ЗАПОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1997 года по МПК F16L55/132 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано для перекрытия концевых участков трубопроводов при гидравлических испытаниях и ремонтных работах.

Известно запорное устройство для трубопроводов по заявке ФРГ [1] Оно содержит цилиндрический корпус с двумя дисками, один из которых подвижен, и между ними герметично установлена обечайка из эластичного материала, внутри которой заформовано пружинное кольцо. При смещении подвижного диска эластичная обечайка деформируется таким образом, что ее максимальный наружный диаметр увеличивается, перекрывая проходное сечение устройства.

Недостатком известного устройства является его ненадежность в целом, особенно при больших давлениях в трубопроводе, а также нетехнологичность герметизации эластичной обечайки между дисками и ее недолговечность при эксплуатации. Последнее связано с тем, что в процессе поджатия увеличивающееся в диаметре пружинное кольцо может разрезать часть эластичной обечайки, примыкающей к внутренней стенке трубопровода.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту представляется взятое за прототип устройство для фиксации вводимой внутрь трубопроводов арматуры по заявке ФРГ [2] Известное устройство содержит две муфты, из которых одна (внутренняя), выполненная из жесткого материала, подвижна и имеет наружную коническую поверхность, а вторая (наружная), выполненная из эластичного материала, имеет соответствующую внутреннюю коническую поверхность. При смещении вдоль оси внутренней муфты за счет взаимодействия муфты коническими поверхностями наружная муфта увеличивается в диаметре и прижимается к поверхности трубопровода.

Недостатком известного устройства является недостаточно надежная герметизация. Это связано с тем, что при большой эластичности материала внешней муфты, последний при поджатии внутренней муфты будет продавливаться в зазор между внутренней муфтой и стенками трубопровода. При недостаточной эластичности материала внешней муфты не будет обеспечено необходимое поджатие к стенкам трубопровода, в частности в случае поверхностных дефектов типа ржавчины, раковины, шероховатости, задиров и других неровностей.

Задача изобретения повышение эксплуатационных возможностей запорного устройства за счет расширения диапазона рабочих давлений и обеспечение возможности герметизации при наличии поверхностных дефектов внутри трубопровода.

Поставленная задача решается тем, что в известном запорном устройстве для трубопроводов, содержащем соединенные осевым стержнем с возможностью относительного перемещения фланцы, между которыми установлена кольцевая коническая муфта из жесткого материала, взаимодействующая с муфтой из эластичного материала в кольцевой конической муфте из жесткого материала, выполнен радиальный разрез и примыкающие к разрезу части соединены подвижно внахлест, так что в свободном состоянии диаметр муфты меньше внутреннего диаметра трубопровода, а в развернутом состоянии больше, причем с противоположной стороны муфты из эластичного материала предусмотрена вторая вышеохарактеризованная муфта с радиальным разрезом, при этом их толщины выбраны в пределах, определенных приближенным соотношением:

где δ толщина кольцевой конической муфты из жесткого материала, м;
D допускаемый зазор, м;
P давление в муфте из эластичного материала, Па;
s_д допускаемое напряжение жесткого материала, Па;
D внутренний диаметр трубопровода, м;
d внутренний диаметр кольцевой конической муфты, м;
P_тр номинальное давление в трубопроводе, Па;
E модуль упругости жесткого материала муфты, Па;
r ширина кольцевой конической муфты, м.

Кольцевая коническая муфта может быть выполнена из упругого материала, например, из пружинной стали. Муфта из эластичного материала может быть выполнена сборной в виде набора прокладок из материала с разной эластичностью, например, крайние прокладки из жесткой резины с твердостью более 11,2•10⁵ Н/м², прилегающие к ним прокладки из резины средней эластичности с твердостью в пределах 6,9-11,2•10⁵ Н/м² и центральные прокладки из мягкой эластичной резины с твердостью менее 6,9•10⁵ Н/м² (терминология и классификация резины по твердости взяты из работы [3]). В запорном устройстве может быть предусмотрена опора в виде дополнительного фланца, связанного тягами со стягивающим хомутом, установленным на внешней части трубопровода, преимущественно на уровне прокладок из мягкой эластичной резины.

Выполнение кольцевых конических муфт с радиальным разрезом при относительном их сближении и при наличии между ними упругих прокладок позволяет увеличить диаметр муфты вплоть до внутреннего диаметра трубопровода, обеспечивая тем самым перекрытие начального зазора. При этом жесткая муфта упирается краями в стенки трубопровода, создавая дополнительную держащую силу, причем выбор ее толщины по предложенному приближенному соотношению позволяет, с одной стороны, исключить загиб краев в начальный зазор между фланцами и трубопроводом, с другой, обеспечить необходимую степень распрямления муфты. Выполнение жесткой муфты из упругого материала, например, из пружинной стали, позволяет использовать их многократно при свободном извлечении из трубопровода. Выполнение муфты из эластичного материала в виде набора прокладок из материала различной эластичности позволяет обеспечить достаточную долговечность крайних прокладок и надежное заполнение различных неровностей на стенках трубопровода в средней части набора прокладок, где предусмотрена наиболее эластичная резина. Это обеспечивает достаточно надежную герметизацию даже для неровных поверхностей. Предусмотренная опора с тягами позволяет обеспечить дополнительную держащую силу, а установление стягивающего хомута на уровне прокладок из мягкой эластичной резины несколько компенсировать внутреннее давление в прокладках, поскольку именно на уровне мягких эластичных прокладок оно будет наибольшим.

На фиг.1 показано запорное устройство для трубопроводов в разрезе, общий вид; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 вид кольцевой конической муфты; на фиг.4 разрез Б-Б кольцевой конической муфты на фиг.3; на фиг.5 - вид кольцевой конической муфты по стрелке В на фиг.4; на фиг.6 вид другого варианта кольцевой конической муфты по стрелке В на фиг.4.

Запорное устройство для трубопроводов (фиг.1) содержит подвижный фланец 1, выполненный заодно с осевым стержнем 2 с резьбой на конце, входящим в отверстие неподвижного фланца 3, опирающегося на обечайку 4 и дополнительный фланец 5, который посредством гайки и стержня 2 удерживается на торцевой части трубопровода 7. Между фланцами 1 и 3 предусмотрен набор прокладок 8 10 из эластичного материала, которые заключены между кольцевыми коническими муфтами 11 из жесткого материала. Кольцевая коническая муфта 11 (фиг.3 5) имеет радиальный разрез 12, и прилегающие к этому разрезу части муфты соединены подвижно внахлест (фиг.5). На фиг.6 показан более технологичный вариант кольцевой конической муфты, которая может быть изготовлена не сгибанием первоначально плоской муфты, а ее вытягиванием на токарном станке и последующим привариванием пластины 13, обеспечивающей подвижное соединение внахлест.

Для увеличения держащей силы может быть использовано подкрепление (фиг. 1, 2) в виде укрепленного болтами 14 поджимающего хомута 15, который посредством тяг 16 связан с дополнительным фланцем 5. При этом хомут 15 установлен преимущественно на уровне средних прокладок 10 из мягкой эластичной резины с твердостью менее 6,9 •10⁵ Па. Прокладки 9 изготовлены из резины средней эластичности с твердостью в пределах (6,9-11,2)•10⁵ Па, а прокладки 8 из жесткой резины с твердостью более 11,2•10⁵ Па.

Работа запорного устройства осуществляется следующим образом.

При подготовке к работе обеспечивают сборку устройства и устанавливают его в торцевой части трубопровода 7. Глубина установки определяется высотой обечайки 4 с поджатием гайкой 6. При вращении последней фланец 1 приближается к фланцу 3, обеспечивая сдавливание прокладок 8- 10, увеличивающихся вследствие этого в диаметре. Одновременно с этим сдавливаются и за счет этого расправляются кольцевые конические муфты 11, которые также соответственно увеличиваются в диаметре. Относительное перемещение фланцев прекращается, когда кольцевые конические муфты 11 упрутся внешними краями во внутренние стенки трубопровода 7 с одновременным упором в эти стенки эластичных прокладок 8-10.

Далее представлен вывод расчетных зависимостей для проектирования основных элементов запорного устройства для трубопроводов согласно изобретению.

Для того чтобы запорное устройство оставалось неподвижным, необходимо выталкивающую силу F_выт, равную

уравновесить удерживающей силой трения (держащая сила) набора эластичных прокладок о внутренние стенки трубопровода, равной
F = π•D•L•μ(P-P_o), (2)
где P_тр давление в трубопроводе, Па;
D внутренний диаметр трубопровода, м;
L толщина набора прокладок, м;
μ коэффициент трения;
P давление внутри эластичных прокладок, создаваемое движением подвижного фланца, Па;
P_ocp средняя твердость эластичного материала, Па.

Давление, создаваемое движением подвижного фланца, может быть определено на основе свойств дифференциального поршня

где d минимальный диаметр отверстия кольцевой конической муфты, м.

Приравнивая (1) и (2), после несложных преобразований с учетом (3), получим соотношение для определения толщины набора эластичных прокладок

Следует заметить, что выражение в скобках соответствует давлению, оказываемому набором эластичных прокладок на стенки трубопровода в рабочем положении. Очевидно, при подготовке устройства к работе такое же или большее давление должно быть создано путем завинчивания гайки 6.

Для грубой оценки выражение в скобках можно положить равным P_тр (увеличение давления дифференциального поршня компенсируется некоторым его уменьшением за счет твердости эластичного материала), тогда

Приняв m, равным 0,4 [4] при D 200 мм, получим
L ≥ 200/40,4 ≈ 125 мм. (4б)
При m 0,25 значение L будет приближенно равным 200 мм.

Следует отметить, что без подкрепления конца трубопровода давление на его стенки не должно превышать гидравлического давления, установленного для испытаний на надежность. Обозначив запас надежности через K, с учетом (3) найдем значение внутреннего диаметра кольцевой конической муфты

При E= 1,30 [5] значение d составит 0,48 D. При необходимости испытаний трубопровода при более высоких давлениях целесообразно произвести подкрепление за счет хомута 15, который одновременно может быть использован для увеличения держащей силы за счет тяг 16.

Допускаемый начальный зазор между запорным устройством и стенками трубопровода может быть выбран исходя из типичных особенностей концевых участков: эллипсность, вмятины и т.п. Эти особенности, очевидно, связаны с размерами трубопровода. По-видимому, размер зазора Δ, определенный формулой
D ≅ 0,02D, (6)
может обеспечить свободную установку запорного устройства в достаточно широком диапазоне неровностей.

При диаметре трубопровода D диаметр муфты D_м будет определяться размером допускаемого зазора Δ
D_м= D - 2Δ, (7)
кольцевая коническая муфта, имеющая половину угла конусности α при полном развертывании до a 90^o, должна перекрыть допускаемый зазор и создать некоторый "запас размера", обеспечивающий необходимый натяг. Пусть "запас размера" будет равен допускаемому зазору, тогда при полном развертывании муфты ее диаметр D_мр будет равен
D_мр = D+2Δ = D_м+ 4Δ. (8)
Обозначив ширину муфты через r, запишем приращение ее диаметра при полном развертывании, исходя из геометрических соображений

Отсюда может быть определен угол α (половина угла конусности)

Подсчитаем значение α для трубопровода диаметром 200 мм при D=4 мм и r= 54 мм

Толщина кольцевой конической муфты должна быть выбрана из следующих условий. С одно стороны, муфта должна расправляться под действием гидростатического давления, создаваемого набором эластичных прокладок и под действием ее сжатия за счет перемещения осевого стержня 2 при вращении гайки 6. С другой стороны, под действием этого давления края кольцевой конической муфты не должны загибаться в зазор между стенками трубопровода 5, с одной стороны, и фланцами 3 и 5, с другой.

Для оценки возможных толщин кольцевых конических муфт воспользуемся допущением, что расплавляемая коническая муфта равносильна равномерно нагруженной балке без закрепления концов с удельным давлением P и длиной, равной π(D_м+ d)/2. Максимальный прогиб V должен соответствовать полному расправлению (выпрямлению) кольцевой конической муфты. Из теории сопромата для указанных условий имеем [6]

где V максимальный прогиб, м;
M изгибающий момент, Н/м;
l длина балки, м;
E модуль упругости, Па;
I момент инерции поперечного сечения балки относительно центральной оси, м⁴;
q линейная плотность распределенной нагрузки, Па/м.

Линейная плотность распределенной нагрузки пропорциональна давлению набора эластичных прокладок и ширине кольцевой конической муфты r
q r(P-P_тр).

Длину балки можно взять средним значением

Необходимый момент инерции с учетом толщины муфты δ определяется следующим образом:

Наибольший прогиб можно приближенно положить равным прогибу на уровне половины ширины муфты:

Подставив в (11) значения параметров (12)-(15), после несложных преобразований получим формулу для определения верхней границы толщины кольцевой конической муфты

Оценка максимальной толщины муфты и по соотношению (16) при E=2•10⁵ МПа дает следующее значение:

Отсутствие загибов внешнего края кольцевой конической муфты в допускаемый зазор определится условием непревышения допускаемого напряжения σ_д:

где M₁ изгибающий момент, Н/м;
J₁ момент инерции площади сечения по окружности относительно нейтральной оси, м⁴.

Изгибающий момент равен произведению действующей силы F, равной π•D•Δ•P и половины "вылета" края муфты 2Δ/r:

Заметим, что значение вылета, равное 2Δ, связано с возможным смещением кольцевой конической муфты относительно фланца 3, так что весь зазор приходится на одну сторону и поэтому должен быть удвоен.

Момент инерции кругового сечения (на уровне диаметра фланца 3) муфты равен

В данном случае вместо "ширины", балки взята длина внешней кромки муфты, поскольку определяется загиб именно этой кромки. Подставив в (17) значения параметров из (18) и (19), после несложных преобразований получим

При изготовлении муфты из легированной хромованадиевой стали марки 50 ХФА, для которой σ_д 1500 МПа, минимальная толщина равна

Таким образом, для проектируемого в качестве примера образца, толщина кольцевой конической муфты должна быть не менее 1,24 мм и не более 18,6.

Предлагаемое запорное устройство для трубопроводов имеет следующие преимущества.

1. Новые признаки обеспечивают возможность использования запорного устройства в самых неблагоприятных условиях, включающих эллипсность участка трубы, большие вмятины, задиры, эксплуатационные наросты загрязнений, ржавчину и другие дефекты. При этом может быть обеспечен достаточно большой начальный зазор, дающий возможность свободной установки (без подгонки и дополнительных усилий) и последующего после использования извлечения запорного устройства.

2. Обеспечивается работоспособность предложенного устройства при повышенных давлениях, поскольку расширяющиеся кольцевые конические муфты перекрывают начальный зазор и исключают выдавливание резины.

3. Обеспечиваются хорошая технологичность и достаточная долговечность запорного устройства с достаточной надежностью герметизации. Это связано с тем, что резина "работает" в условиях всестороннего сжатия, т.е. в оптимальном для нее режиме без срезающих напряжений.

Источники информации
1. Заявка ФРГ N 3835820, МКИ F 16 K 1/226, опублик. 26.04.90.

2. Заявка ФРГ N 3818703, МКИ F 16 K 55/12, опублик. 14.12.89 (прототип).

3. Таблица физических величин: Справочник/Под ред.акад. И.К.Кикоина.-М. Атомиздат, 1976, с.54.

Лепетов В.А. Юрцев Л.Н. Расчеты и конструирование резиновых изделий. Учебн. пособ. для вузов. 3-е изд. перераб. и доп.-Л. Химия, 1987, с.86.

5. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство).-М. Недра, 1982, с.190.

6. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. /Под ред. А.Ф.Смирнова. М. Высшая школа, 1975, с.233.

Использование: для перекрытия концевых участков трубопроводов при гидравлических испытаниях и ремонтных работах. Сущность изобретения: запорное устройство для трубопроводов содержит соединенные осевым стержнем фланцы, между которыми установлена кольцевая коническая муфта из жесткого материала, взаимодействующая с муфтой из эластичного материала. В муфте из жесткого материала выполнен радиальный разрез, а примыкающие к разрезу части соединены подвижно внахлест, так что в свободном состоянии диаметр муфты меньше внутреннего диаметра трубопровода, а в развернутом - больше, причем с противоположной стороны муфты из эластичного материала предусмотрена вторая вышеохарактеризованная муфта с радиальным разрезом, при этом их толщины выбраны в пределах определенных приближенных соотношениях. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Запорное устройство для трубопроводов, содержащее соединенные осевым стержнем с возможностью относительного перемещения фланцы, между которыми установлена кольцевая коническая муфта из жесткого материала, взаимодействующая с муфтой из эластичного материала, отличающееся тем, что в кольцевой конической муфте из жесткого материала выполнен радиальный разрез и примыкающие к разрезу части соединены подвижно внахлест, так что в свободном состоянии диаметр муфты меньше внутреннего диаметра трубопровода, а в развернутом больше, причем с противоположной стороны муфты из эластичного материала предусмотрена вторая вышеохарактеризованная муфта с радиальным разрезом, при этом их толщины выбраны в пределах, определяемых приближенным соотношением

где δ - толщина кольцевой конической муфты из жесткого материала, м;
Δ - допускаемый зазор;
P давление в муфте из эластичного материала, Па;
σ_д - допускаемое напряжение жесткого материала, Па;
D внутренний диаметр трубопровода, м;
d внутренний диаметр кольцевой конической муфты, м;
P_т р номинальное давление в трубопроводе, Па;
E модуль упругости жесткого материала муфты, Па;
r ширина кольцевой конической муфты, м. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевая коническая муфта выполнена из упругого материала, например, из пружинной стали. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что муфта из эластичного материала выполнена сборной в виде набора прокладок из материала с разной эластичностью, включающего, например, крайние прокладки из жесткой резины с твердостью более 11,2 • 10⁵ Па, прилегающие к ним прокладки из резины средней эластичности с твердостью в пределах (6,9 11,2) • 10⁵ Па и центральные прокладки из мягкой эластичной резины с твердостью менее 6,9 • 10⁵ Па. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что в нем предусмотрена опора в виде дополнительного фланца, связанного тягами со стягивающим хомутом, установленным на внешней части трубопровода, преимущественно на уровне прокладок из мягкой эластичной резины.