Труба из волокнистого композиционного материала с металлическими концевыми патрубками, способ изготовления и устройство для его осуществления

 

Использование: трубный став для добычи железо-марганцевых конкреций с больших глубин. Применение стали в качестве материала труб приводит к переутяжению става и возможности его обрыва в процессе эксплуатации. Предлагается соединение трубы из стеклопластика с патрубками из металла посредством конического резьбового соединения, способ и устройство для его осуществления. Сущность изобретения: предложен особый профиль резьбы в виде прямолинейного участка и поднутрения, в котором расположен изогнутый по конической спирали стержень с завернутыми вокруг него на 180^o послойно волокнами материала трубы. Патрубки вматывают в трубу только попарно, предварительно совмещая точки схода их резьбы на технологической оснастке, на которую они надеваются по одной образующей. Ходовой винт с участками правой и левой резьбы и ее шагом, равным шагу резьбы патрубков, перемещает правую и левую каретки от середины в стороны, обеспечивая регулярную структуру выполняемого соединения. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в конструкции судовых, магистральных нефтяных и газовых трубопроводов; мачтах-антеннах, опорах и стойках, консольно прикрепленных к основанию, высоковольтных выключателях и т.п.

Особую ценность она может представлять при изготовлении труб, испытывающих, в основном, осевые растягивающие нагрузки, например в трубном ставе для добычи железо-марганцевых конкреций и системах направленного бурения нефтяных и газовых скважин. Для большинства из перечисленных изделий по условиям эксплуатации, связанным с необходимостью частого соединения и разъединения таких труб, включения в трубопроводы различных фитингов и насосных агрегатов, наиболее предпочтительным является присоединение труб друг к другу с помощью металлических патрубков, прочно соединенных с трубой из волокнистого композиционного материала (ПКМ).

Известно достаточно много решений по присоединению к трубе из ПКМ металлических фланцев и патрубков. Наиболее близки к предлагаемой конструкции соединения, способ его выполнения и устройство для осуществления способа, принятые в качестве прототипов [1-3] Целью изобретения является устранение недостатков прототипных решений, расширение возможностей и значительное увеличение прочности и надежности соединения трубы из ПКМ с металлическими патрубками в условиях преимущественной работы конструкции на растяжение.

Цель достигается тем, что в известной по прототипу трубе резьба на патрубках выполнена разного направления с профилем в виде прямолинейного участка со скругленным поднутрением, в котором расположен изогнутый по конической спирали стержень с завернутыми вокруг него на 180^o послойно волокнами композиционного материала трубы с шагом в радиальном направлении, равным толщине слоя завернутых волокон.

Кроме того, величина поднутрения выполнена размером не менее суммы размеров диаметра стержня и половины толщины слоя волокнистого материала, завернутого вокруг него; сначала на технологической оснастке-оправке раскрепляют правый и левый металлические патрубки с расположением точек схода резьбы на одной образующей, а затем наматывают стержни в резьбовые поднутрения патрубков одновременно с волокнистым композиционным материалом трубы; устройство снабжено специальными раскладчиками, связанными с подвижными каретками, которые соединены с ходовым винтом, на одной части которого выполнена правая, а на другой левая резьба.

Перечисленная совокупность общих и частных существенных отличительных признаков группы изобретений обеспечивает достижение цели изобретения.

Наличие у патрубков конической резьбы разных направлений позволяет в процессе намотки трубы за одну операцию (т.е. более быстро) присоединить ее к патрубкам так, что укладка стержней и слоев волокнистого материала происходит по резьбе снизу вверх одновременно.

Прямолинейный участок профиля позволяет сделать переход металла в композит достаточно плавным и избежать пика напряжений на границе их сопряжения при эксплуатации трубы на изгиб; поднутрение вместе с изогнутым по спирали стержнем с завернутыми вокруг него на 180^o волокнами композиционного материала помогает образовать надежный замок, из которого продольные волокна не могут вырваться, т.к. для этого потребовалось бы разорвать стержень и расположенные сверху слои материала трубы.

Принятый шаг расположения витков стержня в радиальном направлении, равный толщине слоя завернутых волокон, позволяет сгладить поднутрение после этого заполнения стержнем вровень с прямолинейным участком профиля резьбы и тем самым сделать структуру материала в районе соединения более упорядоченной.

Предварительное расположение точек входа резьбы на том и другом патрубках на одной образующей трубы (или ее технологической оснастке) позволяет упростить операцию одновременной замотки патрубков; замотка же одновременно со стержнем слоев волокнистого материала как раз и позволяет образовать замок в поднутрениях, который придает необходимую прочность на разрыв всему соединению.

Наличие у ходового винта двух участков резьбы разных направлений обеспечивает перемещение в разные стороны при вращении ходового винта в одну сторону двух кареток одновременно и с шагом, равным шагу резьбы на патрубках, а следовательно, точное и одновременное формирование соединения того и другого патрубка с трубой.

На фиг. 1 изображены общий вид трубы с патрубками и узел их соединения; на фиг. 2 узел l на фиг. 1; на фиг. 3 устройство для выполнения предложенных соединения и способа.

Соединение включает в себя металлические патрубки 1 и 2 с конической резьбой 3 на своей наружной поверхности, по которой они соединены с трубой 4 из волокнистого слоистого композиционного материала. Соединение может быть как разъемным, так и неразъемным в последнем случае на границе композита и металла расположен слой адгезива (не показан). Коническая резьба 3 имеет профиль в виде прямолинейного отрезка 5 и поднутрения 6. Волокнистый материал 10, заворачиваясь вокруг стержня 9, заключенного в поднутрении 6, образует надежный замок, обеспечивающий прочное соединение композита трубы и металлического патрубка при работе конструкции на растягивающие и изгибающие нагрузки. Шаг резьбы 7 в осевом направлении постоянный и определяется расчетом; шаг резьбы 8 в радиальном направлении также постоянный и равен толщине завернутого стержня вокруг волокнистого материала 10.

Одним из вариантов реализации предложенной конструкции соединения является применение, например, стеклянной ткани, в которой уточные нити охватывают на кромках пучок нитей основы. В таком случае пучок этих нитей основы, заполняя при намотке поднутрения 6 после полимеризации связующего, и образует стержень 9, изогнутый по конической спирали.

По второму варианту стеклянная ткань или лента расположены на резьбе патрубков со сложенной кромкой в каждом слое, в складке 11 которой и находится предварительно изготовленный стержень 9. В этом случае верхняя часть складки 11 прижата сверху нижней частью верхнего слоя волокнистого материала.

Трубу и соединение ее с патрубками выполняют следующим образом.

На технологической оправке 12 (фиг. 2) по концам раскрепляют патрубки 1 и 2 таким образом, чтобы точки сбега резьбы на их поверхностях расположились на одной образующей. Рулоны 13 волокнистого материала размещают с некоторым перекроем на неподвижных 14 и подвижных 15, 16 каретках. Последние устанавливают так, чтобы кромка материала правая на правой каретке и левая - на левой и заключенный в ней стержень 9 находились в точках схода резьбы (по поднутрениям). При включении механизма 17 вращения оправки он поворачивает одновременно ходовой винт 18, имеющий на одной своей части левую, а на другой правую резьбу с тем же шагом, что и патрубки. Вращение ходового винта приводит к перемещению кареток 15 и 16 в разные стороны, как показано стрелками 19, а вращение оправки к сматыванию материала с рулонов 13, как показано стрелками 20. Со специальных раскладчиков 21 сматываются стержни 9, перемещаясь вдоль оси оправки вместе с каретками 15 и 16. При этом ширина перекроев 22 будет сохраняться постоянной, а перекроев 23 меняться, оставаясь больше некоторой минимальной величины.

По окончании намотки композиционный материал стенки трубы подвергают термообработке, после чего готовую трубу снимают с правки.

При приложении к патрубку растягивающего усилия волокна материала стремятся растянуть и вырвать стержень 9 из поднутрений 6. Благодаря высокой прочности стержня (до 200 кгс/мм²) и регулярности удерживания им всех волокон слоистого материала обеспечивается надежная передача усилия от патрубка к трубе.

Формула изобретения

1. Труба из волокнистого композиционного материала с металлическими концевыми патрубками, соединенными с ней посредством конической резьбы, отличающаяся тем, что резьба на патрубках выполнена разного направления с профилем в виде прямолинейного участка со скругленным поднутрением, в котором расположен изогнутый по конической спирали стержень с завернутыми вокруг него на 180^o послойно волокнами композиционного материала трубы и шагом в радиальном направлении, равным толщине слоя завернутых волокон.

2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что величина поднутрения выполнена не менее суммы размеров диаметра стержня и половины толщины слоя волокнистого материала, завернутого вокруг него.

3. Способ изготовления трубы из волокнистого композиционного материала с металлическими концевыми патрубками, включающий операции намотки слоев волокнистого материала трубы и между ними намотки по винтовой линии стекложгута с последующим отверждением в материале связующего и присоединения к концам трубы посредством конической резьбы металлических патрубков, отличающийся тем, что сначала на технологической оснастке-оправке раскрепляют правый и левый патрубки с расположением точек схода резьбы на одной образующей, а затем наматывают стержни в резьбовые поднутрения патрубков одновременно с волокнистым композиционным материалом трубы.

4. Устройство для изготовления трубы из волокнистого композиционного материала с металлическими концевыми патрубками, содержащее механизм подачи волокнистого материала в виде подвижных и неподвижных кареток, сменную оправку и ходовой винт, соединенные с приводом вращения, отличающееся тем, что оно снабжено специальными раскладчиками, связанными с подвижными каретками, которые соединены с ходовым винтом, на одной части которого выполнена правая, а на другой левая резьба.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3