ПОЛИМЕРНЫЙ ТРУБОПРОВОД Российский патент 1999 года по МПК F16L9/12 F16L47/00 

Изобретение относится к области строительства трубопроводов, а именно к конструктивным элементам преимущественно металлопластовых трубопроводов, в частности к конструкции металлопластовых труб и элементов соединения их друг с другом (фитинги, фланцы), которые могут быть использованы для сооружения трубопроводов, применяемых для транспортирования жидких и/или газообразных, в том числе агрессивных, сред при избыточном давлении и колебаниях температуры.

В науке и технике широко известны различные конструкции полимерных трубопроводов изготовленные, например из армированных полимерных труб и соединенные друг с другом в трубопровод посредством соединительных элементов.

Известен трубопровод, состоящий из состыкованных друг с другом концов труб посредством фитингов, при этом труба содержит усилитель прочности, выполненный из арматуры с внешним и внутренним защитным полимерным слоем, в качестве арматуры используют предварительно перфорированную полоску, навитую на оправку по спирали и скрепленную в местах соединения витков сваркой. [Заявка ФРГ N 2418797, МКИ F 16 L 9/12, 1975 г.]. Для соединения концов труб друг с другом известен соединительный элемент, выполненный в виде муфты и представляющей собой корпус с цилиндрическими полостями для концов соединяемых труб, корпус выполнен из термопластичного материала, внутри которого размещен армирующий слой, содержащий сплошную арматуру трубчатой формы, и нагревательный элемент, выполненный в виде спирали. [Патент DE N 3932807, МКИ F 16 L 47/02, 1991 г.].

Расчетная прочность известной металлопластовой трубы достаточно высока, однако нагрузочная способность трубопровода в целом определяется не только прочностью труб, но местами их соединения друг с другом, которые и обеспечивают его стабильную эксплуатацию. Цилиндрическая форма полостей муфты обеспечивает возможность соединения концов труб только в том случае, если последние в процессе сварочного прогрева могут раздаваться, т.е. увеличиваться по наружному диаметру на величину технологических зазоров между посадочной цилиндрической полостью муфты и наружной поверхностью соединяемого конца трубы. Наличие жесткой сплошной арматуры в корпусе соединительного элемента делает невозможным применение известной муфты для соединения труб высокой жесткости, т.е. при сооружении тяжело нагруженных трубопроводов из армированных полимерных труб. Это связано с тем, что ни муфта, ни соединяемые трубы не могут менять диаметр посадочных поверхностей в процессе сварки, чтобы обеспечить плотное надежное соединение, которое, в свою очередь и определяет нагрузочную способность трубопровода.

Для увеличения нагрузочной способности трубопровода предложена конструкция последнего, состоящего из соединенных друг с другом полимерных труб заданной длины, буферных емкостей, насосов, запорной арматуры, соединяемые трубы содержат усилитель прочности, выполненный в виде армирующего каркаса и размещенный в монолите полимера, армирующий каркас полимерных труб образован перфорированной лентой, последняя свернута и жестко соединена в спираль, концы труб друг с другом жестко соединены с помощью соединительных элементов, также содержащих армирующий каркас, жесткость которого не менее жесткости армирующего каркаса соединяемых труб, при этом лента армирующего каркаса полимерных труб образована либо соединенными друг с другом по меньшей мере двумя перфорированными полосами с определенным зазором между ними, либо соединенными друг с другом продольными и поперечными элементами арматуры, образующими сетку, а концы труб и сопрягаемые с ними полости соединительных элементов выполнены в форме конуса. [Заявка WO N 96/26380, МПК F 16 L 9/12, F 16 L 47/00, F 16 L 58/00, B 29 C 65/34, 1997 г.]
Известный трубопровод характеризуется достаточно высокой нагрузочной способностью и малыми гидравлическими потерями, однако при его эксплуатации возникают определенные сложности, связанные в основном с ограниченными возможностями ремонта и замены отдельных частей трубопровода.

Наиболее близким к предлагаемому является трубопровод, состоящий из состыкованных между собой труб, каждая из которых содержит каркас, размещенный в монолите полимера, каркас содержит два слоя перфорированной полосы с зазором и расположенными между ними свернутым спиралью длинномерным элементом [Патент RU N 2105920, МПК 6 F 16 L 9/12, 1998 г.]. В качестве соединительных элементов труб могут быть использованы известные фитинги, муфты и фланцы, обеспечивающие жесткое крепление конструктивных частей друг с другом.

Однако при использовании соединительных элементов, выполненных из полимерного материала и имеющих цилиндрическую форму полостей для концов соединяемых труб, не может быть обеспечена требуемая нагрузочная способность трубопровода, т. к. места соединения не обладают требуемой прочностью к осевым и радиальным нагрузкам. При использовании соединительных элементов с цилиндрической формой полостей, выполненных из полимерного материала и усиленных сплошной арматурой, невозможно обеспечить плотную посадку соединительного элемента с концами соединяемых труб. При использовании соединительных элементов с конической формой полостей для концов соединительных элементов с конической формой полостей для концов соединяемых труб возникают технологические сложности с монтажом трубопровода и особенно его последующим ремонтов и облуживанием.

Технической задачей изобретения является упрощение монтажа и ремонта трубопровода при одновременном достижении его расчетной нагрузочной способности.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый металлопластовый трубопровод состоит из жестко соединенных друг с другом посредством фитингов полимерных армированных труб заданной длины, запорной арматуры, насосов, полимерные трубы содержат усилитель прочности, выполненный в виде объемного армирующего каркаса, размещенного в монолите полимера, а фитинги, выполняющие функцию соединительных элементов, представляют собой корпус, выполненный из монолитного блока полимера с цилиндрическими полостями для концов соединяемых труб, в блоке полимера размещен перфорированный армирующий каркас, со стороны внутренних поверхностей полостей установлены нагревательные элементы в виде токопроводящих спиралей, разделяющих внутреннюю полость фитинга на зоны нагрева и холодную зону, при этом в отличие от известного, перфорированный армирующий каркас выполнен в виде кольца и взаимодействующих с ним продольных элементов, продольные элементы укреплены на кольце с возможностью их радиального перемещения, а ширина кольца соразмерна с шириной холодной зоны.

Армирующий каркас соединяемых труб образован двумя слоями перфорированной полосы с зазором между ними, в котором размещен свернутый спиралью длинномерный элемент.

Перфорированные продольные элементы фитинга укреплены на армирующем перфорированном кольце любым известным способом, например, путем размещения Т-образных загнутых концов продольных элементов в Т-образных пазах армирующего кольца, или с помощью заклепок, обеспечивающих радиальное перемещение продольных элементов, или другими известными способами.

Продольные элементы могут быть установлены друг относительно друга с зазором или взаимодействовать боковыми поверхностями.

Продольные элементы могут иметь любую геометрическую форму, например форму лепестков, или П-образную форму, или Z-образную форму, или любую другую конфигурацию.

Токопроводящие спирали выполнены из электро- и теплопроводящего материала, например меди. Витки спиралей электроизолированы друг от друга для исключения электрического замыкания в процессе сборки трубопровода. Концы спиралей в центральной части соединительного элемента размещены друг относительно друга с зазором. При выполнении фитинга в виде муфты, зазор между концами спиралей в центральной его части образует холодную зону. При выполнении фитинга в виде фигурного элемента (крестовины, тройника, отвода (угольника он может дополнительно содержать упорный элемент для ограничения положения торца соединяемой трубы. Холодная зона в этом случае образована зазором между упорным элементов и концом спирали нагревательного элемента.

На концах фитингов и труб может быть установлен фланец, выполненный например из размещенных в монолитном блоке полимера продольной и кольцевой арматуры и взаимодействующего с ними несущего элемента в виде кольцевой втулки, наружная поверхность которой снабжена кольцевым конусным пазом, направление конусности которого противоположно конусности внутренней расточки втулки, средством фиксации несущего элемента служат два слоя арматуры, изогнутые идентично конусности внутренней поверхности втулки и ее наружного кольцевого конического паза.

В качестве полимера для изготовления труб и соединительных элементов используют известный термопластичный материал, выбранный из группы: полиэтилен, полипропилен и другие известные материалы.

В качестве армирующего материала используют стальную перфорированную полосу, стальную проволоку, перфорированную полимерную полосу, стекловолокнистые полосы, полосы из известных материалов.

Рабочая часть трубопровода образована путем жесткого соединения концов полимерных армированных труб посредством фитингов. Фланцевое соединение применяют для крепления концов трубы с промежуточными емкостями, в местах размещения запорной арматуры, насосов и других устройств.

Соединительные элементы, например фланцевые, устанавливают в процессе изготовления трубы, а отводы, тройники и крестовины в процессе сборки трубопровода в местах его расположения.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - место соединения концов труб при помощи фитинга, выполненного в виде муфты; на фиг. 2 - разрез А-А с двумя вариантами крепления продольных элементов к кольцу; на фиг. 3 - разрез В-В с тремя вариантами выполнения и размещения продольных элементов друг относительно друга; на фиг. 4 - фрагмент трубопровода в разрезе с вариантами оформления места соединения концов труб друг с другом посредством муфты, тройники и фланца.

На представленных чертежах обозначены следующие позиции: 1 - корпус фитинга, выполненный из монолитного блока полимера, 2 - перфорированное кольцо армирующего каркаса, 3 - перфорированные продольные элементы армирующего каркаса, 4 и 5 - варианты мест крепления перфорированных продольных элементов 3 на перфорированном кольце 2, 6 - нагревательные элементы, 7 - холодная зона, образуемая концами спирали нагревательного элемента, 8 - цилиндрические полости для размещения концов соединяемых труб. Продольные перфорированные элементы 3 размещены друг относительно друга с зазором 9 или взаимодействуют боковыми поверхностями 10 или 11. Соединяемые трубы 12, 13, 14, 15, 16 снабжены объемной арматурой 18, размещенной в монолитном блоке их полимерных корпусов. Трубы 12 и 13 соединены посредством муфты, трубы 14 и 15 соединены друг с другом посредством тройника с упорным элементом 19, труба 16 соединена посредством фланца 17 с запорной арматурой (на фиг. не показана).

Внутренний диаметр полостей фитинга 8 превышает наружный диаметр концов соединяемых труб 12, 13, 14 и 15 на величину допусков на овальность и конусность труб, включая монтажный зазор.

Ширина перфорированного кольца армирующего каркаса 2 определяется величиной зазора между концами соединяемых труб 12 ,13, 14, 15 и 16 и величиной холодной зоны 7.

Ширина перфорированного кольца армирующего каркаса 2 определяется величиной зазора между концами соединяемых труб 12, 13, 14, 15 и 16 и величиной холодной зоны 7.

Перфорированное кольцо армирующего каркаса 2 воспринимает радиальные нагрузки в холодной зоне и в зоне зазора между торцами соединяемых труб 12 и 13, 14, 15 и 16 а продольные элементы армирующего каркаса 3 воспринимают осевые нагрузки трубопровода. Наличие в корпусе фитинга 1 заявляемой конструкции армирующего каркаса обеспечивает усадку материала корпуса фитинга в активной (сварочной) зоне полостей фитингов на величину технологических зазоров между посадочными поверхностями цилиндрических полостей 8 фитинга с цилиндрическими концами соединяемых армированных труб 12, 13, 14, 15 и 16.

Трубу для изготовления трубопровода получают известным способом путем предварительной перфорации армирующей полосы, после чего ее непрерывно подают по спирали на оправку. Навивку полосы осуществляют в два слоя, при этом после навивки первого слоя осуществляют длинномерного элемента. Витка спирали скрепляют и образованный объемный каркас заливают связующим полимером.

Сборка трубопровода осуществляется следующим образом.

Фитинги нужной конфигурации получают сборкой армирующего каркаса путем укрепления продольных элементов 3 в кольце 2. Полученный перфорированный каркас заливают расплавленным полимером. Заливку полимерного материала осуществляют любыми известными способами. Полимерный материал проникает в перфорацию, образуя прочное сцепление полимера с армирующим каркасом фитинга. Внутреннюю сторону фитинга для образования цилиндрических полостей сопряжения оформляют в процессе заливки полимерного материала. Нагревательные элементы 6 на внутренних поверхностях полостей 8 устанавливают любым известным способом. Форма фитинга определяется конфигурацией изготовляемого трубопровода.

Концы соединяемых труб 12 и 13, 14 и 15 вставляют в полости 8, фиксируют их в заданном положении с помощью монтажных струбцин, после чего включают нагревательный элемент 6.

Сопрягаемые поверхности концов труб 12 и 13, 14 и 15 и полостей 8 фитинга равномерно оплавляются, а корпус фитинга 1 дает усадку по мере прогрева на величину зазора, образуя монолитное соединение без рыхлостей, растягивающих напряжений и пустот в зоне сопряжения.

Подвижный армирующий каркас заявляемого фитинга обеспечивает требуемую усадку соединительного элемента и равную с трубами 12 и 13, 14 и 15 несущую способность места соединения.

Сравнение предлагаемого трубопровода с известными, позволяет выявить признаки, отличающие его от наиболее близких, а именно: равнопрочность труб и мест их соединения друг с другом; возможность соединения труб в трубопровод, как в условиях предприятия-изготовителя, так и на месте его монтажа или ремонта; возможность обслуживания трубопровода, в частности оперативного ремонта в месте его расположения.

Несмотря на то, что в технике известны металлопластовые трубопроводы, заявляемое изобретение позволяет получить трубопроводы с повышенной нагрузочной способностью в местах соединения отдельных его элементов друг с другом, увеличить стабильность эксплуатационного цикла, обеспечить возможность качественного и быстрого ремонта в местах расположения трубопровода.

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию "Новизна" и "Изобретательский уровень".

Предлагаемые трубопроводы и соединительные элементы для их сборки могут быть изготовлены на известном в технике оборудовании с использованием известных приемов.

Трубопроводы, изготовленные по изобретению, могут быть проложены в закрытых траншеях с последующей засыпкой грунтом, не требуют электрохимической защиты от коррозии, а также теплоизолирующего покрытия.

Заявляемые трубопроводы могут применяться для пищевого водоснабжения населенных пунктов, в химической-, нефте- и газодобывающей отраслях промышленности, на установках водоподготовки тепло- и электростанций, в гальваническом производстве и т.д.

Трубопровод предназначен для использования при строительстве трубопроводов. Армирующий каркас соединительного элемента выполнен перфорированным в виде кольца и взаимодействующих с ним продольных элементов, продольные элементы размещены на кольце с возможностью их радиального перемещения, а ширина кольца соразмерна с шириной холодной зоны. В результате упрощается монтаж и ремонт трубопровода. 8 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Полимерный трубопровод, преимущественно металлопластовый, состоящий из жестко соединенных друг с другом посредством соединительных элементов полимерных армированных труб заданной длины, запорной арматуры, насосов, при этом полимерные трубы содержат усилитель прочности, выполненный в виде объемного армирующего каркаса, размещенного в монолите полимера, а соединительный элемент выполнен в виде фитинга и представляет собой корпус, выполненный из монолитного блока полимера с цилиндрическими полостями для концов соединяемых труб, в блоке полимера размещен армирующий каркас, со стороны внутренних поверхностей полостей установлены нагревательные элементы в виде токопроводящих спиралей, делящие внутреннюю поверхность полости на зоны нагрева и холодную зону, отличающийся тем, что армирующий каркас соединительного элемента выполнен перфорированным в виде кольца и взаимодействующих с ним продольных элементов, продольные элементы размещены на кольце с возможностью их радиального перемещения, а ширина кольца соразмерна с шириной холодной зоны. 2. Полимерный трубопровод по п.1, отличающийся тем, что объемный армирующий каркас трубы образован двумя слоями перфорированных полос с зазором между ними и размещенным в зазоре свернутым спиралью длинномерным элементом. 3. Полимерный трубопровод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что соединительный элемент выполнен в виде муфты, при этом ширина кольца армирующего каркаса не менее ширины холодной зоны, образованной зазором между концами спиралей нагревательных элементов. 4. Полимерный трубопровод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что соединительный элемент выполнен в виде крестовины, или тройника, или отвода, при этом внутренняя поверхность полости снабжена упорным элементом для фиксации положения сопрягаемого конца трубы. 5. Полимерный трубопровод по п.4, отличающийся тем, что ширина кольца армирующего каркаса не менее ширины холодной зоны, образованной зазором между упорным элементом и концом нагревательного элемента. 6. Полимерный трубопровод по пп.3 и 4, отличающийся тем, что продольные элементы армирующего каркаса размещены друг относительно друга с зазором. 7. Полимерный трубопровод по пп.3 и 4, отличающийся тем, что продольные элементы перфорированного армирующего каркаса взаимодействуют друг с другом боковыми поверхностями. 8. Полимерный трубопровод по пп.3 и 4, отличающийся тем, что продольные элементы армирующего каркаса подвижно соединены с перфорированным кольцом посредством заклепок. 9. Полимерный трубопровод по пп.3 и 4, отличающийся тем, что продольные элементы перфорированного армирующего каркаса подвижно соединены с перфорированным кольцом посредством размещения Т-образных загнутых концов продольных элементов в Т-образных пазах кольца.