ЗАГЛУШАЮЩЕЕ РЕЗИНОКОРДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1995 года по МПК F16L55/16 

Изобретение относится к резинотехнической и нефтехимической промышленности и может быть использовано в других областях.

Известны заглушающие устройства для нефтепроводов и трубопроводов, содержащие эластичную раздуваемую цилиндрическую оболочку, соединенную по торцам с металлическими щеками, к которым крепятся внутренние штанги, связывающие между собой щеки.

Недостатком указанных конструкций является наличие металлических щек и внутренних штанг, которые существенно увеличивают вес заглушающего устройства, его стоимость и усложняют технологический процесс изготовления. Слабым местом данных устройств является также зона соединения упругой оболочки с металлическими щеками из-за сложности обеспечения высокой надежности и прочности соединения упругой оболочки с металлом.

Известно также заглушающее устройство (уплотнительная подушка) для трубопроводов, содержащее наружную цилиндрическую оболочку, выполненную из армированного нитями прорезиненного материала, и две торцевые стенки из прорезиненного материала, соединенные с оболочкой посредством горячей вулканизации с образованием внутренней камеры. В одной из торцевых стенок имеется трубный штуцер для подвода сжатого воздуха, переходящий внутри камеры в кольцевой диск, соединенный с внутренней торцевой стенкой камеры только в зоне его наружной кромки.

Недостатками этой конструкции являются низкая прочность торцевых стенок, недостаточная прочность и надежность соединения боковых стенок с цилиндрической частью заглушающего устройства, малая надежность соединения штуцера с торцевой стенкой, низкая податливость цилиндрической оболочки при раздутии под действием давления газа, недостаточно высокий коэффициент сцепления по поверхности контакта оболочки с трубой.

Перечисленные недостатки не позволяют эксплуатировать устройство при повышенном внутреннем давлении газа в трубах, имеющих низкий коэффициент трения. Кроме того, указанные недостатки не позволяют эксплуатировать устройство в трубах, диаметр которых превышает диаметр цилиндрической части устройства более чем в 1,5-2 раза.

Целью изобретения является увеличение прочности, долговечности и надежности работы, расширение эксплуатационных возможностей заглушающего устройства.

Поставленная цель достигается тем, что концевые участки расположенных в цилиндрической части слоев нитей корда отогнуты в радиальном направлении и сгруппированы в отдельные, частично перекрывающие друг друга, армирующие торцевые стенки полосы, концы которых заходят за ось вращения устройства, причем полосы, идущие от противоположных концов диаметра, соединены непосредственно внахлест в области оси вращения устройства.

Кроме того, концевая кромка полосы корда, армирующей торцевую часть, расположена под углом 45.85^о к продольной оси полосы.

Армирующие цилиндрическую оболочку нити соседних слоев корда симметрично расположены относительно оси устройства и образуют с осью угол, величина которого лежит в пределах от 2 до 40^о.

Торцевые стенки выполнены по тороидальной поверхности, описанной большим и малым радиусами, причем большой радиус равен разности радиусов внутренней поверхности заглушаемой трубы и диска штуцера.

Резиновая прослойка между кольцевым диском штуцера и внутренней поверхностью торцевой стенки выполнена переменной толщины, увеличивающейся по мере увеличения диаметра.

В зоне контакта с заглушаемой трубой на наружной поверхности цилиндрической части устройства выполнены кольцевые выступы треугольного и полукруглого сечений.

На фиг. 1 показано осевое сечение заглушающего устройства; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 вид по стрелке Б на фиг. 1; на фиг. 4 исходное и рабочее положения заглушающего устройства после подачи в него сжатого воздуха.

Заглушающее устройство содержит армирующие цилиндрическую и торцевые части слои нитей 1, 2 корда, сгруппированные в зоне торцевых частей в полосы 3-10, покровную резину 11, герметизирующую резину 12, штуцер 13 с кольцевым диском 14, соединенным с торцевой стенкой устройства через резиновую прослойку 15. На цилиндрической поверхности имеются кольцевые выступы 16, обеспечивающие дополнительно сцепление устройства с трубой в процессе эксплуатации, а также герметичность.

При работе устройство вводится в заглушаемую трубу 17 через отверстие 18 и там накачивается сжатым воздухом, перекрывая трубопровод, при этом заглушающее устройство переходит из исходного положения 19 в рабочее положение 20. После перехода заглушающего устройства в рабочее положение движение по трубе жидкости 21 прекращается.

Армирование цилиндрической и торцевых частей устройства едиными неразрезанными нитями способствует повышению прочности устройства. Повышению прочности и надежности работы способствует также группирование нитей в полосы, концы которых заходят за ось вращения устройства, и непосредственное соединение (внахлест без промежуточных элементов) нитей, идущих от противоположных концов диаметра. В этом случае резинокордная оболочка деформируется симметрично и в армирующих нитях равномерно распределяются усилия.

Как показывают проведенные расчеты, расположение концевой кромки полосы корда, армирующей торцевую часть, под углом α45.85^о к продольной оси полосы способствует плавному перераспределению нагрузки от давления газа между всеми армирующими нитями, исключает появление зон концентрации напряжений, а следовательно, способствует повышению прочности и долговечности работы устройства. Согласно расчету оптимальная величина угла расположения кромки полосы нитей корда лежит в пределах от 45 до 85^о. При выполнении угла больше 85^о эффект снижения концентрации напряжений значительно уменьшается. Выполнение угла меньше 45^о не рационально, поскольку не дает существенного приращения снижения величины концентрации напряжений в переходной области.

Как следует из теории цилиндрических сетчатых оболочек, для того, чтобы цилиндрическая оболочка при подаче давления увеличивалась в диаметре, угол, составленный нитью корда с осью оболочки, не должен превышать 90^о-35^о20'= 54^о40' (Расчеты на прочность в машиностроении. М. Машиностроение, 1958, т. 2, с. 560). Чем меньше угол, составляемый нитью с осью оболочки, тем легче она увеличивается в диаметре при подаче давления с одновременным сокращением по длине. Легкость увеличения в диаметре определяется величиной давления, которое необходимо для раздутия оболочки до диаметра заглушаемой трубы. В случае, если угол корда β будет превышать 54^о40', оболочка при подаче давления будет уменьшаться в диаметре и увеличиваться в длину. Поэтому для всех заглушающих устройств с цилиндрической оболочкой угол наклона нити корда к оси не должен превышать 54^о40'. Однако из-за противодействия резины при раздувании устройства величина указанного угла должна быть меньше 54^о40'. На основании проведенных расчетов и экспериментальных работ установлено, что оптимальная величина угла, составленная нитью с осью устройства, не должна превышать 40^о.

При выполнении оболочки с углом корда 0^о прочность изделия снижается, поскольку связь между нитями в окружном направлении осуществляется только через резину, обладающую по сравнению с кордом значительно меньшей прочностью. Установлено, что оптимальная величина угла корда не должна быть меньше 2^о.

Торцевая часть устройства является сложной толстостенной резинокордной конструкцией с увеличивающейся при приближении к оси вращения толщиной и количеством слоев нитей корда. При изгибании такой многослойной стенки под действием давления газа нити корда в наружных слоях стенки растягиваются, а во внутренних сжимаются, что приводит к большой неравномерности в натяжении нитей и может вызвать их разрушение. Чтобы избежать неравномерности в натяжении нитей, целесообразно придавать торцевой стенке на стадии изготовления такую форму, какую она будет иметь в процессе эксплуатации при действии давления газа.

Проведенные расчеты показывают, что в данном случае форма торцевой стенки при действии давления газа с достаточной для практических целей степенью точности может быть аппроксимирована тороидальной поверхностью, описанной радиусом, равным разности радиусов заглушаемой трубы и диска штуцера.

Плавное сопряжение цилиндрической и торцевой частей может быть осуществлено вторым (малым) радиусом, величина которого составляет 30-50% величины первого (большого) радиуса.

Поскольку при подаче давления в устройство происходит радиальная деформация его торцевой стенки, в то время как кольцевой диск штуцера не деформируется, то это может привести к отрыву диска от стенки. Для компенсации указанных деформаций между кордными полосами торцов и диском штуцера должна быть введена резиновая прослойка расчетной толщины. При этом, поскольку радиальные деформации стенки у края диска штуцера больше, чем у его внутреннего диаметра, толщина компенсирующей резиновой прослойки должна быть больше у края диска и меньше у его внутреннего диаметра (h₁, h₂ на фиг. 1).

Расчет деформаций торцевой стенки в зоне диска штуцера был произведен на основе МКЭ. В результате расчета установлено, что для используемых на практике заглушающих устройств толщина резиновой прослойки должна составлять у наружного диаметра диска штуцера не менее 3,5 мм, у внутреннего диаметра диска штуцера не менее 2,5 мм.

Предлагаемая конструкция дает экономический эффект за счет расширения эксплуатационных возможностей заглуша- ющего устройства, повышения его долговечности и надежности работы.

Сущность изобретения: концевые участки расположенных в цилиндрической части слоев нитей корда отогнуты в радиальном направлении и сгруппированы в отдельные, частично перекрывающие друг друга, армирующие торцевые стенки полосы, концы которых заходят за ось вращения устройства, причем полосы, идущие от противоположных концов диаметра, соединены непосредственно внахлест в области оси вращения устройства. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ЗАГЛУШАЮЩЕЕ РЕЗИНОКОРДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДОВ, содержащее армированную нитями цилиндрическую оболочку, ограниченную по концам с образованием внутренней камеры двумя армированными торцевыми стенками, причем одна из торцевых стенок снабжена трубным штуцером, переходящим внутри камеры в кольцевой диск, соединенный с внутренней торцевой стенкой камеры через резиновую прослойку, отличающееся тем, что концевые участки расположенных в цилиндрической части слоев нитей корда отогнуты в радиальном направлении и сгруппированы в отдельные, частично перекрывающие одна другую армирующие торцевые стенки полосы, концы которых заходят за ось вращения устройства, причем полосы, идущие от противоположных концов диаметра, соединены непосредственно внахлест в области оси вращения устройства, при этом торцевые стенки выполнены по торообразной поверхности, описанной большим и малым радиусами, причем большой радиус равен разности радиусов внутренней поверхности заглушаемой трубы и диска штуцера. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что концевая кромка полосы корда, амирующей торцевую часть, расположена под углом 45 85^o к продольной оси полосы. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что армирующие цилиндрическую оболочку нити соседних слоев корда симметрично расположены относительно оси устройства и образуют с осью устройства угол, величина которого лежит в пределах 2 40^o. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что резиновая прослойка между кольцевыми диском штуцера и внутренней поверхностью торцевой стенки выполнена переменной толщины, увеличивающейся по мере увеличения диаметра. 5. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что на наружной поверхности цилиндрической части устройства выполнены кольцевые выступы треугольного и полукруглого сечений.