ФИКСИРОВАННАЯ СБОРКА ПЕРВОЙ ТРУБЫ Российский патент 1997 года по МПК F16L21/02 

Изобретение относится к фиксирующим сборкам, между охватываемым концом одной трубы и раструбом другой. Оно относится, прежде всего, к композитному уплотнению для фиксированной сборки трубы с охватываемым концом и раструбом. Уплотнение состоит из тела и наконечника зацепления из упругого материала, и нескольких фиксирующий вставок из жесткого материала, утопленных в наконечник и расположенных обычно по образующим конуса, имеющего ту же ось, что и уплотнение и сходящегося в направлении тела, причем каждая вставка выступает из уплотнения к его оси.

В сборках между трубами, использующих такие уплотнения, каждая фиксирующая вставка из твердого материала изгибается с некоторым наклоном между раструбом и охватываемым концом. Такая фиксация препятствует аксиальным движениям одной трубы по отношение к другой, которые могли бы привести к разгерметизации соединения и даже полному разъединению труб, собранных первоначально, под воздействием осевых разъединяющих сил, порождаемых давлением жидкости, содержащейся в трубах.

Такой тип фиксации успешно заменяет дорогостоящие системы соединения труб на фундаментах, закрепленных в грунте, а также фланцевые устройства, закрепляемые болтами.

Однако такое крепление является полностью эффективным лишь тогда, когда оно может гарантировать максимальное расстояние отступа от охватываемого конца, если установилось давление жидкости. Для этого нужно быть уверенным, что введение с усилием охватываемого конца в раструб не будет выдавливать вставки или комплекс уплотнения к днищу раструба в кольцевое пространство между ним и охватываемым концом.

Технической задачей изобретения является создание надежного уплотнения для фиксированной сборки труб, применимое непосредственно к существующим трубам.

В изобретении раскрыт объект указанного типа, т.е. уплотнение, отличающееся тем, что головка или внешняя часть каждой вставки имеет со стороны тела выступ, удерживающий вставку в процессе введения охватываемого конца в раструб, причем этот выступ имеет острую кромку и ограничен двумя затылованными поверхностями, причем, когда уплотнение находится на месте в раструбе, а охватываемый конец вводится в него с усилием, сжимая радиально тело уплотнения, две затылованные поверхности образуют между собой, вблизи острой кромки, угол, обращенный ко дну раструба, и это по меньшей мере для больших диаметров охватываемого конца.

Кроме того, две затылованные поверхности образуют угол, обращенный к дну раструба для любого диаметра охватываемого конца в диапазоне допусков и для любого положения введения охватываемого конца в раструб, причем указанный угол может быть меньше 90^o, указанный угол может быть немного больше 90^o, каждая вставка имеет несколько зубцов сцепления с охватываемым концом, смещенных по оси и радиально друг относительно друга, головка каждой вставки имеет со стороны, противоположной выступу, поверхность, наклонную радиально внутрь и аксиально во внешнюю сторону по отношению к раструбу, причем эта поверхность заканчивается, предпочтительно, скруглениями, уплотнение имеет со стороны входа раструба внутреннюю уплотняющую губку, расположенную радиально.

Другим объектом изобретения является фиксирующая сборка для охватываемого конца и раструба, имеющая такое уплотнение, которое было определено выше, причем тело уплотнения зажато радиально между раструбом и охватываемым концом, а его наконечник размещен в горловине зацепления раструба, ограниченного дном, окантованным двумя упорными стенками, одна из которых (передняя) почти радиальная, причем внутренняя радиальная часть каждой вставки предназначена для фиксации на периферии охватываемого конца с головкой, опирающейся на дно канавки, в случае необходимости, на упорную стенку, расположенную со стороны входа раструба.

Когда головка каждой вставки имеет со стороны, противоположной выступу, поверхность, наклоненную радиально во внутрь, а аксиально во внешнюю сторону раструба, причем эта поверхность заканчивается, предпочтительно, скруглениями, преимущественно, упорная стенка раструба, расположенная со стороны его противоположного входа, имеет внешний радиальный участок конического типа так, что головка вставок опирается почти на соединение этого участка и дна горловины для больших диаметров охватываемого конца, тогда как она опирается и на дно и на тот же наклонный участок для малых диаметров охватываемого конца.

В соответствии с другим признаком сборки угол, который образует внешняя затылованная поверхность с указанной передней стенкой, меньше угла, который образует с этой стенкой другая затылованная поверхность.

На фиг.1 представлено осевое сечение раструба, снабженного уплотнением, и охватываемого конца, который готов для введения в этот раструб; на фиг.2 - фиксирующая сборка;
на фиг. 3 и 4 положение уплотняющих вставок в процессе введения охватываемого конца, соответственно (осевое сечение) для максимального и для минимального диаметров этого охватываемого конца, причем упругая часть уплотнения не показана
на фиг. 5 8 фиксация сборки для уменьшающихся диаметров охватываемого конца.

На фиг.1 показан охватываемый конец 1 первой трубы 2 и раструб 3 второй трубы 4, причем этот раструб снабжен уплотнением 5. Три элемента 1, 3 и 5 представляют собой тела вращения вокруг одной и той же горизонтальной оси Х-Х. Две трубы выполнены, например, из чугуна со сфероидальным графитом.

Охватываемый конец 1 имеет внешнюю цилиндрическую поверхность, скошенную с внешней стороны 6 на своем конце.

Раструб имеет входную закраину 7, затем последовательно от конца к началу, т.е. от этой закраины к днищу раструба, сравнительно глубокую канавку зацепления 8, менее глубокую полость уплотнения 9 и внутренний выступ 10, ограничивающий аксиально эту полость 9, и переднюю полость 11 менее глубокую, чем полость 9, и свободно принимающую концевую часть охватываемого конца 1. Для заданного входного диаметра раструба допуски на изготовление охватываемого конца и его дефекты установки (несоосность и угловое отклонение) приводят к тому, что в каждой полуплоскости осевого сечения внешняя образующая охватываемого конца может находиться во всем диапазоне положений между положением, соответствующим практически нулевому радиальному зазору по отношению к закраине 7 и максимальному радиальному зазору по отношению к этой же закраине. Это эквивалентно диапазону внешних диаметров охватываемого конца между максимальной и минимальной величиной по отношению к идеально центрированному положению охватываемого конца, поэтому в дальнейшем будем ссылаться исключительно на такой диапазон диаметров.

На фиг.3 канавка 8 раструба ограничена сзади радиально внутренней стенкой 12, немного наклоненной по отношению к вертикали, и радиальной внешней стенкой 13, наклоненной значительно больше, приблизительно на 45^o в показанном варианте. Стенка 13 соединена с цилиндрическим дном 14 канавки 8, который, в свою очередь, соединяется с передней почти радиальной стенкой 15 этой канавки. Полость 9 имеет цилиндрическое дно 16, соединенное со стенкой 15, и передний концевой заплечик 17, расположенный радиально.

Уплотнение 5 (фиг.1) представляет собой литую деталь из гибкого или упругого материала, например эластомера, в котором уплотнен ряд фиксирующих вставок 18. В его передней части имеется массивное тело 19, а в задней - выступ крепления 20, выступающий радиально во внешнюю часть, и губка 21, выступающая радиально внутрь.

В состоянии покоя задний и внешний профили уплотнения являются теми же, что и профили поверхностей 12 16 раструба 3. Уплотнение размещается без значительных деформацией в раструбе, в этом случае имеется зазор между ним и поверхностями 12-14 раструба, в то время как оно прижимается к поверхностям 15 и 16. Образуется свободное пространство между передним концом 22 вогнутой формы тела 19 и поверхностью 17.

Кроме того, внутренняя поверхность 23 тела 19 сходится на конус к передней части от диаметра, близкого к внутреннему диаметру закраины 7, к диаметру, который меньше наименьшего внешнего диаметра охватываемого конца 1; губка 21 ориентирована радиально и располагается почти между теми же диаметрами, что и внутренняя поверхность 23, на поверхности заднего конца тела 19.

Каждая вставка 18 (фиг.1, 3 и 4) находится в радиальной плоскости, имеет L-образную форму и имеет внешнюю радиальную головку 24, утопленную в выступ 20, а также радиальный внутренней хвостовик 25, который сходится вперед до образования небольшого выступа на поверхности 23 тела уплотнения приблизительно на половине его длины.

Головка 24 (фиг.3 и 4) имеет прямоугольную форму и в задней части грань 26, которая в покое почти параллельна поверхности 13 раструба.

Радиально с внешней стороны головка 24 имеет грань 27, почти перпендикулярную предыдущей и соединенную с ней округлением 28, а в передней части грань в форме выступа, состоящего из двух участков: радиального внешнего участка 29, образующего тупой угол порядка 135^o, с гранью 27 и простирающегося до острой кромки 30, и радиально внутреннего участка 31 с широким внутренним скруглением, имеющим угол в центре приблизительно в 90^o. Касательная к этому скруглению на уровне кромки 30 образует угол с участком 29 выступа, немного превышающей 90^o. Этот угол может также быть меньше 90^o.

Хвостовик 25 ограничен с боковой стороны двумя почти параллельными гранями: задней гранью 32, соединенной с гранью 26 скруглением 33, и передней гранью 34, соединенной по касательной с скруглением 31. Хвостовик 25 заканчивается четырьмя выступами 35, смещенными по оси и радиально друг относительно друга. Три выступа 35, расположенные сзади, образуют зубцы для зацепления с охватываемым концом, тогда как четвертый выступ 35, расположенный спереди, т. е. в направлении дна раструба, образует антипроникающий выступ, ограничивающий проникновению зубцов в охватываемый конец.

Когда охватываемый конец 1 вводят в раструб 3, он отгибает губку 21, затем толкает вперед тело 19, сжимая его радиально. Тогда уплотнение имеет тенденцию к перемещению вперед. Это приводит острую кромку 30 вставок 18 в контакт с поверхностью 15 раструба (фиг.3 и 4) так, что при любом внешнем диаметре охватываемого конца, в процессе введения последнего, эта острая кромка 30 всегда будет выступать вперед на головке вставок и находиться всегда напротив поверхности 15.

Этот свободный упор 30 15 мешает вставкам скользить радиально внутрь раструба, вне камеры, и, следовательно, предотвращает их деформацию. Как показано на фиг. 3 и 4 это может происходить до положения, указанного штрих-пунктирной линией, обеспечивая таким образом безопасность.

Кроме того, для нормальных диапазонов работы, т.е. для диапазона диаметров охватываемого конца и для предусмотренных положений соединений, и даже вне таких диапазонов пара 30 15 ведет себя как однонаправленная система, увеличивающая еще больше надежность сборки. Угол падения α между поверхностями 29 и 15 остается меньше угла b между поверхностями 31 и 15 (фиг.3 и 4) так, что вставка может легко проникать в камеру 8 (к поверхности 14 раструба), когда она подвергается воздействию радиальных усилий в этом направлении, но она блокируется, если направление радиальных усилий инвертируется.

Следует отметить, что ширина хвостовика 25 меньше радиального зазора между поверхностью 16 и охватываемым концом для предотвращения любого риска заклинивания соединения. Кроме того, упор 30 -15 принципиально важен для больших внешних диаметров охватываемого конца, для которых повышен риск приведения в движение уплотнения (фиг.3).

Когда введение охватываемого конца закончено и в трубопровод подается давление, охватываемые концы обычно подвергаются воздействию усилий назад. Вставки 18 ограничивают такой отход следующим образом (фиг. 5-8).

Когда внешний диаметр охватываемого конца максимален (радиальный нулевой зазор между охватываемым концом и закраиной 7 раструба), его отход приводит скругление 28 каждой вставки в угол, образованный поверхностями 13 и 14 раструба, а второй зуб 35 от заднего участка приходит в зацепление с охватываемым концом. Это определяет усилие изгиба 36 и центр вращения 37 вставки. Конструкция такова, что наклон на радиальное направление усилия 36 находится в диапазоне между нижней границей, для которой зубец может перфорировать охватываемый конец, и верхней границей, для которой существует риск проскальзывания зубца на охватываемом конце.

Для внешних диаметров охватываемого конца, уменьшающихся от максимального диаметра (фиг.6), опора головки вставок на раструб такая же, что и ранее, но два промежуточных зубца 35, а лишь затем третий зубец, зацепляются с охватываемым концом, что приводит к удержанию наклона усилия изгиба 36 в указанных границах, несмотря на больший наклон хвостовика вставок.

При продолжении уменьшения внешнего диаметра охватываемого конца поворот вставок продолжается до того момента, когда грань 26 прижимается к поверхности 13 раструба (фиг.7). Центр поворота вставок переходит тогда от точки 37 к другой точке 38, расположенной ближе к оси Х-Х и больше назад, обеспечивая возможность изгибающему усилию оставаться в требуемых пределах, тогда как без применения такой схемы оно вышло бы за эти пределы для одного и того же диаметра охватываемого конца.

Наконец, в меньшем диапазоне внешних диаметров охватываемого конца (фиг. 8), третий зубец 35 всегда находится в зацеплении с охватываемым концом, а головка вставок упирается в двух точках в канавку 8, т.е. скруглением 28 на дно 14, а скруглением 33 на поверхность 13. И вновь центр поворота 38 располагается так, чтобы гарантировать соответствующий наклон усилия 36.

Такое удержание наклона усилия 36 благодаря двойной опоре головки вставок создает преимущество роста допускаемого внутреннего давления в канале, причем это давление заметно пропорционально углу, который образует усилие изгиба с радиальным направлением. Это достигается без вмешательства дополнительного зубца вставок, что позволяет обеспечить экономию материала и уменьшение габаритов при изготовлении вставок.

Во всех случаях опора кромки 30 на поверхность 15 в процессе выполнения соединения ограничивает максимально возможный отход охватываемого конца в процессе ввода в действие трубопровода.

Наименьший концевой выступ 35, расположенный со стороны входа раструба, представляет собой элемент безопасности, предназначенный для неудачных случаев размещения вставок по отношению к их нормальному положению. Концевой выступ 35, расположенный в направлении к дну раструба, представляет собой антипроникающий выступ, который обеспечивает ограничение давления контакта соседнего промежуточного зубца на охватываемые концы, имеющие наименьшие диаметры, и позволяет увеличить максимальный порог допускаемого давления.

Губка 21 обеспечивает уплотнение по отношению к внешним элементам, т.е. позволяет предотвратить введение внешних агрессивных или корродирующих элементов в зону фиксации. Благодаря своей радиальной ориентации она не рискует попасть под вставки в процессе соединения.

Если это необходимо, вставки могут иметь покрытия из электроизолирующих материалов, например керамики.

Сущность изобретения: головка 24 фиксирующей уплотнительной вставки имеет со стороны тела выступ 30 с острой кромкой, ограниченный двумя затылованными поверхностями 29 и 31. Когда уплотнение установлено на место в раструб 3, охватываемый конец 1 вводится в раструб 3 с усилием, сжимая радиально тело уплотнения. При этом две затылованные поверхности 29 и 31 образуют между собой вблизи острой кромки 20 угол, обращенный к дну раструба. Применяется для фиксации труб, находящихся под давлением, выполненных из чугуна со сфероидальным графитом. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Фиксированная сборка первой трубы с охватываемым концом с второй трубой с раструбом с установленной между ними уплотняющей прокладкой, включающей изготовленное из упругого материала тело, сжимаемое в радиальном направлении между раструбом и охватываемым концом трубы, выступ зацепления из упругого материала, размещенный в канавке зацепления раструба, ограниченной дном, окруженным двумя стенками, одна из которых, передняя, является радиальной и расположена со стороны дна раструба, несколько изготовленных из жесткого материала вставок, утопленных в выступ и расположенных по образующим конуса, имеющего ту же ось, что и уплотняющая прокладка, сходящимся в направлении упругого тела, причем каждая из вставок выступает за пределы уплотняющей прокладки в направлении оси, а головка каждой вставки выполнена с выступом с острой кромкой, ограниченным двумя затылованными поверхностями и взаимодействующим с передней стенкой, отличающаяся тем, что в положении, когда уплотняющая прокладка установлена в раструбе, а охватываемый конец труб с усилием введен в раструб, сжимая при этом в радиальном направлении тело прокладки, острый угол, образованный затылованными поверхностями, обращен к дну раструба, причем острая кромка контактирует с передней стенкой с образованием упора, препятствующего смещению вставок в направлении дна раструба, в собранном положении. 2. Сборка по п. 1, отличающаяся тем, что две затылованные поверхности образуют между собой угол, обращенный к дну раструба для любого диаметра охватываемого конца трубы в диапазоне допусков и для любого положения введения охватываемой трубы в раструб. 3. Сборка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что для любого диаметра охватываемого конца трубы в диапазоне допусков и для любого положения введения охватываемого конца трубы в раструб угол, образованный наружной затылованной поверхностью и передней стенкой, меньше угла, образованного передней стенкой и другой затылованной поверхностью. 4. Сборка по пп.1 3, отличающаяся тем, что каждая вставка выполнена с несколькими зубцами зацепления, смещенными друг относительно друга в осевом и радиальном направлениях. 5. Сборка по пп. 1 4, отличающаяся тем, что головка каждой вставки со стороны, противоположной выступу, выполнена с поверхностью, наклоненной радиально внутрь, а в осевом направлении во внешнюю сторону раструба, причем упомянутая поверхность выполнена предпочтительно с краевыми скруглениями. 6. Сборка по пп. 1 5, отличающаяся тем, что уплотняющая прокладка со стороны входа раструба выполнена с радиальной губкой внутреннего уплотнения. 7. Сборка по пп.1 6, отличающаяся тем, что размеры вставки определяются условиями обеспечения в положении, когда сборка зафиксирована, зацепления по меньшей мере одного зубца с наружной поверхностью охватываемой трубы при одновременном контакте головки с дном канавки или дно канавки и опорную стенку, расположенную со стороны входа в раструб.