СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ Российский патент 1994 года по МПК F16L13/14 

Изобретение относится к машиностроению а именно к неразъемным соединениям трубопроводов, и может быть использовано при строительстве магистральных трубопроводов в нефтяной и газовой промышленности.

Известен способ неразъемного соединения металлических труб, включающий герметизацию стыка труб (насадку труб на герметизирующую цилиндрическую втулку с кольцеобразным фланцем), насадку на трубы с внешней стороны обжимной цилиндрической муфты, последующее воздействие на муфту деформирующей силы, достаточной для ее холодной пластической деформации вместе с трубой (патент Великобритании N 2117854, кл. F 16 L 58/18, опублик. 1983).

Воздействие на муфту деформирующей силы осуществляют без перемещения точек приложения силы вдоль оси трубы; муфта "поджимается" к трубе по окружностям с обеих сторон от стыка.

Однако этот способ не обеспечивает достаточной герметичности соединения при давлениях газа в газопроводе свыше 50 атм.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемым результатам является способ соединения металлических труб, включающий установку на стык труб герметизирующего элемента, насадку на трубы с внешней стороны обжимной цилиндрической муфты, имеющей на наружной поверхности проточку, последующее воздействие на муфту деформирующей силы, направленной под углом к ее поверхности и достаточной для ее холодной пластической деформации вместе с трубой, причем точки приложения силы перемещают по этой поверхности от торцов муфты по направлению к стыку труб, редуцируя поверхность муфты до придания ей цилиндрической формы.

Обжимная цилиндрическая муфта состоит из двух частей, которые надевают на каждую из труб раздельно. В качестве герметизирующего элемента используют цилиндрическую втулку с кольцеобразным фланцем, на которую насаживают трубы. При редуцировании внешней поверхности муфты точку приложения силы перемещают от одного торца муфты к другому, причем другой торец совпадает с торцом трубы (стыком труб). Такую операцию проводят дважды для каждой из двух соединяющих труб (Патент СССР N 1386041, кл. F 16 L 13/14, 1983).

Однако такой способ является достаточно сложным, требуя применения двух пресс-шайб, с помощью которых к поверхности обжимных муфт прикладывают деформирующую силу, а также использования двух обжимных муфт, имеющих сложную конфигурацию проточки на внешней поверхности. Кроме того, на наружной поверхности герметизирующей втулки необходимо также выполнить проточки соответственно форме проточек обжимной муфты.

Указанный способ не позволяет обеспечить необходимую герметичность соединения при давлении свыше 50 атм.

Целью изобретения является упрощение способа и повышение герметичности соединения труб.

Цель достигается тем, что в способе соединения металлических труб, включающем установку на стык труб герметизирующего элемента, насадку на трубы с внешней стороны обжимной цилиндрической муфты, имеющей на наружной поверхности проточку, последующее воздействие на муфту деформирующей силы, направленной под углом к ее поверхности и достаточной для ее холодной пластической деформации вместе с трубой, причем точки приложения силы перемещают по этой поверхности от торцов муфты по направлению к стыку труб, редуцируя поверхность муфты до придания ей цилиндрической формы, при установке герметизирующего элемента между трубами оставляют зазор, в качестве муфты используют муфту с кольцевой трапециевидной проточкой и данную муфту устанавливают на стык труб, располагая скосы трапециевидной проточки по разные стороны от стыка, в качестве герметизирующего элемента используют цилиндрическую прокладку и помещают ее между соединяемыми трубами и муфтой, а точку приложения силы перемещают от каждого из двух торцов муфты до точки, расположенной над торцом охватываемой муфтой трубы или между торцами труб.

Предпочтительно деформирующую силу направляют под углом 70-84^о к наружной поверхности обжимной муфты.

При воздействии на муфту деформирующей силы муфту желательно фиксировать усилием, действующим на муфту со стороны торца, противоположного редуцируемому. Способ поясняется фиг.1-5.

Герметизирующий элемент 3 у изображен на фиг.1. В качестве герметизирующего элемента может быть использована прокладка из полиэтилена, других нехрупких пластмасс.

Соединяемые трубы 4 должны иметь одинаковые диаметры. В противном случае на внутренней поверхности обжимной муфты выполняют компенсирующую проточку.

Соединяемые трубы могут быть изготовлены из любого металла, применяемого для этой цели.

Сечение обжимной цилиндрической муфты 2 изображено на фиг.1. Термин "цилиндрическая" означает, что ее внутренняя поверхность имеет в общем случае форму поверхности цилиндра. В указанных выше случаях на этой поверхности могут быть выполнены необходимые проточки.

Так как муфту устанавливают на трубы с герметизирующей прокладкой на стыке, внутренний диаметр муфты должен обеспечить свободное выполнение этой операции. Желательный размеp разницы между суммой наружного диаметра труб и толщиной прокладки, с одной стороны, и внутреннего диаметра муфты, с другой стороны, составляет 2,0-3,0 мм.

Термин "кольцевая трапециевидная проточка" означает, что сечение указанной проточки плоскостью, проходящей через ось обжимной муфты, представляет собой трапецию. Угол при большем основании этой трапеции предпочтительно составляет 6-20^о и является углом, дополняющим до 90^о угол, указанный в п.2 формулы изобретения. Большее основание указанной трапеции удалено от оси муфты на большее расстояние, чем меньшее основание, и параллельно оси муфты.

Воздействие на муфту деформирующей силы, направленной под углом к ее поверхности, может быть обеспечено, например, круглой пресс-шайбой 1(8).

В процессе перемещения указанных пресс-шайб по наружной поверхности обжимной муфты пресс-шайба вызывает холодную пластическую деформацию последней и соответствующую деформацию трубы. При этом при перемещении пресс-шайбы от каждого из двух торцов муфты до точки, расположенной над торцом охватываемой муфтой трубы или между торцами труб, внешняя поверхность муфты редуцируется и принимает форму поверхности цилиндра, а внутренняя поверхность и труба изменяют свою форму, как показано на фиг.2 и 3.

Материал обжимной муфты имеет пластичность не ниже пластичности материала трубы.

Перед редуцированием внешней поверхности обжимной муфты ее устанавливают на стык труб, располагая скосы трапециевидной проточки по разные стороны от стыка, как показано на фиг.1.

При редуцировании внешней поверхности обжимной муфты последнюю желательно удерживать упором 7 (если движется пресс-шайба 8) или 5 (если движется пресс-шайба 1). В процессе редуцирования трубы 4 можно фиксировать зажимами 6 и 9.

Перед установкой герметизирующего элемента между трубами оставляют зазор. Минимальная величина зазора (фиг.5) может быть рассчитана по следующей методике:
Δ_min = l ˙ ε, где l - длина редуцируемого конца трубы;
ε- радиальная составляющая деформации стенки трубы при редуцировании с растяжением.

Оптимальная величина зазора превышает минимальную величину на 2-7 мм.

Выполнение условия "... до точки, расположенной над торцом охватываемой муфты трубы или между торцами труб" проверяют следующим образом. Через точку приложения силы проводят прямую, перпендикулярную оси трубы. Если данная прямая проходит через торец трубы или область стыка труб (зазор), это условие выполнено.

Положительный эффект предложенного способа объясняется следующим.

При воздействии на муфту деформирующей силы (движение пресс-шайбы 8) между муфтой и соединяемой трубой образуется замок 10. При выполнении этой операции муфту фиксируют упором 7, а упор 5 и зажим трубы 6 убирают. После образования замка 10 при редуцировании последующих участков муфты конец соединяемой трубы находится в состоянии растяжения, в то время как часть муфты, расположенная между упором 7 и пресс-шайбой 8, - в состоянии сжатия. Данное деформированное состояние является наиболее благоприятным для образования натяга между трубой и муфтой. После прохождения пресс-шайбой точки А, расположенной над торцом трубы, труба из состояния растяжения будет стремитьcя вернуться в исходное состояние, в результате чего возникает сила, прижимающая наружную поверхность трубы к внутренней поверхности муфты на участке ВС. Это способствует увеличению герметизации соединения между муфтой и трубой на этом участке.

Действие пресс-шайбы 8 прекращают (ее убирают) после достижения ею точки D.

Затем аналогичную операцию осуществляют с помощью пресс-шайбы 1, упора 5 и зажима 6. Упор 7 и зажим 9 убирают. При этом достигают возникновения силы, прижимающей наружную поверхность другой трубы к внутренней поверхности муфты.

Кроме того, продольное остаточное напряжение, возникающее в трубе после ее редуцирования, вызывает дополнительный эффект, прижимающий торцы трубы к герметизирующей прокладке. В результате этого в зонах 11 и 12 возникает дополнительная герметизация.

Необходимость оставления зазора между трубами перед установкой герметизирующего элемента объясняется тем, что в процессе редуцирования концов труб 4 происходит их удлинение.

Выполнение данных приемов обеспечивает надежную герметизацию стыка труб. Трубы выдерживают давление газа и жидкости до 250-280 атм., в то время как трубы по известному соединению - не более 50 атм.

Кроме того, предложенный способ более простой, чем известный, так как требует применения только одной обжимной муфты с простой формой проточки. Таким образом, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "положительный эффект".

Предложенный способ отличается тем, что в качестве муфты используют муфту с кольцевой трапециевидной проточкой, и данную муфту устанавливают на стык труб, располагая скосы трапециевидной проточки по разные стороны от стыка, в качестве герметизирующего элемента используют цилиндрическую прокладку и помещают ее между соединяемыми трубами и муфтой, а точки приложения силы перемещают от каждого из двух торцов муфты до точки, расположенной над торцом охватываемой муфтой трубы или между торцами труб.

Таким образом, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретение "новизна".

Использование обжимной цилиндрической муфты с кольцевой трапециевидной проточкой на ее наружной поверхности для обеспечения указанной выше цели при условии расположения скосов проточки по разные стороны от стыка и последующем редуцировании поверхности муфты не описано в патентной и научно-технической ли- тературе. Таким образом, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "существенные отличия".

Изобретение иллюстрируется следующими примерами .

П р и м е р 1. Две стальные трубы 4, изготовленные из стали 20, устанавливают в специальном приспособлении так, что их оси совпадают, и зазор между трубами составляет 8 мм. Одновременно на стык труб насаживают цилиндрическую герметизирующую прокладку 3 из полиэтилена толщиной 2 мм, а также обжимную цилиндрическую муфту 2 из стали 20. Муфту подпирают упором 7, а трубу фиксируют зажимом 9. После этого производят редуцирование поверхности муфты пресс-шайбой 8, которую с помощью гидравлического механизма перемещают вдоль оси труб в направлении точки D. Угол α составляет 75^о. После достижения пресс-шайбой точки D ее убирают. Убирают также упор 7 и фиксатор 9, подводят упор 5, а другую трубу фиксируют фиксатором 6. После этого производят редуцирование поверхности муфты с помощью пресс-шайбы 1, перемещая ее от торца муфты до точки D. После достижения пресс-шайбой точки D ее убирают.

Трубы подвергают испытанию на герметичность. Соединение выдерживает давление 280 атм.

Конкретные размеры деталей указаны на фиг. 4.

П р и м е р 2. Соединение труб производят по примеру 1, однако угол составляет 70^о. Трубы подвергают испытанию на герметичность. Соединение выдерживает давление 250 атм.

П р и м е р 3. Соединение труб производят по примеру 1, однако угол составляет 84^о. Трубы подвергают испытанию. Соединение выдерживает давление 250 атм.

П р и м е р 4 (сравнительный). Производят соединение труб по способу-прототипу. Трубы подвергают испытанию. Соединение выдерживает давление 50 атм.

Таким образом, предложенный способ позволяет упростить соединение металлических труб и повысить герметичность соединения.

Использование: для неразъемного соединения металлических труб. Сущность изобретения: способ включает установку на стык труб герметизирующего элемента в виде цилиндрической прокладки, насадку на трубы с внешней стороны обжимной муфты с кольцевой проточкой с сечением в виде трапеции на наружной поверхности, редуцирование труб и муфты производят от каждого из двух торцов муфты к ее середине. Редуцирующую силу направляют под углом 70 - 84° к ее наружной поверхности. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ, включающий установку на стык труб герметизирующего элемента, насадку на трубы с внешней стороны обжимной цилиндрической муфты с проточкой на наружной поверхности, последующее редуцирование труб и муфты до придания внешней поверхности муфты цилиндрической формы, отличающийся тем, что при установке герметизирующего элемента между трубами оставляют зазор, проточку на муфте выполняют кольцевой с сечением в виде трапеции, в качестве герметизирующего элемента используют цилиндрическую прокладку и помещают ее между соединяемыми трубами и муфтой, а редуцирование производят от каждого из двух торцов муфты к ее середине. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что редуцирование осуществляют, направляя редуцирующую силу под углом 70 - 84^o к наружной поверхности обжимной муфты. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при редуцировании муфты ее фиксируют со стороны торца, противоположного редуцируемому.