Шарнирное соединение труб

 

Изобретение относится к быстроразъемным шарнирным соединениям, допускающим значительную угловую подвижность труб относительно друг друга, и может быть использовано при сооружении линий трубопроводов в нефтяной и газовой промышленности. Шарнирное соединение труб содержит раструб, в котором выполнен паз, в котором установлено уплотнение, и дополнительный паз, в котором установлены эластичная прокладка (например, из микропористой резины) и стальной запорный элемент в виде разрезного кольца. Шаровой элемент имеет сферическую поверхность большого радиуса, равного радиусу внутренней поверхности манжеты, выполненной в виде кольца с наружным криволинейным выступом, и концентричную ей сферическую поверхность малого радиуса, контактирующую с уплотнением, выполненным в виде самоуплотняющегося резинового кольца. Резиновое кольцо в сечении имеет форму ласточкина хвоста. Предложенная конструкция обеспечивает прочное и герметичное соединение труб. 1 ил.

Изобретение относится к быстроразъемным шарнирным соединениям, допускающим значительную угловую подвижность труб относительно друг друга, и может быть использовано при сооружении линий трубопроводов в нефтяной и газовой промышленности.

Известно соединение труб, содержащее манжету и раструб с разрезным запорным кольцом, размещенным с зазором в пазу с эластичной прокладкой. Однако это соединение труб имеет малую угловую подвижность (1,5...2,0^o), которая при определенных условиях эксплуатации трубопровода в результате возникающих предельных напряжений, обусловленных высокими степенями нагружения основных конструктивных элементов, может вызывать его разрушение [1].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, является шарнирное соединение труб, содержащее раструб, в котором выполнен паз, уплотнение, установленное в пазу, шаровой элемент, имеющий сферическую поверхность радиуса (R), равного радиусу внутренней поверхности манжеты, выполненной в виде кольца с наружным криволинейным выступом, запорный элемент, выполненный в виде разрезного кольца [2].

Недостатком этого технического решения является то, что его конструкция не в полной мере обеспечивает прочность и герметичность при внешнем и внутреннем силовом нагружении, что снижает надежность линии трубопровода в целом.

Технический результат изобретения - повышение прочности и герметичности соединения труб за счет уменьшения сил давления жидкости на его уплотнительных поверхностях и в сферической опоре с одновременным увеличением угловой подвижности труб в соединении.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном шарнирном соединении труб, содержащем раструб, в котором выполнен паз, уплотнение, установленное в пазу, шаровой элемент, имеющий сферическую поверхность большого радиуса, равного радиусу внутренней поверхности манжеты, выполненной в виде кольца с наружным криволинейным выступом, запорный элемент, выполненный в виде разрезного кольца, согласно изобретению в раструбе выполнен дополнительный паз, в котором установлены эластичная прокладка и стальной запорный элемент, шаровой элемент дополнительно снабжен концентричной сферической поверхностью малого радиуса, контактирующей с уплотнением, выполненным в виде самоуплотняющегося резинового кольца.

На чертеже представлено шарнирное (бисферическое) соединение труб.

Шарнирное (бисферическое) соединение труб включает выполненные на трубах 1 и 2 соответственно раструб 3 и шаровой элемент 4. В раструбе 3 выполнен дополнительный паз (без поз.), в котором размещены эластичная прокладка 5 (например, из микропористой резины) и разрезное запорное кольцо 6. На шаровой элемент 4, имеющий две концентричные сферические поверхности с различными радиусами (R и r), установлена манжета 7, выполненная в виде кольца с наружным криволинейным выступом и внутренней сферической поверхностью радиусом, равным большему радиусу R шарового элемента 4. Труба 2 с шаровым элементом 4 и манжетой 7 введена в раструб 3 и зафиксирована в нем при помощи разрезного запорного кольца 6. В месте контакта с шаровым элементом 4 по поверхности малого радиуса (r) в раструбе 3 имеется паз, в котором установлено уплотнение, выполненное в виде самоуплотняющегося резинового кольца 8. Резиновое кольцо 8 в сечении имеет форму "ласточкина хвоста".

Сущность изобретения заключается в том, что: в раструбе выполнен дополнительный паз с установленными в нем эластичной прокладкой 5 и стальным запорным элементом 6. Этим достигается возможность удержания соединения в сборе и его прочность; шаровой элемент 4 имеет две концентричные сферические поверхности с разными радиусами (R и r) и представляет собой бисферу. Этим достигается эффект свободного поворота шарового элемента 4 внутри раструба 3 на заданный угол; манжета 7 выполнена в виде кольца с наружным криволинейным выступом и внутренней поверхностью радиусом, равным большему радиусу R сферической поверхности шарового элемента 4. Этим достигается возможность удержания соединения в сборе и эффект свободного поворота шарового элемента 4 внутри манжеты 7 по ее сферической поверхности на угол до 20^o; раструб 3 в месте контакта с шаровым элементом 4 по сферической поверхности малого радиуса (r) оснащен пазом, в котором размещено уплотнение 8, выполненное в виде самоуплотняющегося резинового кольца. Этим достигается герметичность соединения труб.

Шарнирное (бисферическое) соединение труб работает следующим образом.

При стыковке труб 1 и 2 шаровой элемент 4, обжатый по поверхности радиуса R манжетой 7, вводится в раструб 3. При движении в осевом направлении внутри раструба 3 манжета 7, толкаемая специальным монтажным ключом, разжимает разрезное запорное кольцо 6, утапливая его в полость размещения эластичной прокладки 5 в раструбе 3. При дальнейшем перемещении манжеты 7 в раструбе 3 ее криволинейный выступ проходит разрезное запорное кольцо 6, которое под действием накопленных сил упругой деформации, выходя из полости размещения эластичной прокладки 5 в раструбе 3, стремится принять первоначальную форму за криволинейным выступом, препятствуя перемещению манжеты 7 в обратном направлении, и таким образом замыкает соединение.

Сфера малого радиуса r шарового элемента занимает позицию под резиновым кольцом 8, которое обжимает эту сферу.

Преимущество заявляемого соединения перед известным выявлено в сравнении величин осевых продольных сил от внутреннего давления жидкости (перекачиваемого продукта), действующих в области уплотнения 8. Силы определяются по известным формулам F₁ = πR²P, (1) F₂ = πr²P, (2) где F₁ - величина осевых продольных сил от внутреннего давления жидкости в соединении-аналоге; F₂ - величина осевых продольных сил от внутреннего давления жидкости в предлагаемом соединении; R и r - радиусы сферических поверхностей шарового элемента 4;
Р - внутреннее давление продукта в трубопроводе.

Из анализа состояний нагружения видно, что F₁>F₂. Очевидно, что запас прочности у предлагаемого соединения труб больше.

Герметичность шарового (бисферического) соединения зависит от контактного давления на уплотняемой поверхности сферы малого радиуса. Конструкция уплотнения 8 (в виде "ласточкина хвоста") при увеличении рабочего давления внутри трубопровода до Р_р=6,0 МПа создает эффект самоуплотнения, что обеспечивает необходимую герметичность соединения в целом.

Предельный угол относительного поворота труб в заявляемом соединении составляет ψ_ПР=20,0^o.

Предлагаемое соединение труб легко реализуемо, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование, приспособления и материалы широко распространенной технологии изготовления соединений труб, применяемых при сооружении линий трубопроводов в нефтяной и газовой промышленности.

Применение изобретения позволит увеличить прочность, герметичность и угловую подвижность шарнирного соединения труб, что снизит потери перекачиваемого продукта и повысит надежность трубопровода в целом.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 265635, кл. F 16 L 37/08, 1969.

2. Патент GB 2021226 А, кл. F 16 L 27/06, опубл. 28.11.1979 - прототип.

Формула изобретения

Шарнирное соединение труб, содержащее раструб, в котором выполнен паз, уплотнение, установленное в пазу, шаровой элемент, имеющий сферическую поверхность большого радиуса, равного радиусу внутренней поверхности манжеты, выполненной в виде кольца с наружным криволинейным выступом, запорный элемент, выполненный в виде разрезного кольца, отличающееся тем, что в раструбе выполнен дополнительный паз, в котором установлены эластичная прокладка и стальной запорный элемент, шаровой элемент дополнительно снабжен концентричной сферической поверхностью малого радиуса, контактирующей с уплотнением, выполненным в виде самоуплотняющегося резинового кольца.

РИСУНКИ

Рисунок 1