Полибарьерный соединительный узел для металлических трубопроводов

 

Изобретение относится к конструкциям штуцерных неподвижных разъемных соединений для металлических трубопроводов высокого давления пневмогидравлических систем, работающих с высокотекучими, пожаровзрывоопасными и химически активными средами и в зонах с ограниченным или невозможным доступом для обслуживания. Соединительный узел для металлических трубопроводов содержит трубчатый корпус с камерами, соединительное кольцо, стопорное и крепежное приспособления, соосный с корпусом стопорный элемент и уплотнительную прокладку. Уплотнительные прокладки выполнены в виде колец из биметалла с герметизирующим внутренним слоем из металла, аналогичного материалу трубчатого корпуса, и блокирующим слоем из более пластичного и легко деформируемого по сравнению с материалом трубчатого корпуса металла с коэффициентом линейного расширения, максимально приближенным к значению аналогичного коэффициента материала трубчатого корпуса, соединительного кольца и стопорного элемента в диапазоне рабочих температур. Поверхности уплотнения трубчатого корпуса и соединительного кольца снабжены концентрично расположенными кольцевыми камерами трапециевидного сечения. Поверхности камер взаимодействуют с уплотняющими прокладками. Каждая пара камер одного барьера составляет общую камеру формообразования своей уплотняющей прокладки. Объем общей камеры первого барьера равен объему первой уплотняющей прокладки. Объемы общих камер второго и последующих барьеров равны или больше ее объемов соответствующих уплотняющих прокладок. Минимальный диаметр каждой из общих камер соответственно равен минимальному диаметру своей уплотняющей прокладки. Общая длина каждой камеры меньше длины соответствующей уплотняющей прокладки в состоянии до начала деформации при сборке узла и размерах днищ, меньших толщины соответствующей уплотняющей прокладки в состоянии до начала деформации. На поверхности уплотнения трубчатого корпуса введены кольцевые выступы позиционирования уплотняющей прокладки и соединительного кольца, на поверхности уплотнения соединительного кольца введены кольцевые выступы позиционирования уплотняющих прокладок, также введены капиллярные трубчатые выводы контроля герметичности каждого из барьеров уплотнения, заканчивающиеся капиллярными отверстиями, выполненными в каждом из промежутков между камерами. Изобретение обеспечивает требуемую герметичность и коррозионную стойкость соединительного узла, а одновременная деформация внешнего слоя кольца стабилизирует взаимодействие внутреннего кольца биметалла с трубчатым корпусом и соединительным кольцом в условиях внешних механических и температурных воздействий, т.е. обеспечивает необходимую надежность. 3 ил.

Изобретение относится к конструкциям штуцерных неподвижных разъемных соединений для металлических трубопроводов высокого давления пневматических и гидравлических систем транспортных средств и космических аппаратов, работающих с высокотекучими, пожаровзрывоопасными и химически активными средами, в широких пределах рабочих температур и в зонах с ограниченным или невозможным доступом для обслуживания.

Известно штуцерное неподвижное разъемное соединение с плоской металлической прокладкой, представленное отраслевым стандартом ОСТ 92-8497-93, принятое за аналог, в котором герметичность соединения деталей обеспечивается поджатием в замкнутом объеме кольцевой металлической прокладки по ГОСТ 19752 с выдавливанием части материала торцов прокладки в кольцевые канавки соединяемых деталей.

Очевидным недостатком аналога является непрогнозируемая во времени надежность соединения из-за контакта алюминиевой прокладки по ГОСТ 19752 с агрессивной средой трубопровода и значительной разницы коэффициентов линейного расширения соединяемых деталей и прокладки.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству, принятым за прототип является патент США 4586735 МПК F 16 L 19/00.

К недостаткам прототипа следует отнести: принципиальную невозможность обеспечения высокой степени герметичности с помощью уплотнения витой по спирали прокладки, необходимость последующих дополнительных мер по герметизации его соединения с частями трубопровода, невозможность оценки герметичности соединения при контакте прокладки с агрессивной средой внутри трубопровода и в известном диапазоне температурных воздействий.

Техническим эффектом от решения поставленной задачи явилось создание конструкции полибарьерного соединительного узла для металлических трубопроводов, обеспечивающей требуемую герметичность при необходимой надежности в условиях механических и температурных воздействий и стойкость к воздействию транспортируемых трубопроводом продуктов.

Это достигается тем, что в полибарьерном соединительном узле для металлических трубопроводов, содержащем трубчатый корпус и соединительное кольцо с камерами, стопорное и крепежное приспособления, соосный с корпусом стопорный элемент и уплотнительные прокладки, уплотнительные прокладки выполнены в виде колец из биметалла с герметизирующим внутренним слоем из металла, аналогичного материалу трубчатого корпуса, и блокирующим слоем из более пластичного и легко деформируемого по сравнению с материалом трубчатого корпуса металла с коэффициентом линейного расширения, максимально приближенным к значению аналогичного коэффициента материала трубчатого корпуса, соединительного кольца и стопорного элемента в диапазоне рабочих температур, поверхности уплотнения трубчатого корпуса и соединительного кольца снабжены концентрично расположенными кольцевыми камерами трапециевидного сечения, поверхности которых взаимодействуют с уплотняющими прокладками, при этом каждая пара камер одного уровня составляет общую камеру формообразования своей уплотняющей прокладки, объем общей камеры первого барьера равен объему первой уплотняющей прокладки, а объемы общих камер второго и последующих барьеров равны или более объемов соответствующих уплотняющих прокладок, минимальный диаметр каждой из общих камер соответственно равен минимальному диаметру своей уплотняющей прокладки, при общей длине каждой камеры меньшей длины соответствующей уплотняющей прокладки в состоянии до начала деформации при сборке узла и размерах днищ, меньших толщины соответствующей уплотняющей прокладки в состоянии до начала деформации, на поверхности уплотнения трубчатого корпуса введены кольцевые выступы позиционирования уплотняющей прокладки и соединительного кольца, на поверхности уплотнения соединительного кольца введены кольцевые выступы позиционирования уплотняющих прокладок, а также введены капиллярные трубчатые выводы контроля герметичности каждого из барьеров уплотнения, заканчивающиеся капиллярными отверстиями, выполненными в каждом из промежутков между камерами.

Суть предлагаемого решения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3: на фиг.1 приведен общий вид полибарьерного узла соединения с тремя барьерами; на фиг.2 показано положение уплотнительных прокладок полибарьерного узла соединения с тремя барьерами в исходном состоянии; на фиг. 3 отражено изменение формы сечения уплотнительных прокладок в рабочем состоянии.

Прописными буквами обозначены характерные зоны и участки деталей узла: А - герметизирующие слои колен из биметалла, Б - блокирующие слои колец из биметалла, В, В₁, В₂ - конусы камер соединительного кольца, деформирующие слои "А", Г, Г₁, Г₂ - конусы камер трубчатого корпуса, деформирующие слои "А", Д, Д₁, Д₂ - выступы позиционирования уплотнительных прокладок, Е, Е₁, Е₂ - поверхности камер соединительного кольца, деформирующие слои "Б", Ж, Ж₁, Ж₂ - поверхности камер трубчатого корпуса, деформирующие слои "Б", И, И₁, И₂ - днища камер соединительного кольца, K, K₁, K₂ - днища камер трубчатого корпуса, Л - выступ позиционирования соединительного кольца, М - крепежное приспособление, Н - стопорное приспособление, О - капиллярные отверстия контроля герметичности, П - места пережатия капиллярных трубок контроля герметичности.

Предлагаемое устройство содержит: трубчатый корпус 1, соединительное кольцо 2, стопорный элемент 3, уплотнительную прокладку первого барьера 4, уплотнительную прокладку второго барьера 5 и уплотнительную прокладку третьего барьера 6, капиллярные трубки контроля герметичности - 7 и 8.

Обычно детали металлических трубопроводов высокого давления пневмогидравлических систем транспортных средств и космических аппаратов, работающих с высокотекучими, пожаровзрывоопасными и химически активными средами, в широких пределах рабочих температур, выполняются из достаточно прочных нержавеющих сталей типа Х18Н9Т. Поэтому для предотвращения возникновения течей в соединительном узле, связанных с механическими воздействиями и колебаниями температуры, в качестве уплотнительных прокладок предлагаются кольца 4, 5 и 6 из биметалла с герметизирующим внутренним более тонким слоем "А" из металла, аналогичного материалу трубчатого корпуса, например нержавеющей стали типа Х18Н9Т, толщиной от 0,02 до 0,2 мм и блокирующим слоем "Б" из более пластичного и легко деформируемого по сравнению с материалом трубчатого корпуса металла с коэффициентом линейного расширения, максимально приближенным к значению аналогичного коэффициента материала трубчатого корпуса и остальных деталей узла (α_нерж =16,2•10^-6•1/градус), например латуни ЛТ90 (α_лат =17,0•10^-6•1/градус при σ_в =7,0 кг/мм²) или труднее деформируемых, по сравнению с латунью, мельхиора (α_мель =16,0•10^-6•1/градус при σ_в =30,0 кг/мм²) или меди (α_мед =16,7•10^-6•1/гpaдyc при σ_в =22,0 кг/мм²). Выбор материала блокирующего слоя имеет принципиальное значение. Необходимо, чтобы составляющая деформации формообразующих элементов камер трубчатого корпуса 1 и соединительного кольца 2 при температурных воздействиях, вызываемая разницей значений коэффициентов линейного расширения блокирующего слоя кольца из биметалла и трубчатого корпуса 1, не превышала пределов упругой деформации корпусных деталей. Для сравнения: у аналога, использующего прокладку из алюминия (α_ал =22,9•10^-6•1/градус при σ_в =9,0 кг/мм²), разница значений коэффициентов линейного расширения прокладки и основного материала узла равна 6,7•10^-6•1/градус вместо 0,8•10^-6•1 /градус - в предлагаемом решении. Это означает, что прокладка аналога при воздействии плюсовых температур будет увеличивать свои линейные размеры в 8.4 раза и больше деформироваться, а при отрицательных - уменьшать, но уже не от состояния затяжки, а от поджатия при воздействии плюсовых температур, увеличивая тем самым вероятность появления течи.

Интенсивность течи при прочих равных условиях зависит от разницы давлений внутри и снаружи трубопровода, поэтому введением в предлагаемом решении системы барьеров среда приема течи выносится за последний барьер, что принципиально снижает вероятность ее появления.

Очевидно, что основная нагрузка рабочей средой трубопровода приходится на первый барьер, поэтому уплотнительные прокладки из биметалла последующих барьеров могут быть исполнены с меньшими длиной и толщинами слоев, что с лихвой компенсирует влияние вынужденного увеличения их диаметров. Введение капиллярных отверстий в промежутках между барьерами обеспечивает возможность контроля герметичности каждого барьера и позволяет уменьшить межбарьерное пространство и размеры узла.

В предлагаемом решении герметизирующий слой изменяет свои линейные размеры совершенно одинаково с основными деталями соединения при допустимых колебаниях усилий поджатия блокирующего слоя биметалла. Толщина герметизирующего слоя определяется удобством технологии изготовления: для трубопроводов малого сечения - более тонкие защитные слои, для больших сечений - потолще. Герметизирующий слой уплотнительной прокладки из биметалла выполняет две функции: непосредственно герметизирует находящийся под ним стык соединения трубчатого корпуса 1 и соединительного кольца 2, обеспечивая его стабильность при возможных температурных воздействиях, будучи изготовленным из одинакового с ними материала, и защищает блокирующий слой от воздействия продукта, находящегося в трубопроводе. Герметизация соединительного узла достигается взаимодействием поверхностей кольцевых камер трапециевидного сечения трубчатого корпуса 1 и соединительного кольца 2 с уплотняющими прокладками 4, 5, 6 при встречном движении трубчатого корпуса 1 и соединительного кольца 2 от заворачивания стопорного элемента 3 до упора. Максимальная надежность соединения первого барьера достигается при равенстве объемов уплотняющей прокладки 4 и общей камеры ее формообразования, образованной соединением камер трапециевидного сечения первого барьера трубчатого корпуса 1 и соединительного кольца 2, когда поверхности уплотнения трубчатого корпуса и соединительного кольца, смыкаясь, освобождают уплотняющую прокладку 4 от внешних механических воздействий, а максимальная деформация уплотняющей прокладки обеспечивает наилучшее уплотнение соединительного узла. Для второго и последующего барьеров равенство объемов уплотняющей прокладки и общей камеры ее формообразования становится избыточным как функционально, так и технологически, поэтому достаточно лишь частичное заполнение общих камер материалом соответствующей прокладки, что позволяет выполнить внешние поверхности камер цилиндрическими при выполнении прочих оговоренных соотношений. Равенство минимальных диаметров камер формообразования ⊘d₁, ⊘d₃, ⊘d₅ минимальным диаметрам ⊘d₂, ⊘d₄, ⊘d₆ уплотняющих прокладок 4, 5, 6 и наличие выступов их позиционирования "Д", "Д₁", "Д₂" упрощают сборку и способствуют сохранению надежности герметизирующих деформируемых слоев "А" биметалла. Уменьшение толщины герметизирующих слоев биметалла снижает необходимое для поджатая уплотняющих прокладок 4, 5, 6 усилие, т.е. позволяет уменьшить массу соединительного узла. Превышение длины l₂, l₄, l₆ толщины t₂, t₄, t₆, уплотняющих прокладок 4, 5, 6 в состоянии до начала деформации по сравнению с длиной l₁, l₃, l₅ размеров днищ t₁, t₃, t₅ камер формообразования обеспечивает максимальное поджатие герметизирующих слоев "А" материалом блокирующих слоев "Б" посредством формообразующих поверхностей "B", B₁", "B₂", "Г", "Г₁", "Г₂", "Е", "Е₁", "Е₂" и "Ж", "Ж₁", "Ж₂" у днищ "И", "И₁", "И₂" и "K", "K₁", "K₂" с минимальным усилием при сборке узла. Кольцевой выступ "Л" трубчатого корпуса 1 для позиционирования соединительного кольца 2 повышает точность совмещения осей трубчатого корпуса 1 и соединительного кольца 2 по сравнению с точностью крепежного приспособления "М", способствуя обеспечению надежности герметизирующих слоев "А" биметалла уплотняющих прокладок.

Устройство работает следующим образом: трубчатый корпус 1 и соединительное кольцо 2 при поджатии стопорным элементом 3 взаимодействуют конусами поверхностей уплотнения камер с уплотняющими прокладками 4, 5, 6 из биметалла, герметизируя межбарьерные зоны узла. Деформация герметизирующих слоев колец из биметалла, вызываемая встречным поступательным движением конусов камер трубчатого корпуса 1 и соединительного кольца 2 при наворачивании стопорного элемента 3 до упора обеспечивает требуемую герметичность всех барьеров соединительного узла, а одновременная деформация блокирующих слоев колец из биметалла, выполненных из значительно более пластичного и легко деформируемого металла, стабилизирует взаимодействие герметизирующих внутренних слоев колец из биметалла с трубчатым корпусом 1 и соединительным кольцом 2 в условиях внешних механических и температурных воздействий, т.е. обеспечивается необходимая надежность и коррозионная стойкость. Герметичность всех барьеров контролируется известными методами при использовании капиллярных трубок 7 и 8, которые впоследствии глушатся пережатием в местах "П" и заваркой или запайкой.

Таким образом, совокупность новых признаков предложенного решения полибарьерного соединительного узла металлических трубопроводов позволила достигнуть нового технического результата: создана конструкция полибарьерного соединительного узла для металлических трубопроводов, обеспечивающая требуемую герметичность при необходимой надежности в условиях внешних механических и температурных воздействий и стойкость к воздействию транспортируемых продуктов в течение оговоренного периода.

Формула изобретения

Полибарьерный соединительный узел для металлических трубопроводов, преимущественно для транспортных средств и космических аппаратов, содержащий трубчатый корпус и соединительное колесо с камерами, стопорное и крепежное приспособления, соосный с корпусом стопорный элемент и уплотнительные прокладки, отличающийся тем, что уплотнительные прокладки выполнены в виде колец из биметалла с герметизирующим внутренним слоем из металла, аналогичного материалу трубчатого корпуса, и блокирующим слоем из более пластичного и легко деформируемого по сравнению с материалом трубчатого корпуса металла с коэффициентом линейного расширения, максимально приближенным к значению аналогичного коэффициента материала трубчатого корпуса, соединительного кольца и стопорного элемента в диапазоне рабочих температур, поверхности уплотнения трубчатого корпуса и соединительного кольца снабжены концентрично расположенными кольцевыми камерами трапециевидного сечения, поверхности которых взаимодействуют с уплотняющими прокладками, при этом каждая пара камер одного барьера составляет общую камеру формообразования своей уплотняющей прокладки, при этом объем общей камеры первого барьера равен объему первой уплотняющей прокладки, а объемы общих камер второго и последующих барьеров равны или более объемов соответствующих уплотняющих прокладок, минимальный диаметр каждой из общих камер соответственно равен минимальному диаметру своей уплотняющей прокладки, при общей длине каждой камеры, меньшей длины соответствующей уплотняющей прокладки в состоянии до начала деформации при сборке узла и размерах днищ, меньших толщины соответствующей уплотняющей прокладки в состоянии до начала деформации, на поверхности уплотнения трубчатого корпуса введены кольцевые выступы позиционирования уплотняющей прокладки и соединительного кольца, на поверхности уплотнения соединительного кольца введены кольцевые выступы позиционирования уплотняющих прокладок, а также введены капиллярные трубчатые выводы контроля герметичности каждого из барьеров уплотнения, заканчивающиеся капиллярными отверстиями, выполненными в каждом из промежутков между камерами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3