ГЕРМЕТИЧНОЕ УСТРОЙСТВО В СБОРЕ ДЛЯ БЛОКИРОВОЧНОГО ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБЫ С РАСТРУБОМ И ТРУБЫ С УЗКИМ КОНЦОМ Российский патент 1996 года по МПК F16L19/00 

Изобретение относится к трубопроводному арматуростроению.

Из патента Франции N 1490680 известно герметичное устройство в сборе, снабженное вставками, а также телескопическое замковое устройство рассматриваемого типа. По этому известному патенту каждая вставка с фиксированным и слабым наклоном относительно оси такого устройства или же с регулируемым в малом диапазоне наклоном посредством отверстия в муфтовом конце трубы крепится за кольцевой воротничок, выполненный на тонком конце трубы. В соответствии со способом осуществления этого известного устройства каждая вставка выполнена в виде штифта, ввинченного в гайку, утопленную в устройстве с целью регулировки полезной длины названного штифта на случай, когда сочленяемые трубы большого диаметра соединены не строго соосно.

Вследствие малого наклона названных вставок, требующего опоры на конце трубы с раструбом посредством кольцевой канавки, а также с учетом малого диапазона углового отклонения названных вставок, допуски по диаметру этих концов труб при таком их сочленении тоже малы.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение крепления каждой вставки на раструбном конце трубы без необходимости выполнять на нем кольцевую канавку и без изменения длины вставки для обеспечения эффективного надежного крепления при максимальных допусках по диаметру на этом конце.

Эта задача решается тем, что в герметичном устройстве в сборе для блокировочного телескопического соединения трубы с раструбом и трубы с узким концом, содержащим опорное тело с кольцевой пятой из эластичного материала и несколько вставок из материала с большой жесткостью, утопленных в кольцевой пяте под углом к оси соединения, согласно изобретению, каждая вставка выполнена в виде удлиненного корпуса с широкой головкой с одной стороны, расположенной в кольцевой пяте и носиком в виде протуберанца с другой, расположенным вне опорного тела.

Целесообразно корпус каждой вставки выполнить имеющим прямоугольное поперечное сечение и изогнутый профиль.

Для облегчения изменения угла отклонения вставок желательно головку каждой вставки, утопленную в кольцевой пяте, полностью покрыть эластичным материалом опорного тела.

Возможно кольцевую пяту выполнить с косой кольцевой кромкой, направленной к оси соединения по крайней мере до минимального внутреннего диаметра опорного тела, при этом кольцевая кромка образует вместе с опорным телом внутреннее горло, внутрь которого каждая вставка выступает своим носиком и частью удлиненного корпуса.

Предпочтительно, чтобы при этом косая кольцевая кромка пяты была наклонена к оси соединения под тем же углом, что и вставки.

Благодаря возможности углового отклонения относительно оси устройства каждая утопленная в нем вставка может согласовываться с изменениями диаметра конца трубы с раструбом, именуемыми также допусками на диаметр, т.е. с переменным кольцевым зазором между имеющим раструб концом и тонким концом сочленяемых труб с целью оптимального арочного крепления. Таким образом, достаточно лишь оптимизировать длину вставки в зависимости от допуска на диаметр, чтобы обеспечить надежное крепление концов труб друг относительно друга.

Для обеспечения минимального кольцевого зазора между концами сочлененных труб названная вставка имеет меньшую длину, а для обеспечения большого кольцевого зазора она имеет большую длину. Это достигается благодаря оптимальному наклону вставки, поворачивающейся вокруг воображаемой первой оси вращения относительно конца трубы с раструбом для первого набора допусков и вокруг второй воображаемой оси для второго набора допусков.

Прочие характеристики и преимущества каждого устройства иллюстрируются нижеследующим описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает частичный вертикальный разрез предлагаемого устройства; фиг.2 - частичный вид на данное устройство по стрелкам 2 2 на фиг.1; фиг.3 вставку в вертикальной проекции и увеличенном масштабе по сравнению с фиг.1 и 2; фиг.4 и 5 вертикальные сечения (в уменьшенном масштабе по сравнению с фиг.1 и 2) обоих концов сечения труб и самого устройства по данному изобретению - соответственно до и после сочленения труб; фиг.6, 7 и 8 частичные вертикальные сечения, в крупном масштабе, иллюстрирующие различные положения вставки для различных кольцевых зазоров между концами труб; фиг.9 эпюру для различных углов наклона конца вставки в зависимости от величины кольцевого зазора, а также график изменения положения точек контакта вставки с концом трубы различного диаметра и значения тангенсов углов для каждого наклона вставки.

В примере исполнения по фиг.1 данное устройство включает в себя кольцевой опорный элемент 1 из эластомерного материала и эластомерный кольцевой подпятник 2. Элементы 1 и 2 разделены внешней кольцевой канавкой 3 и внутренней кольцевой канавкой 4. Канавка 4 ограничена со стороны элемента 2 внутренней кромкой 5 кольца, установленной под углом к оси Х Х устройства. Малоразмерная гибкая кромка 5 выполнена скошенной и сходится к оси Х Х до величины минимального внутреннего диаметра элемента 1.

Устройство по данному изобретению содержит несколько вставок 6 из высокотвердого литого материала, например, из металлического сплава или керамики. Вставки 6 равномерно разнесены по внешней окружности данного устройства. Каждая из них содержит корпус прямоугольного поперечного сечения, имеющий изогнутый профиль, с большой головкой 7 почти прямоугольного сечения, и удлиненный элемент 8, образующий два тупых угла "а" и "а1" отклонения относительно головки 7. Каждая головка 7 и значительная часть удлиненного элемента 8 закреплены в кольцевой канавке и покрыты эластичным материалом подпятника 2. Носик 9 и часть элемента 8 выдаются в сторону оси Х Х относительно внутренней кольцевой канавки 4.

Канавка 4 снабжена косым фланцем, со стороны элемента 1, и косым фланцем, образуемым кромкой 5. Между вставкой 6 и каждым из этих фланцев выполнены два кольцевых промежутка 10 и 11.

Предложенное устройство со вставками 6 предназначено для установки между сочленяемыми концами труб Т1 и T2 (фиг.4 и 5) например, из чугуна с шаровидным графитом. Одна из сочленяемых труб Т1, со стыковочным раструбом 12, содержит последовательно в осевом направлении от основания ко входу раструба 12 цилиндрическую полость 13 для отклонения конца другой трубы Т2, кольцевой упор 14, выступающий внутрь полости 13, кольцевую полость 15 для подпятника 2, а также входной бортик 16 кольцевой конфигурации, ограничивающий полость 15, с внутренним диаметром значительно меньшим, чем диаметр упора 14. Бортик 16 ограничивает полость 15 скругленной поверхностью 17.

Вторая труба Т2 на своем цилиндрическом тонком конце 18 выполнена с допусками по диаметру, соответствующими максимальному наружному диаметру d₂, среднему наружному диаметру d₃ и минимальному наружному диаметру d₄. Трубы с диаметрами d₃ и d₄ обозначены позициями Т3 и Т4 соответственно на фиг.5.

Для монтажа трубы Т1 и Т2 (фиг.4) совмещают и устанавливают соосно по оси Х Х. Устройство по данному изобретению вводят в раструб 12 на конце трубы Т1, при этом элемент 1 входит в полость 13, а подпятник 2 располагается в кольцевой полости 15; ось совпадает с осями труб Т1 и Т2.

Затем тонкий конец трубы Т2 вводят через устройство по данному изобретению с отводом сначала кромки 5, которая прилегает с определенным прижимным усилием к внешней поверхности тонкого конца 18. Как только последний пересекает края вставок 6, они отходят вследствие кольцевого отклонения в кольцевой промежуток 10 к элементу 1. Ввод тонкого конца продолжают до тех пор, пока его наружный край не достигнет стенки, ограничивающей полость 13. Затем конец 18 отводят аксиально назад таким образом, чтобы обеспечить обратный ход вставок 6. Последние изменяют свой наклон к оси Х Х посредством обратного углового отвода и незначительной амплитуды в промежуток 11, навстречу кольцевой кромке 5. С момента этого обратного хода носики 9 вставок 6 входят в зацепление с наружной поверхностью тонкого конца 18 и оказывают значительное препятствие его дальнейшему обратному перемещению в осевом направлении. Блокировка телескопического крепления труб Т1 и Т2 тем самым завершается.

Ниже рассмотрено действие предложенного устройства в зависимости от допусков на диаметры труб.

После вышеназванных угловых отклонений при сочленении труб Т1 и Т2 каждая вставка 6 получает опору и разные наклоны в зависимости от диаметров d₂, d₃ или d₄ (фиг.6, 7,8).

Для минимального диаметра d₄, который дает максимальный кольцевой зазор j₄ между концом 18 и стенкой, ограничивающей полость 15 раструба 12, носик 9 соприкасается с концом 18 в некоторой точке К, а головка 7 опирается на стенку, ограничивающую полость 15 лишь в одной точке С, Медиана наклона вставки 6, совпадающая с направлением силы F реакции вставки 6 против тонкого конца 18, проходит в этом случае через воображаемую ось вращения R2. Именно при выполнении этого условия имеет место наибольший наклон вставки 6 к оси Х Х, и фиксация концов труб еще хорошая.

В случае максимального диаметра d₂, который дает минимальный концевой зазор j₂ между концом 18 и стенкой полости 15 носик 9 соприкасается с концом 18 в некоторой точке D зацепления, при этом головка 7 опирается на стенку полости 15 в двух точках А и В.

Пересечением перпендикуляров в этих двух точках А и В задается некоторая воображаемая ось R1, более удаленная от поверхности бортика 16, чем ось R2 и отрезок прямой, соединяющий ее с точкой D определяет направление силы реакции F. Именно в этом случае имеет место наименьший наклон вставки к оси Х Х, чем обеспечивается надежная фиксация тонкого конца 18 трубы.

Между этими экстремальными вариантами возможен средний характеристический диаметр d₃, дающий средний кольцевой зазор j₃ между концом 18 и стенкой полости 15, причем носик 9 соприкасается с концом 18 в некоторой точке Н, а головка 7 опирается одновременно на скругленную поверхность 17, входной бортик 16, и на стенку камеры 15. В этом случае наклон вставки 6 имеет среднюю величину между значениями в двух вышерассмотренных случаях.

Как можно видеть из фиг.6 и 7, эта переходная точка задана величиной угла "а2" между линией, соединяющей ось R и конец носика 9, и верхней поверхностью головки 7.

По этим трем случаям можно видеть, что для обеспечения оптимальной блокировки состыкованных концов труб величина угла реакции "х", равного углу между направлением силы реакции F с перпендикуляром к образующей конца 18 в точке D, Н или К, должна иметь определенные пределы как функция необходимой силы блокировки, материала труб Т1 и Т2 и состояния поверхности этих труб.

Для обеспечения блокировки тонкого конца 18 трубы Т2 относительно расширенного конца 12 трубы Т1 необходимо, чтобы вставка 6, опирающаяся своей головкой 7 на стенку полости 15 воздействовала с силой реакции F на конец 18. Сила F направлена по отрезку прямой, соединяющей точку зацепа носика 9 на тонком конце 18 с воображаемой осью вращения R1 и R2.

Сила реакции F составляет угол "х" с перпендикуляром к образующей конца 18 в точке D, Н или К.

В случае увеличенного угла "х" составляющая сила F, параллельная оси Х - Х, преобладает относительно составляющей, перпендикулярной к оси Х Х; теоретически это повышает надежность блокировки концов труб. Однако во всяком случае для обеспечения эффективного зацепа носика 9 с внешней поверхностью тонкого конца 18 необходимо, чтобы угол "х" направления реакции F не превышал определенного максимального предела, сверху которого вставка 6 уже не зацепляется за внешнюю поверхность конца 18 и лишь скользит по ней.

И, наоборот, при малой величине угла "х" горизонтальная составляющая сила F становится ничтожно малой по сравнению с ее составляющей, перпендикулярной к оси тонкого конца; следовательно, если в этом случае носик 9 эффективно входит в поверхность конца 18, то сила F не может существенно противостоять давлению трубы Т2 относительно трубы Т1 по оси Х Х и потому не оказывает сопротивления обратному движению.

На фиг.9 буквами М и D обозначены другие точки соприкосновения носика 9 с внешней поверхностью конца 18 для диаметров, соответственно больших d₃ и меньших d₄. Теоретически оси R1 (в случае двух опор А и В головки 7) и R2 (в случае только одной ее опоры в точке С) являются зонами, в которых расположены центры вращения вставки 6 во время углового отклонения при отходе блокировки конца 18. Лучи вращения соединяющие R1 и R2 с различными точками соприкосновения носика 9 с концом 18, в D, Н, К, М и служат опорой для сил F на вставку 6.

Кривая Z соединяет различные точки соприкосновения D, Н, К, М и L носика 9 с внешней поверхностью конца 18, диаметр которой изменяется в зависимости от технологических допусков.

Кривая "у" иллюстрирует изменения тангенса угла "х" (tgx) в зависимости от допуска на диаметра конца 18, т.е. от величины кольцевого зазора j₂, j₃ и j₄. Эта кривая показывает два резких изменения направления в точках S1 и S2, расположенных вблизи диаметра d₃. Надо отметить в этой связи, что tgx не следует приравнивать к коэффициенту трения.

Таким образом, как только кольцевой зазор уменьшается, т.е. при увеличении диаметра конца 18, tgx и, следовательно, значение "х" возрастает до точки S2. Это справедливо для величин диаметра, проходящих через точку S1, и диаметра d₂, соответствующего минимальному зазору j₂. Однако между точками S2 и S1 имеет место уменьшение tgx. Это соответствует некоторой промежуточной фазе, в которой вставка 6 уже не имеет единственной точки соприкосновения С с внутренней поверхностью тонкого конца трубы, но еще не имеет точки опоры А на входной бортик 16 и точки опоры В на стенку полости 15. В этой промежуточной фазе вставка 6, уже имеющая точку опоры В на стенку, ограничивающую полость 15, еще имеет точку опоры А на скругленную поверхность 17. В этом случае перпендикуляр в точке А соприкосновения не параллелен перпендикулярам к входному бортику 16; этим смещается положение оси и, следовательно, угла "х" силы реакции. Этот случай иллюстрируется на фиг.7.

На фиг. 9 образующая тонкого конца 18 трубы отградуирована в значениях tgx в интервале от 0,4 до 1. Проекция каждой точки кривой "у" на такую образующую дает значение tgx, из которого можно вывести значение "х" для диаметра тонкого конца 18, проходящего через соответствующую точку кривой "у".

Например, для точек D, М и К кривая "у" дает значения tgx соответственно большие 1 (при х 46^o), его значения между 0,7 и 0,8 (при х 37^o) и между 0,5 и 0,6 (при х 29^o.

Для сравнения прерывистой линией показаны лучи вращения вставки известного типа по вышеназванному патенту фракции N 1490680, и точки Н, Q и Н названной вставки на тонких концах труб различного диаметра.

На лучах вращения, проходящих через единственную ось R2, поскольку имеется лишь одна точка соприкосновения между вставкой и раструбом, обозначены силы реакции V, оказываемой тонким концом на вставку. Кривая Z1 соединяет точки L, Q и Н. Прерывистая кривая "у 1" тоже дает значения tgx этого решения. Можно видеть также, что возможности углового отклонения вставки по названному патенту Франции 14900680 ограничены по сравнению со вставкой 6 по предложенному изобретению, равно как и допуски на диаметры, менее приемлемые в случае уже известной вставки по сравнению с изобретением по данной заявке. Это улучшение обусловлено переходом оси R2 к положению оси R1 вблизи диаметра d₃. Это улучшение по сравнению с достигнутым уровнем техники можно объяснить наличием точки В соприкосновения стенки, ограничивающей полость 15 со стыковочным раструбом, это делает целесообразным нанесением покрытия на вставку 6 на тонком конце трубы для облегчения сцепления, несмотря на малый диаметр, на малый зазор и потому на малый наклон вставки 6 к оси Х Х.

Вставки 6 увеличивают сопротивление предлагаемого устройства ползучести и препятствуют его выталкиванию по направлению к внешней стороне раструба 12 в случае, если жидкость в стыкованных трубах проходит под большим давлением. Вставки 6 улучшают сцепление кольца пяты 2 со стенками, ограничивающими полость 15. Благодаря углу а1 поверхность головки 7 вставки 6 практически перпендикулярна к оси Х Х и параллельна этой поверхности на уровне упора 14 раструба 12.

Благодаря наклону по оси Х Х в свободном состоянии (фиг.1 и 4) и вследствие гибкости наклона или углового смещения, в результате несжимаемости эластичной массы элемента 1, а также благодаря гибкой кромке 5 вставки 6 оказывают слабое сопротивление входу тонкого конца, облегчают его осевой вход в раструб 12 трубы Т1 (фиг.4), а также его легкий отход по оси до оптимального угла наклона системы блокировки.

Зона зацепления носиков 9 вставок 6 на конце 18 посредством кромки 5 защищена от воздействия внешней жидкой среды (фиг.5); кромка 5 полностью закрывает вход раструба 12.

Вследствие изменения топологии опорного соприкосновения вставки 6 со стенками, ограничивающими полость 15 (фиг.6 8), т.е. благодаря возможности прохода от точки С к двум точкам А и В, а также в результате обусловленного этим изменения положения оси R1 и R2, в зависимости от наружного диаметра d₂, d₃ и d₄ тонкого конца 18 трубы Т2 угол "х" реакции изменяется вокруг некоторой оптимальной величины, чем обеспечивается эффективное закрепление для широкого диапазона допусков на диаметры конца 18 d₂ d₄.

Благодаря изменению положения опор головки 7 на стенках полости 15 (фиг. 6 8) и обусловленному этим изменению теоретических осей R1 и R2, вставка 6 при малых кольцевых зазорах (j₂) ведет себя как вставка малой длины и с большим наклоном; этим обеспечивается слабое зацепление носика 9, тогда как для больших концевых зазоров (j₄) вставка 6 ведет себя как вставка большой длины и с малым наклоном, это тоже обеспечивает эффективную фиксацию стыков труб.

Наконец, значительно увеличиваются допуски диаметров и потому охватывается весь диапазон диаметров (d₂, d₃, d₄) трубы Т2.

При необходимости дальнейшего увеличения этого диапазона диаметров стыкуемых труб, т. е. допусков на их диаметр, вместо одной единственной серии вставок 6 используют вторую серию таких вставок с длиной, отличной от длины вставок 6, и изменяемых вместе с этими последними. ЫЫЫ8

Использование: в трубопроводном арматуpостроении. Сущность изобретения: в герметичном устройстве в сборе для блокировочного телескопического соединения трубы с раструбом и трубы с узким концом вставки выполнены в виде удлиненного корпуса с широкой головкой с одной стороны, расположенной в кольцевой пяте, и носиком в виде протуберанца с другой. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Герметичное устройство в сборе для блокировочного телескопического соединения трубы с раструбом и трубы с узким концом, содержащее опорное тело с кольцевой пятой из эластичного материала и несколько вставок из материала с большой жесткостью, утопленных в кольцевой пяте под углом к оси соединения, отличающееся тем, что каждая вставка выполнена в виде удлиненного корпуса с широкой головкой с одной стороны, расположенной в кольцевой пяте, и носиком в виде протуберанца с другой, расположенным вне опорного тела. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус каждой вставки имеет прямоугольное поперечное сечение и изогнутый профиль. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что головка каждой вставки, утопленная в кольцевой пяте, полностью покрыта эластичным материалом опорного тела. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевая пята выполнена с косой кольцевой кромкой, направленной к оси соединения, по меньшей мере до минимального внутреннего диаметра опорного тела, при этом кольцевая кромка образует вместе с опорным телом внутреннее горло, внутрь которого каждая вставка выступает своим носиком и частью удлиненного корпуса. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что косая кольцевая кромка пяты наклонена к оси соединения под тем же углом, что и вставки.