструба выполнены заходная фаска и две последовательно расположенные канавки, в первой из которых расположены микропористая резиновая прокладка со стопорным пружинным кольцом, а во второй - резиновая уплотнительная манжета, а на конце наружной поверхности раструба, ближайшем к трубе, выполнен прямоугольный выступ. На наружной поверхности конуса выполнены заходный участок и впадина, имеющая со стороны заходного участка вогнутую радиусную поверхность для контакта со стопорным кольцом раструба при сборке трубопровода, а заканчивается впадина прямоугольным выступом (патент RU №41505 - прототип).

Недостатком указанного линейного элемента металлического сборно-разборного трубопровода является то, что при наличии угловой подвижности раструбного соединения (1,5°-2,0°), а также изгибающего момента и осевой растягивающей нагрузки стопорное пружинное кольцо не полностью контактирует как с вогнутой радиусной поверхностью впадины на наружной поверхности конуса, так и с поверхностью первой канавки раструба, что приводит к появлению сил, разжимающих пружинное кольцо и к расстыковке раструбного соединения, что особенно характерно для линейных элементов с диаметром трубы более 150 мм. Для разборки стыка линейных элементов требуется достаточно сложный инструмент, который должен подхватить стопорное кольцо, разжать его и сдвинуть линейный элемент. Но, все-таки, основным недостатком данного линейного элемента является большой вес из-за того, что конфигурация его стыка практически не реализуется в исполнении из композиционных неметаллических материалов, так как при нагружении растягивающей силой в элементах стыковочного узла возникают приводящие к расслаиванию материала значительные изгибающие моменты, обусловленные значительной в радиальном направлении нерабочей глубиной канавок под разжимное стопорное кольцо (не менее 1,5 толщины стопорного кольца).

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков конструкции, то есть уменьшение веса за счет обеспечения возможности изготовления линейного элемента из композиционных неметаллических материалов, повышение надежности за счет исключения несанкционированной расстыковки раструбного соединения и упрощение процесса разборки стыка линейных элементов.

При последующем описании приняты следующие условности:

1. Раструб - часть линейного элемента, охватывающая снаружи ответную часть соседнего стыкуемого линейного элемента.

2. Конус - часть линейного элемента, охватываемая снаружи раструбом соседнего стыкуемого линейного элемента, при этом конус включает в себя не только коническую заходную часть, но и цилиндрический участок, охваченный раструбом.

3. В дальнейшем описании подразумевается выполнение линейного элемента из композиционного неметаллического материала как наиболее перспективное, хотя предлагаемое ниже техническое решение хорошо реализуется также и в металлическом, и в комбинированном металло-композитном исполнении.

Технический результат достигается тем, что в линейном элементе сборно-разборного трубопровода, содержащем трубу, один торец которой выполнен в виде конуса, имеющего на наружной поверхности кольцевую канавку, а другой торец - в виде раструба, имеющего на внутренней поверхности заходную фаску и две последовательно расположенные кольцевые канавки, из которых во второй от торца канавке установлено эластичное уплотнительное кольцо, а в первой от торца канавке раструба устанавливают фиксирующее разрезное коническое кольцо. Коническое кольцо представляет из себя часть конической оболочки, имеет один продольный разрез на всю ширину кольца и равнорасположенные продольные вырезы от торца малого диаметра, не доходящие до второго торца. Большой диаметр конического кольца совпадает с диаметром первой кольцевой канавки раструба трубы, а малый диаметр конического кольца меньше диаметра цилиндрического участка конуса трубы. Естественно, что с целью уменьшения люфтов в стыке линейных элементов ширина канавки раструба, в которой установлено коническое кольцо, выполнена соответствующей длине образующей конического кольца с минимальным зазором. Расположение канавок выполнено таким образом, что в состыкованном состоянии положение дальней от торца боковой стенки первой кольцевой канавки раструба трубы и ближней к торцу боковой стенки кольцевой канавки конуса трубы совпадает, при этом в процессе стыковки конус стыкуемого линейного элемента раздвигает «лепестки» конического кольца в канавку раструба, а в окончательно состыкованном положении «лепестки» конического кольца под действием упругой силы опускаются в канавку конуса и, упираясь в ее боковую стенку, запирают стык.

Для того чтобы коническое кольцо не выходило из канавки раструба в процессе стыковки, то есть для исключения заклинивания, наружный диаметр внешней поверхности конического кольца на его малом торце выполняется больше внутреннего диаметра раструба трубы в районе канавки.

Чтобы сохранить практически одинаковый уровень контактных напряжений на торцах конического кольца и боковых стенках канавок раструба и конуса, в которые оно упирается, продольные вырезы на кольце выполняют переменной ширины, расширяющимися от малого диаметра к большому диаметру конического кольца. Кроме этого, такая конфигурация позволяет снизить усилия, необходимые при сборке и разборке стыка линейных элементов.

Для обеспечения разборки стыка линейных элементов необходимо отжать «лепестки» конического кольца в канавку раструба, выведя их из зацепления с боковой стенкой канавки конуса ответного линейного элемента. Учитывая небольшой угол конического кольца (угол полураствора конуса по конструктивной проработке меньше 10°), для этого достаточно вдвинуть в зазор между раструбом и конусом состыкованных линейных элементов достаточно тонкое кольцо (на практике - два состыкованных полукольца), охватывающее наружный диаметр конуса линейного элемента, которое, дойдя до упора в «лепестки» конического кольца, отожмет их наружу. При этом, при наличии на инструменте разборки уступа, упирающегося в конце хода в торец раструба, стык линейных элементов полностью разбирается.

В результате, предлагаемое техническое решение за счет упрощения конфигурации стыка линейных элементов, исключения нерабочей глубины канавок под фиксирующее кольцо и, соответственно, снижения действующих напряжений позволяет изготавливать линейные элементы из композиционных материалов с соответствующим значительным снижением массы и упрощает процесс сборки - разборки трубопровода. В то же время при любых деформациях стыка линейных элементов в пределах зазоров между конусом и раструбом отсутствуют силы, которые могли бы вывести коническое фиксирующее кольцо из канавок конуса и раструба.

На фиг. 1 показан общий вид линейного элемента сборно-разборного трубопровода. На фиг. 2 показан стык двух линейных элементов в собранном состоянии. На фиг. 3 показана разборка стыка линейных элементов. На фиг. 4 показаны варианты исполнения конического фиксирующего кольца.

Линейный элемент сборно-разборного трубопровода (фиг. 1) содержит трубу 1, на концах которой сформированы раструб 2 и конус 3. На внутренней поверхности раструба имеется заходная фаска 4 и две последовательно расположенные кольцевые канавки 5, 6, из которых в первой от торца канавке 5 установлено разрезное коническое фиксирующее кольцо 7, а во второй от торца канавке 6 установлено эластичное уплотнительное кольцо 8. Конус 3 включает в себя заходную коническую часть 9 и охватываемую в состыкованном состоянии раструбом цилиндрическую часть 10. На наружной поверхности цилиндрической части 10 конуса 3 выполнена кольцевая канавка 11, в которую в состыкованном состоянии заходит разрезное коническое фиксирующее кольцо 7. Коническое фиксирующее кольцо 7 представляет из себя часть конической оболочки, имеет один продольный разрез на всю ширину кольца и равнорасположенные продольные вырезы 12 от торца 13 малого диаметра, не доходящие до второго торца 14. Продольный разрез на всю ширину кольца выполняют для того, чтобы кольцо можно было завести в канавку раструба за счет упругой деформации. Чтобы коническое кольцо не выходило из канавки раструба в процессе стыковки, то есть для исключения заклинивания, наружный диаметр d₁ внешней поверхности конического кольца на его малом торце выполняется больше внутреннего диаметра D₁ раструба трубы в районе канавки, а для обеспечения фиксации линейных элементов в состыкованном состоянии внутренний диаметр d₂ конического кольца на его малом торце выполняется меньше наружного диаметра D₂ цилиндрической части 10 конуса 3.

При стыковке линейных элементов конус 3 входит в раструб 2 ответного линейного элемента (фиг. 2), при этом «лепестки» - участки конического кольца 7 между продольными вырезами - за счет упругого изгиба приподнимаются в канавку раструба и при прохождении через цилиндрический участок занимают положение 15. При совпадении боковой стенки 16 канавки 5 раструба и боковой стенки 17 канавки 11 конуса «лепестки» конического кольца 7 под действием упругих сил опускаются в канавку 11 конуса и фиксируют стык линейных элементов, занимая под действием давления в трубопроводе положение, показанное на фиг. 2.

Для разборки стыка линейных элементов необходимо с помощью инструмента разборки вывести «лепестки» конического кольца из упора в боковую стенку канавки конуса, подняв их в канавку раструба (фиг. 3). Для этого в зазор между раструбом и цилиндрической поверхностью конуса вводится инструмент разборки 18, выполненный, например, в виде двух жестких полуколец, охватывающих цилиндрическую поверхность конуса, которые при упоре в «лепестки» конического кольца раздвигают их в канавку раструба. Для обеспечения заведения инструмента разборки необходимо обеспечить соответствующий зазор между внутренней поверхностью раструба и цилиндрической поверхностью конуса, для этого внутренний диаметр раструба на участке от заходной фаски до первой кольцевой канавки D₃ должен быть больше наружного диаметра конуса линейного элемента D₄ на соответствующем участке как минимум на удвоенную толщину полукольца инструмента разборки. Если на инструменте разборки выполнить выступ 19, упирающийся на конечном участке (когда «лепестки» конического кольца утоплены в канавку раструба) в торец раструба, то этим же инструментом за одно движение раструб линейного элемента будет сдвинут с конуса соседнего элемента, то есть стык будет разобран. Для упора инструмента разборки на трубе линейного элемента может быть выполнен дополнительный выступ 20.

Наиболее противоречивым с точки зрения предъявляемых требований является коническое разрезное фиксирующее кольцо (фиг. 4). Оно должно обеспечивать минимальные контактные напряжения при упоре в стенки канавок состыкованных линейных элементов, так как при изготовлении линейного элемента из композиционного материала допустимые контактные напряжения будут определяться прочностью на сжатие (к сожалению, весьма невысокой) связующего - полимерной смолы. Если на торце 14 большого диаметра минимальные контактные напряжения обеспечиваются опорой по всей поверхности торца, то на торце 13 малого диаметра выполнение продольных вырезов 12 значительно уменьшает площадь контакта. Уменьшение ширины продольных вырезов с целью увеличения площади контакта приведет к резкому возрастанию изгибной жесткости конического кольца и, соответственно, к увеличению усилий, необходимых для сборки (и разборки) стыка линейных элементов, вплоть до неприемлемых. Разрешается это противоречие следующим образом: продольные вырезы 12 выполняются переменной ширины. У торца 13 малого диаметра ширина b продольного выреза - минимальная, а дальше в сторону торца 14 ширина выреза увеличивается, при этом минимальная ширина b₁ «лепестков» конического кольца будет определяться практически прочностью материала конического кольца на сжатие. Учитывая, что коническое кольцо работает в основном на сжатие, а также его многоцикловое (при сборке - разборке до двухсот и более циклов) нагружение, его целесообразно изготавливать из металла даже для трубопроводов из композиционного материала. При этом его с целью снижения избыточной жесткости целесообразно выполнить переменной толщины, уменьшающейся от торца 14 большого диаметра к торцу 13 малого диаметра, а с целью снижения контактных напряжений у торца малого диаметра на наружной поверхности выполнить кольцевой выступ 21, наружный диаметр которого d₁ больше внутреннего диаметра D₁ раструба.

Таким образом, предлагаемая конструкция линейного элемента сборно-разборного трубопровода обеспечивает возможность изготовления его из композиционных материалов с соответствующим значительным снижением массы, упрощает процесс сборки - разборки трубопровода и, соответственно, позволяет уменьшить количественный состав расчета для проведения работ и повысить их производительность.