НЕРАЗЪЕМНОЕ СОЕДИНЕНИЕ Российский патент 2000 года по МПК F16L47/00 

Изобретение относится к соединениям труб-оболочек из композиционных материалов с металлическими трубчатыми деталями, преимущественно неразъемным, установленных на их конце, и может быть использовано в трубах для транспортирования жидких или газообразных сред, в корпусах высокого давления.

К неразъемным соединениям предъявляются повышенные требования по обеспечению жесткости, прочности, надежности и герметичности стыка, безопасности использования и недопустимости разрушения от воздействующих нагрузок.

Известно неразъемное соединение, содержащее трубу из композиционного материала на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего, внутреннее защитное покрытие и металлическую трубчатую деталь с наружными радиальными заостренными элементами, зафиксированными в материале трубы, резьбовой нарезкой и кольцевым хвостовиком, заключенным в оболочку (патент РФ N 2079764, ⁶МПК F 16 L 47/00, 1977).

Указанное неразъемное соединение пригодно для использования в трубах из композиционного материала, имеющих достаточно увеличенную толщину стенки. В тонкостенных трубах с таким соединением проявляется концентрация напряжений из-за неучета совместимости деформаций кольцевого хвостовика и стенки трубы при нагружении внутренним избыточным давлением, разрушение происходит по месту стыка.

Известно также неразъемное соединение, содержащее трубу из композиционного материала на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего, внутреннее защитное покрытие и металлическую трубчатую деталь с радиальными отверстиями, охватывающую трубу, скрепленную с ней посредством радиально установленных крепежных заостренных элементов, зафиксированных концами в материале трубы (патент РФ N 2079765, ⁶МПК F 16 L 47/00, 1997).

Известно аналогичное неразъемное соединение, содержащее трубу из пластмассы и металлическую трубчатую деталь, склеенные внахлест, с радиальными крепежными заостренными элементами на металлической концевой детали, зафиксированными в материале трубы (авторское свидетельство СССР N 596772, МПК F 16 L 47/00, 1978).

Указанные аналоги обладают аналогичными недостатками. Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является неразъемное соединение по патенту РФ N 2079764.

Основной задачей является создание неразъемного соединения особотонкостенных труб из композиционного материала с минимальной толщиной стенки и металлической трубчатой деталью на конце, имеющей наружные радиальные заостренные элементы, работающие под высоким избыточным давлением высокотемпературной жидкой или газообразной среды.

Техническим результатом является обеспечение повышенной прочности, надежности и герметичности стыка неразъемного соединения.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции неразъемного соединения, введения новых элементов и обеспечения совместности упругорадиального деформирования металлической трубчатой детали в переходной зоне в тонкостенную трубу из композиционного материала.

Для этого в неразъемном соединении, содержащем трубу из композиционного материала на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего, внутреннее защитное покрытие и металлическую трубчатую деталь с наружными радиальными заостренными элементами, зафиксированными в материале трубы, резьбовой нарезкой и кольцевым хвостовиком, заключенным в оболочку, кольцевой хвостовик металлической трубчатой детали снабжен утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском, выполненным за одно целое с ним, с возможностью повышенного упругорадиального изгиба, со смещенными в аксиальном направлении один относительно другого, профилированными кольцевыми переходами по его внутренней и наружной поверхностям, облицованным защитной оболочкой из упругоэластичного материала, выполненной в виде охваченного им кольца, сужающегося по толщине к внутренней поверхности защитного покрытия трубы. Резьбовая нарезка в металлической трубчатой детали выполнена по ее внутренней поверхности под наружными радиальными заостренными элементами, которые могут быть расположены своими остриями на образующих конической поверхности, наклонной к стенке или торцу трубы. В концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика могут быть выполнены сквозные аксиальные прорези, заполненные материалом защитной оболочки, и сквозные радиальные отверстия, также заполненные материалом оболочки.

Отличительными особенностями предложенного неразъемного соединения являются следующие признаки:
- снабжение кольцевого хвостовика металлической трубчатой детали утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском, выполненным за одно целое с ним,
- возможность повышенного упругорадиального изгиба концевого тонкостенного пояска,
- наличие смещенных в аксиальном направлении одного относительно другого профилированных кольцевых переходов по внутренней и наружной поверхностям концевого тонкостенного пояска,
- наличие облицовочной защитной оболочки на концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика из упругоэластичного материала, выполненной в виде охваченного им кольца,
- суженность по толщине к внутренней поверхности защитного покрытия трубы облицовочной защитной оболочки,
- выполнение резьбовой нарезки в металлической трубчатой детали по ее внутренней поверхности под наружными радиальными заостренными элементами,
- расположение наружных радиальных заостренных элементов своими остриями на образующей конической поверхности, наклонной к стенке или торцу трубы,
- выполнение в концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика сквозных аксиальных прорезей, заполненных материалом защитной оболочки,
- выполнение в концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика сквозных радиальных отверстий, заполненных материалом оболочки.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на выполнение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Снабжение кольцевого хвостовика металлической трубчатой детали утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском позволяет обеспечить плавный упругорадиальный изгиб кольцевого хвостовика по направлению перехода к особотонкостенной трубе из композиционного материала и совместное их деформирование без раскрытия стыка между ними под воздействием высокого избыточного давления, надежность герметизации облицовочной защитной оболочкой в виде охваченного им кольца, сужающегося по толщине к внутренней поверхности защитного покрытия. Наличие аксиальных прорезей на концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика уменьшает кольцевую жесткость и увеличивает деформативность пояска в аксиальном направлении, что расширяет возможность использования неразъемного соединения металлической трубчатой детали с различной толщиной трубы из композиционного материала. Размещение в аксиальных прорезях и радиальных отверстиях концевого тонкостенного пояска упругоэластичного материала повышает надежность герметизации стыка. Расположение остриев наружных радиальных остроконечных элементов на образующих конической поверхности, наклонной к стенке трубы или к ее торцу, также расширяет технические возможности закрепления металлической трубчатой детали в композиционном материале трубы в зависимости от ее толщины и геометрии профиля. Расположение резьбовой нарезки в теле металлической трубчатой детали под наружными радиальными заостренными элементами сокращает габариты металлической трубчатой детали по длине и увеличивает надежность закрепления присоединяемой детали посредством ее резьбовой нарезки. Наличие смещенных профилированных переходов на наружной и внутренней поверхностях концевого тонкостенного пояска к концевому хвостовику уменьшает концентрацию напряжений и обеспечивает плавный упругорадиальный изгиб тонкостенного пояска.

Указанные отличительные существенные признаки неразъемного соединения являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу создания высокоэффективного неразъемного соединения металлической трубчатой детали с особотонкостенной трубой из композиционного материала высокой прочности и надежности, что позволяет характеризовать новое техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом проектно-конструкторской разработки и экспериментальной отработки, творческого вклада, без использования стандартизованных решений, рекомендаций или указаний в данной области техники, в совокупности новых существенных и общих известных существенных признаков соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и кратким их описанием.

На фиг. 1 представлен общий вид (аксиальное сечение) неразъемного соединения металлической трубчатой детали с наружными радиальными заостренными элементами с трубой из композиционного материала, на фиг. 2 - кольцевой хвостовик металлической трубчатой детали с утоненным по толщине тонкостенным пояском с профилированными кольцевыми переходами по внутренней и наружной поверхностям, облицованный защитной оболочкой из упругоэластичного материала, на фиг. 3 и на фиг. 4 - варианты расположения остриев наружных радиальных заостренных элементов на наклонной конической поверхности, на фиг. 5 - концевой тонкостенный поясок кольцевого хвостовика металлической трубчатой детали с аксиально расположенными прорезями, на фиг. 6 - показ сквозных радиальных отверстий в концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика.

Более подробное описание сущности изобретения с указанием позиций на чертежах состоит в следующем.

Неразъемное соединение содержит трубу 1 из композиционного материала на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего, внутреннее защитное покрытие 2 и металлическую трубчатую деталь 3 с наружными радиальными заостренными элементами 4, зафиксированными в материале трубы 1. Металлическая трубчатая деталь 3 имеет резьбовую нарезку 5 и кольцевой хвостовик 6, заключенный в оболочку 7, снабженный утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском 8, выполненным за одно целое с ним, с возможностью повышенного упругорадиального изгиба, со смещенными в аксиальном направлении один относительно другого профилированными кольцевыми переходами 9 и 10 по его внутренней и наружной поверхностям 11, 12, облицованным защитной оболочкой 7 из упругоэластичного материала, выполненной в виде охваченного им кольца, сужающегося по толщине к внутренней поверхности 13 защитного покрытия 2 трубы 1. Резьбовая нарезка 5 в металлической трубчатой детали 3 выполнена по ее внутренней поверхности 14 под наружными радиальными заостренными элементами 4. Наружные радиальные заостренные элементы 4 могут быть расположены своими остриями 15 на образующих конической поверхности 16, наклонной к стенке трубы 1 или к торцу 17. В концевом тонкостенном пояске 8 кольцевого хвостовика 6 могут быть выполнены сквозные аксиальные прорези 18 и/или сквозные радиальные отверстия 19, заполненные материалом 20 защитной оболочки 7.

Изготовление оболочки 1 из композиционного материала с металлической трубчатой деталью 3 на ее конце заключается в установке на специальную оправку (условно не показано) металлической трубчатой детали 3, кольцевой хвостовик 6 которой совместно с утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском 8 облицован защитной оболочкой 7 из упругоэластичного материала. Сквозные аксиальные прорези 18 и сквозные радиальные отверстия 19 заполнены упругоэластичным материалом 20 этой же оболочки 7 при ее выполнении. Затем на оправку наносят защитное покрытие 2 и спирально навиваемые перекрещивающиеся стеклонити, пропитанные полимерным связующим, так, что охватывают по своим направлениям наружные радиальные заостренные элементы 4. Полученную заготовку термообрабатывают по режимам полимеризации полимерного связующего, извлекают оправку и получают трубу 1 с металлической трубчатой деталью 3, соединенные неразъемным соединением.

При использовании трубы 1 из композиционного материала на нее и металлическую трубчатую деталь 3 воздействует избыточное давление среды, например газового потока или транспортируемой жидкости. От аксиального перемещения металлическую трубчатую деталь 3 удерживают наружные радиальные заостренные элементы 4 и адгезионная связь слоев композиционного материала трубы 1 с наружной поверхностью металлической трубчатой детали 3. Благодаря совместности деформаций утоненного концевого тонкостенного пояска 8, облицованного упругоэластичным материалом защитной оболочки 7, и тонкостенной трубы 1 из композиционного материала неразъемное соединение не раскрывается, обеспечивает прочность и надежность стыка, защитная оболочка 7 из упругоэластичного материала, суженная по толщине к внутренней поверхности 11 защитного покрытия 2, одновременно деформируется в зоне стыка со стенкой трубы 1 и концевым тонкостенным пояском 8 кольцевого хвостовика 6. При этом смещенные один относительно другого профилированные кольцевые переходы 9 и 10 по внутренней и наружной поверхностям 11, 12 обеспечивают плавный упругий изгиб концевого тонкостенного пояска 8 относительно кольцевого хвостовика 6 без концентрации напряжений, которые могли бы вызвать в пояске 8 остаточные деформации и соответственно раскрытие стыка. Неразъемное соединение трубы 1 из композиционного материала с металлической трубчатой деталью 3, изготовленное с использованием нового технического решения, подвергалось гидравлическим испытаниям на воздействие высокого избыточного давления, результаты испытаний положительные.

Таким образом, новое техническое решение воспроизводимо промышленным способом, при реализации в неразъемных соединениях труб из композиционных материалов с металлическими трубчатыми деталями дает новый технический результат, в предложенной совокупности новых и известных существенных признаков является высокоэффективным и технологичным, соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Следует отметить, что могут быть различные варианты выполнения неразъемного соединения в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема изобретения, изложенного в пунктах формулы.

Изобретение относится к соединениям труб-оболочек из композиционных материалов с металлическими трубчатыми деталями, преимущественно неразъемным, установленных на их конце, и может быть использовано в трубах для транспортирования жидких или газообразных сред, в корпусах, баллонах высокого давления. Неразъемное соединение содержит трубу из композиционного материала, металлическую трубчатую деталь с наружными заостренными элементами и тонкостенным концевым пояском, облицованным защитной оболочкой. Труба может быть выполнена на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего. Поясок выполнен за одно целое с трубчатой деталью. Кольцевые переходы пояска смещены в аксиальном направлении. Защитная оболочка выполнена в виде кольца, охваченного упругоэластичным материалом и сужающегося по толщине к внутренней поверхности. Изобретение повышает прочность, надежность и герметичность стыка неразъемного соединения. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Неразъемное соединение, содержащее трубу из композиционного материала на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего, внутреннее защитное покрытие и металлическую трубчатую деталь с наружными радиальными заостренными элементами, зафиксированными в материале трубы, резьбовой нарезкой и кольцевым хвостовиком, заключенным в оболочку, отличающееся тем, что кольцевой хвостовик металлической трубчатой детали снабжен утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском, выполненным за одно целое с ним, с возможностью повышенного упругорадиального изгиба, со смещенными в аксиальном направлении один относительно другого профилированными кольцевыми переходами по его внутренней и наружной поверхностям, облицованным защитной оболочкой из упругоэластичного материала, выполненной в виде охваченного им кольца, сужающегося по толщине к внутренней поверхности защитного покрытия трубы. 2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что резьбовая нарезка в металлической трубчатой детали выполнена по ее внутренней поверхности под наружными радиальными заостренными элементами. 3. Соединение по п.1 или 2, отличающееся тем, что наружные радиальные заостренные элементы расположены своими остриями на образующих конической поверхности, наклонной к стенке или торцу трубы. 4. Соединение по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что в концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика выполнены сквозные аксиальные прорези, заполненные материалом защитной оболочки. 5. Соединение по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что в концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика выполнены сквозные радиальные отверстия, заполненные материалом оболочки.