МУФТА ДЛЯ ТРУБ Российский патент 1997 года по МПК F16L23/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для соединения труб, несущих текучие среды под высоким давлением и/или подвергаемых большим механическим нагрузкам.

Известно соединение фланцев труб, в котором плоская поверхность фланцев соединена обычными гайками [1]
При соединении фланцевых частей возникают напряжения в материале фланца в деталях, соединяющих горизонтальные и вертикальные части фланца. Наиболее близким к предложенному является муфта [2] в которой поверхности переходной зоне между фланцами придают форму четверти эллипса, причем большая ось эллипса параллельна трубе, а длина этой большей оси примерно в два раза превышает длину меньшей оси эллипса. Однако напряжения в материале в таком фланце зависят от точек приложения сосредоточенных нагрузок на поверхности фланца и от растягивающих усилий в соединении труб, так что такая форма эллиптического переходного участка является рациональной только для типов фланцев обычной формы.

Таким образом, недостатком существующих фланцевых соединений является то, что после некоторого времени в них часто возникают утечки как следствие изменяющихся нагрузок и высоких напряжений в сочетании с температурными деформациями и вибрациями. В связи с этим часто необходимо выполнять техническое обслуживание механических узлов, такое как, например, дополнительное подтягивание болтов и замену кольцевых прокладок.

Другим недостатком, присущим этим типам соединений труб, является то, что они отличаются большими размерами и значительным весом, а также существующие муфты имеют неупругие уплотняющие элементы, элементы муфты смещаются один относительно другого при колебаниях нагрузки, что способствует утечкам и образованию других накапливающихся по временам повреждений в соединении.

Недостаток также состоит в том, что известные типы фланцев нельзя без специальных измерений проверить на наличие утечек простым образом во время или после их монтажа.

Еще один из недостатков связан с коррозией и заключается в том, что в существующих муфтах имеются "мокрые" болты, то есть в болтах, подвергающихся воздействию, например, морской воды, будут развиваться повреждения, связанные с коррозией, после того, как болты установлены на частях фланцев.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности муфты для соединения труб при изменяющихся нагрузках, высоких напряжениях, высоком давлении, при этом конструкция должна позволять выполнить проверку на герметичность под давлением во время монтажа на месте и в процессе работы при полной величине давления в трубопроводе.

На фиг. 1 изображены две трубы, соединенные муфтой, состоящей из фланцев соответствующего типа; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 2 до затяжки болтов; на фиг. 4 сечение фланца в базовой конструкции; на фиг. 5 сечение фланца с тремя коническими поверхностями и наружным вогнутым участком на наружном диаметре; на фиг. 6 сечение фланца с одной конической поверхностью, канавкой для уплотнения и каналом для головки контрольного устройства; на фиг. 7 сечение фланца с двумя коническими поверхностями, канавкой для уплотнения и резьбовым отверстием для болтов (шпилек); на фиг. 8 сечение соединения труб с одним плоским фланцем, одним фланцем с конической поверхностью, уплотняющей кольцевой прокладкой и каналом для контроля перед затяжкой болтов; на фиг. 9 сечение по компактной фланцевой муфте в свободном состоянии до затяжки болтов, в которой каждый из фланцев предусмотрен с двумя коническими поверхностями, уплотняющими канавками для уплотняющей кольцевой прокладки, каналом для контроля в одном из фланцев, вогнутым наружным участком на наружном диаметре и стяжными болтами с базовыми кольцевыми прокладками и гайками; на фиг. 10 сечение по фланцевой муфте согласно изобретению; на фиг. 11-14 варианты конструкции фланца в соответствии с изобретением.

Как показывает фиг. 1, чтобы фланцы по изобретению могли функционировать соответствующим образом, фланцевый узел должен быть встроен в трубопровод или конструкцию из труб 1 и 2 с двумя половинами фланцев 3 и 4, соединительными болтами 5 с базовыми кольцевыми прокладками 6 и 7 и гайками 8 и 9. Фланцы 3 и 4 не обязательно должны быть одинаковыми и могут иметь разные конструкции.

Согласно изобретению, чтобы функционировать в соответствии со своим назначением, муфта характеризуется следующими отдельными признаками:
По меньшей мере, одна из находящихся напротив друг друга поверхностей фланцев 10 и 11 спроектирована так, что она или они имеет/имеют коническую форму (фиг. 3 и 4).

Каждый из двух находящихся напротив друг друга фланцев спроектирован таким образом, что противолежащие поверхности (фиг. 10 и 11) являются коническими.

Каждый из двух находящихся напротив друг друга фланцев спроектирован таким образом, что поверхности 10 и 11 (фиг. 3, 4, 8 и 9) в радиальном сечении образуют угол друг с другом таким образом, что расстояние между двумя противолежащими поверхностями увеличивается с увеличением радиуса в собранном соединении перед тем, как болты затянуты. Предпочтительный угол наклона поверхностей 10, 11 относительно воображаемой плоскости составляет 0,2-3,0^o, предпочтительно 0,2-0,5^o, но можно также использовать углы большей и меньшей величины, которые, помимо всего остального, зависят от материала и допусков в соединении труб и фланцевых половинах. Две противоположные половины муфты в соответствии с изобретением спроектированы так, что между двумя соседними поверхностями имеется расстояние, увеличивающееся в наружном направлении. Наибольший угол зависит от того, можно ли затянуть болты 5 таким образом, что плоскости фланцев будут соприкасаться друг с другом.

При соединении фланцев 3 и 4 болтами 6 поверхности 10 и 11 фланцев 3 и 4 будут поворачиваться под действием корректирующих условий, предпочтительно до упора друг в друга, так что коническая щель между поверхностями, закрывается.

Вместо болтов могут применяться, например, зажимные соединения или другие обычные соединительные устройства, задней фланцевой поверхности наружной части одновременно придается форма, пригодная для этой цели.

Далее, угол между поверхностями 10 и 11 предпочтительно задается таким, что для закрытия конической щели, которая образована этим углом, необходимо усилие, составляющее от 50 до 100% усилия предварительного натяжения болтов. Предпочтительно, чтобы сжимающая сила к моменту закрытия щели составляла около 70-80% усилия предварительного натяжения болтов. Естественно, что такое усилие зависит, например, от типа материалов, используемого для изготовления фланцев, и связано с ним.

Угол раскрытия α между двумя противоположными фланцами 3 и 4 зависит от материала. Помимо всего остального, он зависит от предела текучести sg материала фланца и модуля упругости Е так, что a K (sg /E), где К - постоянная, которая определяется геометрическими параметрами муфты в целом и которая может различаться в зависимости от конструкции муфты. Среди параметров, влияющих на изменение К, диаметр и толщина стенки трубы и количество, диаметр, класс твердости болтов.

Длина болтов 5 в предварительно натянутом состоянии предпочтительно составляет, по меньшей мере, 3 их диаметра, и предпочтительно от 6 до 8 диаметров болтов.

Следующий признак конструкции фланца по изобретению состоит в том, чтобы выполнить наружные и/или внутренние края поверхностей 10 и 11 с клинообразными выступами 12 и 13. При выполнении фланца с коническими зонами коническая поверхность выступов 12 и 13 имеет конусность, которая отличается от конусности поверхностей 10 и 11 фланца. За счет такой конструкции достигается дополнительный уплотняющий эффект во фланце при затягивании напряженных болтов 5. Выступы 12 и 13 могут выдаваться на неопределенное расстояние соответственно от наружного края и внутреннего края фланца над наклонной поверхностью 10 и 11, но предпочтительно проходят не дальше от наружного (внутреннего) края, чем на такое расстояние, что отношение между наклонным участком фланца и выступом (-ами) составляет 2:1 или больше. Длины выступов 12 и 13 не зависят друг от друга, но каждая обычно меньше 1/4 расстояния между двумя концами поверхностей 10 и 11.

Чтобы получить дополнительную герметизацию во фланцевом соединении, фланец может быть был выполнен с канавкой 14 для кольцевого уплотнения. Такое кольцевое уплотнение может быть обычного типа, но предпочтительно, чтобы оно было гибкого типа.

Канавка 14 предпочтительно имеет боковые поверхности 15 и 16 (фиг. 6), образующие угол ±10-20^o с осевой линией, проходящей параллельно оси фланца, при этом выполняется условие, заключающееся в том, что наружные поверхности 17 и 18 (фиг. 8) кольцевого уплотнения, по меньшей мере, частично совпадают с боковыми поверхностями 15 и 16 канавки 14.

Фланец может быть выполнен с каналом 19 (фиг. 6), связывающим резьбовое соединение на наружной поверхности с дном канавки 14 под кольцевое уплотнение. С помощью такой конструкции появляется возможность проведения испытаний каждого стыка под давлением на герметичность и стойкость к давлению без увеличения внутреннего давления в трубе.

Промежуточная зона 20 фланца между частью 21 фланца, проходящей в основном параллельно к продольной оси А труб 1 и 2 и частью 22 фланца, проходящей в основном перпендикулярно, имеет эллиптическую форму, чтобы получить минимально возможный коэффициент концентрации напряжений для данной переходной зоны поперечного сечения. Такая переходная зона 20, имеющая эллиптическую форму, начинается на наружной поверхности 23 фланца и является касательной к задней поверхности 22 фланца (фиг. 4). При выполнении плоскости затягивания фланца за счет эллиптической формы будет оптимизироваться распределение напряжений в материале фланца с отношением между большой и малой осями эллипса в пределах соотношений от 3:1 до 5:1, предпочтительно 4:1, так что достигается оптимальная способность соединения нести механические нагрузки.

Конструкция фланца может быть выполнена с вогнутым участком канавкой 24 (фиг. 5) на наружной осесимметричной поверхности фланца. Назначение такого вогнутого участка, во-первых, состоит в том, чтобы обеспечить возможность материалу между вогнутым участком и плоскостью выступа 13 действовать в качестве упругого участка для улучшения уплотняющего воздействия на выступ 13, когда части соединения собираются вместе, а во-вторых, чтобы обеспечить возможность уменьшения количества материала, используемого для изготовления половины муфты, что приводит к уменьшению веса. Глубина канавки 24 зависит от материала фланца, должна быть больше, чем глубина выступающего участка 13, например, она должна составлять величину, равную 2-3 глубины последнего.

Каждый фланец соединения труб может по отдельности содержать, по меньшей мере, один из вышеуказанных признаков, причем каждый из признаков обеспечивает повышенную надежность и/или способность выдерживать механические нагрузки по сравнению с известными типами фланцев. Однако рационально сочетать два или более из вышеуказанных признаков, чтобы обеспечить оптимальные свойства фланцевого соединения по изобретению.

Признаки, которые предпочтительно сочетать, следующие:
фланцы имеют конические противолежащие поверхности 10 и 11 до предварительного натяжения болтов 3,
расстояние между противолежащими поверхностями увеличивается с увеличением радиуса в направлении наружной поверхности фланца,
плоскости 10 и 11 фланцев поворачиваются для уплотнения друг относительно друга при соединении фланцев,
угол между противолежащими поверхностями 10 и 11 задается таким образом, что для закрытия щели между коническими поверхностями необходимо усилие, составляющее от 50 до 100% усилия предварительного натяжения болтов 5,
болт(ы) выполнен(ы) с соответствующими головками, предотвращающими проникновение внешней среды в соединение вдоль поверхности болтов.

Далее, кроме того, предпочтительно, чтобы фланец (фланцы) по изобретению был(и) выполнен(ы) со следующими альтернативными признаками:
длина предварительно натянутых болтов 5 составляет, по меньшей мере, 3 диаметра болтов,
на одном или обоих наружных краях фланцев выполнены клинообразные выступающие участки 12 и 13,
фланец выполнен с канавкой 14 под кольцевую прокладку, предпочтительно под углом между ±10 и 20^o к осевой линии, параллельной продольной оси фланца, но могут использоваться и другие типы канавок, например, канавки для уплотнительного кольца,
фланец (фланцы) имеет (имеют) промежуточный участок 22 эллиптической формы, такой, что отношение между большой и малой осями эллипса лежит в интервале от 3:1 до 5:1, предпочтительно 4:1.

В качестве следующих предпочтительных конструктивных признаков фланца по изобретению можно включить следующие:
коническая поверхность выступающего(их) участка(ов) 12 и 13 имеет конусность, которая отличается от конусности поверхностей 10 и 11 фланца,
фланец (фланцы) выполнен (выполнены) с каналом 15, связывающим резьбовое соединение на наружной поверхности и дно канавки под уплотнение,
фланец (фланцы) выполнен (выполнены) с вогнутым участком канавкой 24 на наружной осесимметричной поверхности фланца.

Преимущества, достигаемые за счет создания фланца(ев) в соответствии с вышеупомянутыми признаками, состоят в том, что обеспечивается высокое контактное давление на поверхностях 10 и 11 фланцев для абсолютно герметичного соединения, что приводит к тому, что стержни болтов 5, а также уплотняющая кольцевая прокладка при использовании механизма натяжения обычно не будут подвергаться воздействию ни внешней среды, ни внутренней среды из трубопровода 1 и 2. Кроме того, уплотняющая кольцевая прокладка в канавке 14 и в соответствующей канавке 25 на фланце 2 (фиг. 9) будут аналогичным образом обеспечивать полную герметичность во фланцевом соединении, даже если герметизация при высоком контактном давлении внутренних участков поверхностей 10 и 11 (фиг. 9) будет нарушена. Когда болты 5 предварительно натянуты надлежащим образом и коническая цель между фланцами 1 и 2 закрыта, натяжение болтов будет почти статическим с очень небольшими дополнительными растягивающими напряжениями, которые возникают в результате изменения механических и/или тепловых нагрузок в соединении, и как следствие, опасность усталости в болтах элементах соединения 5 будет фактически устранена.

При выполнении фланца(ев) с конической поверхностью (ями), образующими угол друг с другом и с таким соединением, что поверхности прижимаются друг к другу, будет рациональным выполнить наружные поверхности фланца(ев) с промежуточным участком эллиптической формы 22. Тем самым фланец может быть выполнен с небольшим диаметром фланца относительно диаметра трубы по сравнению с обычными соединениями труб, чем достигаются небольшие размеры фланца и малый вес. За счет сочетания эллиптической конструкции с вогнутой наружной канавкой 24 можно также добиться дополнительного уменьшения веса фланцевого узла.

Вследствие вышеуказанных признаков и преимуществ соединение труб с фланцами по изобретению будет также безопасным с точки зрения охраны окружающей среды, поскольку при функционировании будет обеспечена герметичность и высокая степень защиты от усталости в болтах или от другого механического разрушения соединения в любое время, причем соединение не требует технического обслуживания механических узлов.

В результате того, что один из фланцев соединения труб может быть предусмотрен с каналом 19 для доступа к канавке 14, может выполняться контроль отвод возможных утечек помимо внутренней поверхности 10, что может оказаться важным, когда имеют место исключительно жесткие требования к надежности. Кроме того, вариант исполнения соединения труб, показанный на фиг. 8 и 9, где имеется упругая кольцевая прокладка, может обеспечить то, что создание выдерживает перегрузку разъединение без возможных утечек.

Данный фланцевый узел не требует обслуживания механических узлов, поскольку исключена подгонка (разрушение неметаллических кольцевых прокладок) уплотнений или других элементов за счет того, что нет никакого относительного смещения между элементами фланцевого узла под действием давления и нагрузок, действующих на соединение. Механическая прочность фланцевого узла может быть со значительной степенью надежности определена, исходя из оценки натяжений и данных о материале, поскольку внутренние статические свойства соединения в процессе работы обеспечивают то, что реакция на нагрузку остается неизменной в течение всего времени эксплуатации.

Соединения труб с фланцами, спроектированными в соответствии с настоящим изобретением, можно рациональным образом использовать как фланцевые узлы в стояках, проходящих от устья скважины до эксплуатационных оснований, в стояках в подводных модулях, во фланцевых узлах растянутых стоек для оснований с растянутыми стойками, для процессов и оборудования, используемого в открытом море, на участках побережья до прибойной зоны и на земле, а также на атомных электростанциях.

Предпочтительный вариант исполнения фланцевого соединения, выполненного из стали, состоящего из половин в виде фланцев, будет представлять собой такой вариант, в котором конический выступающий участок 12 (13) имеет угол 0; 3^o, а длина обоих участков 12 и 13 одинакова и соответствует 20% разности по высоте между нижним и верхним коническими участками 12 и 13. Выступающие части выдаются в конический участок на расстояние, которое представляет собой половину расстояния от наружного края соединения до отверстия под болт. Кроме того, такой предпочтительный вариант исполнения включает канавку 14 под кольцевую прокладку, а также переходный участок эллиптической формы 20, причем отношение между большой и малой осями эллипса составляет 4:1. Канавка 14 для кольцевой прокладки предпочтительно расположена так, что расстояние от внутренней поверхности фланца до ближайшего края канавки составляет 1/4 толщины стенки трубы 1 (2). Однако канавку 14 под кольцевую прокладку не размещают настолько близко к внутренней поверхности, чтобы она могла повлиять на нее. Расположенная по окружности канавка 24, придающая упругость наружному участку 13 фланца, расположена так, что точка, в которой плоскость, заданная наклонной поверхностью 10 фланца, пересекает наружную поверхность фланца, находится на меньшем или на равном расстоянии от канавки 24 по сравнению с расстоянием между наружным участком 22 фланца, проходящим перпендикулярно оси А трубы, и другим участком канавки. Ширина канавки 24 составляет 2/3 от длины наружной поверхности 26, а глубина канавки 24 больше, чем глубина наружного ниспадающего участка 13, в два раза.

На фиг. 11-14 показан предпочтительный вариант исполнения фланца по изобретению. Показан фланец с общим наружным диаметром ⊘₁ 172,6 ± 0,1 мм, диаметром ⊘₂ между осевыми линиями противолежащих отверстий под зажимные болты 3-144,6 мм, диаметром ⊘₃ отверстий под зажимные болты 15,0 ± 0,1 мм, диаметры ⊘₄, ⊘₅ между противоположными краями канавки для кольцевой прокладки (инкональ 625), размещаемой в канавке 14(25), составляют соответственно 121,95 ± 0,1 мм и 84,2 ± 0,1 мм для наружного и внутреннего измерений. Диаметр ⊘₆ до осевой линии канавки 14(25) для кольцевой прокладки (инконель 625) и внутренний и наружный края канавки составляют в данном варианте исполнения 15 ± 0,05^o. Внутренний размер канавки 1 для кольцевой прокладки составляет в данном варианте исполнения 18,87 ± 0,05 мм. На фиг. 11 показан полный вид сечения варианта исполнения фланца по изобретению, а на фиг. 12 подробно показан участок, обведенный окружностью А на фиг. 11. На фиг. 13 показана часть фланца (вид сверху) с отверстиями под зажимные болты 3. На фиг. 13 показан угол δ между отверстиями под зажимные болты, составляющий 22,5 ± 0,5^o. На фиг. 11 высота Н₁ фланца составляет 103,9 ± 0,2 мм, а высота Н₂ между выступающими в горизонтальном направлении частями и верхней частью наклонного участка поверхности фланца составляет 48,3 ± 0,1 мм. Наклонная верхняя часть фланца образует угол e с горизонтальной плоскостью, составляющий 37,5 ± 2,5^o. Зона В на фиг. 11, показания на фиг. 11, имеет следующие размеры: расстояние А₁ наклонного наружного края фланца от его наружного края до плоскости соединения составляет 3,0 ± 0,1 мм, расстояние А₂ между наружным краем фланца и самой нижней точкой наклонной части составляет 0,5 ± 0,1 мм с углом наклона 45^o, а высота А₃ наклонной части составляет 0,023 ± 0,005 мм.

Вышеприведенные размеры относятся к определенному варианту исполнения фланца по изобретению, в пределах объема прилагаемой формулы изобретения могут использоваться другие параметры и размеры.

Использование: изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для соединения труб, несущих текучие среды под высоким давлением и/или подвергаемым большим механическим нагрузкам. Сущность изобретения: фланец для соединения труб с трубами для текучих сред под высоким давлением имеет контактную поверхность, причем в положении, когда зажимные болты для соединений труб не затянуты, контактные поверхности образуют друг с другом направленный наружу угол, а когда зажимные болты затянуты, они прижаты друг к другу с усилием. Фланцы также могут иметь наружные и внутренние конические участки для создания дополнительного уплотняющего эффекта и канавки под кольцевое уплотнение. 4 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Муфта для труб высокого давления, содержащая два контактирующих между собой фланца, по меньшей мере на одном из которых в месте перехода цилиндрической поверхности муфты в плоскую поверхность, перпендикулярную оси муфты, выполнен переходный участок с эллиптической поверхностью, при этом на фланцах выполнены по меньшей мере одна канавка под уплотнение и канал, соединяющий резьбовое отверстие с дном канавки и выходящий на наружную поверхность, а также соединительные приспособления в виде болтов, кольцевых прокладок и гаек, отличающаяся тем, что контактирующие между собой поверхности фланцев в свободном состоянии выполнены коническими с образованием между собой угла 0,2 3^o, направленного в сторону наружной цилиндрической поверхности фланцев муфты. 2. Муфта по п. 1, отличающаяся тем, что длина болтов после предварительного натяжения равна 3 7 диаметрам болтов. 3. Муфта по п.1 или 2, отличающаяся тем, что по меньшей мере на одной из контактирующих поверхностей фланцев муфты на наружном и/или внутреннем диаметре выполнен клинообразный выступающий участок с наклоном в сторону контактной поверхности. 4. Муфта по пп.1 3, отличающаяся тем, что отношение большой и малой осей эллипса переходного участка выполнено в интервале 3 4. 5. Муфта по пп.1 4, отличающаяся тем, что по меньшей мере на цилиндрической поверхности одного из фланцев выполнена канавка с вогнутым профилем.