ШАРНИРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 2022 года по МПК F16L27/02 B67D9/02 

Область техники

Настоящее техническое решение относится к области трубопроводного транспортирования нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких, газообразных (в том числе отпарной газ) и текучих продуктов (далее – транспортируемый продукт) в составе стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов, шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов, загрузочных рычагов для использования на нефтяных, химических, газовых терминалах морских и речных портов, в море между плавсредствами, а также применяется в установках слива – налива железнодорожных цистерн и автоцистерн, шланговых установках налива, бункеровочных установках для заправки морских и речных судов, в установках заправки космических ракет, пожарных брандспойтах, а также в установках отгрузки пищевой текучей продукции и коннекторах.

Уровень техники

Из уровня техники известно, что шарнир – это герметичный полый узел, обеспечивающий подвижное соединение двух труб продуктопровода (трубопровода) с вращением вокруг своей оси (стандарт, СТО Газпром 2-3.4-1255-2021 «Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа. Стендерное оборудование. Общие технические условия.»).

Известно также, что в соответствии с OSIMF «Международный морской форум нефтяных компаний» «Проектная и конструкторская спецификация МОРСКИЕ СТЕНДЕРЫ», ISO 16904:2016 «Нефтяная и газовая промышленность - Проектирование и испытания морских перегрузочных рукавов СПГ для обычных береговых терминалов», СТО Газпром 2-3.4-1255-2021 «Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа. Стендерное оборудование. Общие технические условия» шарнир (шарнирное соединение) рассматривается как отдельный узловой элемент конструкции оборудования (стендеров, перегрузочных рукавов, шланговых установок), для которого предусмотрены специальные требования по эксплуатации, выполнению комплекса расчетов, а также требования по проведению испытаний и критерии оценки прохождения испытаний.

Известен стендер (патент SU619385A1 от 13.10.1975, класс МПК B63B 27/24), содержащий стояк, стрелу, соединенную со стояком шарниром и состоящую из двух сходящихся труб и верхнего трубчатого пояса, совместно образующих ферму пирамидальной формы, при этом трубы и пояс соединены распорками. Кроме того, стендер содержит гусек, присоединительное устройство с патрубком, хвостовик с противовесами и канатно-блочный привод. Достоинствами предложенной конструкции стендера является улучшенная конструкция, состоящая из двух сходящихся труб и верхнего трубчатого пояса, совместно образующих ферму пирамидальной формы, т.е. по сути предложена двух плечевая конструкция стрелы стендера. Соответственно нагрузка распределяется равномерно на два плеча и два шарнира, установленных на плечах параллельно, а не на одно плечо стрелы и один шарнир, как было в других конструкциях и тем самым равномерно распределяется по шарнирам. Таким образом, на каждый шарнир плеча применяется осевая и радиальная нагрузка в два раза меньше.

Недостатком данного стендера является установка как минимум двух дополнительных шарниров на вторую трубу (плечо) стрелы, дополнительный вес второй трубы и противовеса, сложный в производстве узел шарнирного перехода от опоры к двум трубам стрелы, что увеличивает общий вес оборудования, его себестоимость и трудоемкость в производстве. Кроме того, характеристики, технология и конструктив шарниров в данном изобретении стендера не рассматриваются.

Известно шарнирное устройство, рассмотренное в приводе поворота шарнирно сочлененных трубопроводов (патент RU160741U1 от 17.09.2015, класс МПК F16L 27/02), содержащего пару подвижно сочлененных труб и двигатель, при этом, в привод добавлена червячная передача, причем червяк, соединенный с двигателем, закреплен на одной трубе, а червячное колесо закреплено на другой трубе пары. Кроме того, в привод поворота шарнирно сочлененных трубопроводов добавлен датчик для контроля взаимного углового положения труб. Согласно описанию и фиг., представленных в патенте, поворот шарнирно сочлененных трубопроводов обеспечивается однорядным подшипником, размещенным между двух фланцев трубопровода. Подшипник или опорно-поворотные устройства подобного типа являются отдельным узловым элементом в приводе поворота шарнирно сочлененных трубопроводов.

Недостатком данного решения является большие габариты и вес шарнирного устройства с подшипником, а также наличие одного ряда качения шариков в подшипнике, что делает данное устройство применимым в небольших сливо-наливных устройствах с небольшими осевыми и радиальными нагрузками. Шарнирное устройство не применимо в стендерах и других аналогичных установках, поскольку не отвечает требованиям действующих стандартов, а также не применимо для отгрузки СПГ, поскольку отсутствует обеспечение смазки подшипника шарнира, необходимое при криогенных температурах.

Известны шарниры или шарнирные соединения трубопроводов, упоминаемые в составе «Сбалансированных загрузочных рукавов» (патент RU2580488 C2 от 17.05.2011, класс МПК B67D 9/02), «Шарнирный рукав для перекачки текучей среды с пружинной балансировкой при большом угле отклонения (патент RU2240279C2 от 13.06.2000, класс МПК B67D 5/01), «Устройство для передачи текущей среды в открытом море» (патент RU2359859C2 от 22.11.2005, класс МПК B63B27/34), «Морская погрузочная система» (патент US4299261A от 17.10.1979, класс МПК B67D9/02), Погрузочный рукав в сборе с направляющим тросом (патент RU2323867C2 от 20.04.2004, класс МПК B65G67/00, B67D5/70), «Устройство с сочленённым манипулятором для загрузки и разгрузки продуктов, в частности текучих продуктов (патент RU2274579C2 от 13.09.2001, класс МПК B63B 27/34, B67D5/70).

Недостатком представленного оборудования является то, что узлы оборудования, включающие шарнирные соединения, дополнительно усиливаются несущими конструкциями. Это указывает на то, что шарниры в указанных выше изобретениях не предназначены для удержания массивных трубопроводов и стрел, что требует установки дополнительного удерживающего каркаса, подшипников и опорно-поворотных устройств, что ведет к большему увеличению веса оборудования. При этом отсутствие возможностей по замене всех уплотнителей или самого шарнира в случае разгерметизации, деформации или износа дорожек качения шариков в шарнире ведет к длительным, сложным и дорогостоящим операциям по разборке всего оборудования. Кроме того, характеристики, технология и конструктив шарниров в данных изобретениях не рассматриваются.

Известны шарнирные соединения упомянутые в конструкции «Одиночный уравновешенный морской погрузочный рычаг» (патент US3547153A от 10.06.1968, класс МПК B67D9/02). В представленном на фиг.5. патента разрезе трубопровода, узел опоры с переходом на стрелу имеет три шарнирных соединения, указанных под номерами: 42 – шарнир опоры; 48 и 52 – шарниры поворота стрелы. Для укрепления узла и воздействия радиальной нагрузки на шарниры, установлена цапфа с опорно-поворотными устройствами с одной дорожкой качения: 76 и 78. Разрез шарниров 42 и 48 показывает, что шарниры имеют два корпуса каждый с двумя дорожками качения шариков, один из корпусов выполняет роль статора, другой ротора. Статор несъёмно закреплен на трубопроводе, ротор крепится к фланцу болтовым соединением. Между статором и фланцем установлен уплотнитель 44 и установлено стопорное кольцо 46. Конструкция шарнира 52 отличается отсутствием уплотнителя 44 и стопорного кольца 46 (не показаны на фиг.5 данного патента) в виду отсутствия текучего продукта в данной части узла – шарнир выполняет только несущую функцию.

Недостатком данного решения является то, что узел перехода трубопровода с двумя шарнирами 42 и 48 от опоры в стрелу дополнительно усилен каркасом цапфы с опорно-поворотным устройством и несущим шарниром 52, это указывает на то, что шарниры не предназначены для удержания массивных трубопроводов и стрел, что требует установки дополнительного удерживающего каркаса. Наличие фланца только с одной стороны шарнира, позволяет осуществить замену уплотнителя 44. С другой стороны шарнира возможностей для замены уплотнителя – грязевика, который обеспечивает защиту от попадания влаги, льда и грязи в полость дорожек качения шариков нет. В представленном на фиг.5 патенте, уплотнитель - грязевик не указан или отсутствует. Отсутствие уплотнителя – грязевика является недостатком данной конструкции шарнира. Износ уплотнителя – грязевика или его отсутствие приводит к быстрому износу и деформации дорожек качения в следствии попадания грязи, морской воды, образования льда в полости дорожек качения, а это влечет за собой разборку всего габаритного и многотонного оборудования. Демонтаж шарнира на трубопроводе оборудования невозможен, т.к. статор шарнира соединен с трубопроводом сваркой. Разъединить ротор от статора возможно только после извлечения всех шариков. Производить такие работы на высоте очень сложно. Применение специальных материалов, обеспечивающих большую несущую способность и меньший износ ротора и статора шарнира ведет к трудностям при производстве, - сварка разных сталей статора трубопровода требует специальных технологических решений. Стопорное кольцо 46, как съемный элемент шарнира само подвержено воздействию потока продукта и не может в полной мере закрыть уплотнитель 44 от абразива и твердых примесей в потоке продукта, а также от выхода уплотнителя под действием вакуума, который может образоваться в трубопроводе, что влияет на герметичность шарнира.

Известен шарнир, отраженный в техническом решении: «Подшипниковое устройство с дорожками для применения в поворотном соединении (варианты) и поворотное соединение (варианты) (патент RU2154225C2 от 12.06.1995, класс МПК F16L27/00, F16C19/02). Подшипниковое устройство с дорожками можно применять в поворотном соединении труб или трубопроводов. Охватываемый соединитель (выполняет роль статора) и охватывающий соединитель (выполняет роль ротора) подшипникового устройства имеют центральную ось и множество кольцеобразных канавок, расположенных одна над другой в соответствующей плоскости и образующих дорожку качения шариков, каждая из канавок имеет, по существу, дугообразное поперечное сечение, причем каждая наружная канавка в охватывающем соединителе имеет прямолинейный сегмент и смещенный радиус, а канавка в обхватываемом соединителе образована по существу с таким же радиусом, как шариковый подшипник. Каждая последующая канавка и соответственно дорожка качения шариков имеет радиус, превышающий радиус предыдущей канавки, таким образом дорожки качения шариков расположены ступеньками относительно каждой предыдущей дорожки. Кольцеобразное уплотнение имеет наружную уплотняющую поверхность, принимаемую отверстием уплотнения, таким образом она уплотняется с внутренними периферийными поверхностями внутренних частей охватываемого и охватывающего соединителей, причем оно имеет внутреннюю поверхность, по существу, заподлицо с каналом для потока жидкости.

Данное решение позволяет за счет ступенчатого расположения дорожек более равномерно распределить нагрузку на все множество дорожек, а форма канавок дорожки позволяет получить большую площадь контакта между каждым шариком и дорожкой качения, уменьшая тем самым концентрацию нагрузки. Такое решение снижает вероятность образования вмятин или деформаций на поверхности дорожек качения шариков, а герметичность применяемого улучшенного уплотнения меньше подвержена влиянию образования вмятин и деформаций от воздействия нагрузок. Указанное техническое решение шарнира взято за прототип.

Недостатком вышеприведенного решения является то, что множество дорожек и их ступенчатое расположение ведет к увеличению габаритов и веса устройства. Дугообразное поперечное сечение формы канавки обеспечивает контакт шарика с каждой канавкой в одной точке, то есть две точки контакта шарика с дорожкой качения, которые принимают на себя нагрузку, при этом увеличенная площадь контакта приводит к излишнему трению шарика о дорожку, что ведет к износу с последующей потерей герметичности уплотнителя устройства. Поток текучего продукта с возможным содержанием абразива, скорость которого может достигать 12 м/с, существенно влияет на уплотнитель, расположенный заподлицо с каналом для потока жидкости, задирая уплотнитель, тем самым снижая герметичность и срок его службы. Образующийся в трубопроводе вакуум, может привести к разгерметизации уплотнителей, установленных заподлицо с каналом для потока жидкости.

Из приведенных выше примеров известных изобретений видно, что шарнирное соединение трубопровода играет важную роль в конструкции оборудования для слива – налива и отгрузки транспортируемых продуктов. Шарнир должен обладать большой несущей способностью – этим определяются габариты, вес, трудоемкость в производстве и себестоимость оборудования, частью которого шарнир является. Шарнир должен обладать возможностью замены уплотнений, а также возможностью замены самого шарнира, в том числе его ротора и статора, не снимая стрелы и не разбирая при этом оборудование для слива – налива и отгрузки транспортируемого продукта. Шарнир должен обеспечивать герметичность при заданном давлении и криогенных температурах транспортируемого продукта. Шарнир должен быть простым при производстве и сборке оборудования, в составе которого он находится.

Задачей заявляемого технического решения, является разработка нового шарнирного соединения трубопроводов кассетного типа для применения в конструкции стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов (рычагов), шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов и других сливо-наливных установках для отгрузки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких и газообразных (в том числе отпарного газа) продуктов, обладающего большой несущей способностью, в том числе способного выдерживать большую осевую и радиальные нагрузки, обеспечивать герметичность при заданном давлении и криогенных температурах транспортируемого продукта. Конструкция шарнира должна обеспечивать возможность демонтажа и замены уплотнений и возможность демонтировать и заменить ротор и статор шарнира (принцип кассеты), не разбирая при этом оборудование, частью которого шарнир является, а также обеспечить снижение трудоемкости, металлоемкости и себестоимости при производстве вышеуказанного оборудования.

Раскрытие сущности технического решения

Техническое решение вышеприведенной задачи решается за счет того, что шарнирное соединение трубопроводов, содержащее шарнир, имеющий два конструкционных фланца и два корпуса, каждый из которых выполнен как минимум с двумя параллельными дорожками качения шариков, при этом один из корпусов выполняет роль статора, другой ротора, где дорожка качения шариков выполнена в «V» образной форме арочного типа, при этом в корпусе статора и ротора имеется канал подачи инертного газа в полость шарнира, а сами уплотнители со стороны транспортируемого продукта расположены внутри шарнира за выступом-затвором, а сам шарнир имеет отверстие ревизии. Указанное техническое решение обеспечивает большую несущую способность шарнира, в том числе способного выдерживать большую осевую и радиальные нагрузки, а также герметичность шарнира при заданном давлении и температуре (в том числе криогенной) транспортируемого продукта, что обеспечивает применение шарнира в конструкциях стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов (рычагов), шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов и других сливо-наливных установках для отгрузки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких, газообразных (в том числе отпарного газа) и текучих продуктов.

Возможно техническое решение, где шарик имеет четыре точки контакта с «V»-образной дорожкой качения арочного типа, то есть по две точки контакта на канавку ротора и статора. Указанное техническое решение обеспечивает большую несущую способность шарнира, шарик в «V»-образной дорожкой качения арочного типа все время находится в состоянии нагрузки по всем четырем точкам контакта, нагрузка и соответственно реакция равномерно распределяется по точкам касания шарика с дорожкой, больше суммарная площадь контакта, за счет чего шарнир имеет большую несущую способность, то есть способен выдерживать большую осевую и радиальную нагрузки.

Возможно техническое решение, где ротор и статор в сборе, закреплены болтовым соединением между двух конструкционных фланцев и, образуют шарнир кассетного типа. Указанное техническое решение обеспечивает возможность демонтажа и замены уплотнений, а также возможность демонтировать и заменить ротор и статор шарнира (принцип кассеты), не разбирая при этом оборудование, частью которого шарнир является, а также обеспечивает снижение трудоемкости, металлоемкости и себестоимости при производстве вышеуказанного оборудования для транспортировки продукта.

Возможно техническое решение, где конструкционные фланцы могут применяться с воротником под приварку к трубопроводам или без воротника под приварку. Указанное техническое решение обеспечивает снижение трудоемкости, металлоемкости и себестоимости при производстве нового оборудования, частью которого шарнир является и его последующее техническое сервисное обслуживание. Материал фланцев может быть аналогичен материалу трубопровода, что упрощает технологию сварки при производстве оборудования. Применение конструкционных фланцев шарнира без воротника под приварку позволяет производить ремонт старых стендеров и другого оборудования, где уже есть два стандартных фланца, кассетный шарнир сборе с конструкционными фланцами устанавливается между двух старых стандартных фланцев и стягивается болтами, тем самым увеличивая несущие способности и продлевая срок службы оборудования.

Возможно техническое решение, где инертный газ подается в канал через штуцер, расположенный на статоре, далее по каналу внутри статора подводится в полость шарнира в трех местах: зона уплотнителей со стороны транспортируемого продукта, зона дорожек качения шариков и зона уплотнителей фланцев и выводится из полости шарнира через канал и штуцер, расположенные на роторе. Указанное техническое решение обеспечивает применение шарнира с взрывоопасными транспортируемыми продуктами, имеющими в том числе криогенные температуры (СПГ), а также эксплуатацию шарнира при низких арктических температурах окружающего воздуха.

Возможно техническое решение, где внутренняя полость шарнира разделена, как минимум на две зоны уплотнительными кольцами. Указанное техническое решение обеспечивает разделение внутренней полости шарнира по ее назначению, что ведет к правильной работе уплотнителей, установленных со стороны транспортируемого продукта и отсутствию в данной зоне смазки из зоны дорожек качения шариков и образует зону ревизии обнаружения утечки.

Возможно техническое решение, где в отверстие ревизии может быть установлен датчик обнаружения утечки. Указанное техническое решение обеспечивает не только визуальное обнаружение начальной стадии утечки шарнира при проведении очередного технического осмотра оборудования, что требует проведения опасных высотных работ с применением специального снаряжения и подъемных средств, но и позволяет в режиме реального времени получать информацию от датчика утечки о состоянии шарнира, что увеличивает безопасность оборудования, работающего на опасных производственных объектах, в составе которого установлены шарниры.

Возможно техническое решение, где транспортируемый продукт представляет собой: нефть, нефтепродукты, жидкие химические продукты, сжиженный природный газ (СПГ), газовый конденсат и другие жидкие, газообразные (в том числе отпарной газ) и текучие продукты. Указанное техническое решение обеспечивает многофункциональное применение шарнира с вышеуказанными продуктами в зависимости от его материального исполнения.

Краткий перечень чертежей

На фиг. 1 показан общий вид шарнирного соединения в сборе;

На фиг. 2 показан разрез шарнирного соединения;

На фиг. 3 показан разрез шарнирного соединения СПГ (для жидких или газообразных продуктов с криогенными температурами;

На фиг. 4 показан схематичный разрез с параллельными «V»-образными дорожками качения арочного типа;

На фиг. 5 показаны схемы реакций от действия внешней радиальной силы или внешней осевой силы на шарик в «V»-образной дорожке качения арочного типа;

Fr0 – максимальная внешняя радиальная сила, действующая на шарик;

Fa0 - максимальная внешняя осевая сила, действующая на шарик;

Rr01, Rr02; Ra01, Ra02 - реакция от действия радиальной или осевой силы соответственно на шарик.

Поз. 1 – ротор;

Поз. 2 – статор;

Поз. 3 – фланец ротора (конструкционный с воротником под приварку к трубопроводу);

Поз. 4 – фланец статора (конструкционный с воротником под приварку к трубопроводу);

Поз. 5 – «V» образные параллельные дорожки арочного типа с двумя канавками качения шариков;

Поз. 6 – первичное уплотнение со стороны транспортируемого продукта;

Поз.7 - вторичное уплотнение со стороны транспортируемого;

Поз. 8 – кольцо антиэкструзионное;

Поз. 9 – уплотнительное кольцо зоны дорожек шарнира;

Поз. 10 – уплотнительное кольцо фланца статора;

Поз. 11 – уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней влаги и грязи;

Поз. 12 – заглушка - штуцер с масленкой;

Поз. 13 – отверстие ревизии утечки и винт заглушка.

Поз. 14 – штуцер для входа инертного газа (азота - N2) на статоре;

Поз. 15 – канал подачи инертного газа (азота - N2) на статоре;

Поз. 16 – канал и штуцер для выхода инертного газа (азота - N2) на роторе;

Поз. 17 – дополнительное уплотнение;

Поз. 18 – выступ - затвор на роторе для удержания уплотнителя;

Поз. 20 – шарик;

Поз. 21 – точки касания шарика дорожки;

Поз. 22 – полость шарнира;

Поз. 23 – болты;

Поз. 24 – отверстия для болтов;

Поз.25 – ось шарнира (канала транспортировки продукта);

Поз. 26 – сквозной канал для транспортировки продукта, сообщающийся с трубопроводами;

Осуществление технического решения

В заявляемом техническом решении применяются следующие термины и определения:

Стендер (другие встречающиеся в литературе названия: стендер морской/речной, загрузочный, погрузочный рукав (рычаг), marine loading arms, MLA) – это шарнирно-сочлененный металлический трубопровод с необходимыми для его функционирования компонентами, обеспечивающий компенсацию колебаний судна, вызванных приливно-отливными характеристиками акватории, ветровыми и волновыми нагрузками, изменением осадки судна в процессе погрузо-разгрузочных операций, а также предназначенный для слива - налива нефти и нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженных природных газов (СПГ), масел в судно - танкер и/или отвода паровоздушных смесей при выполнении погрузочно-разгрузочных операций.

В заявленном техническом решении реализован шарнир (шарнирное соединение), который имеет малые габариты рабочей длинны в оси, что обеспечивает меньший рычаг на стреле и, следовательно, меньшее воздействие радиальной силы;

Шарнир имеет два конструкционных фланца с воротником под приварку к трубопроводу, что обеспечивает простой способ монтажа шарнира, как при производстве, так и в процессе эксплуатации на стендере. Материал фланцев может быть аналогичен материалу трубопровода, что упрощает технологию сварки на производстве.

На фиг. 2 и 3 представлен шарнир кассетного типа. Разъединив фланцы специальными струбцинами, которые крепятся на шарнире в отверстиях расположения болтов (24), можно заменить не только первичный (6) и вторичный (7) уплотнители, антиэкструзионное кольцо (8) и уплотнители (10, 11, 17), но и сам шарнир без разборки стендера или иного габаритного оборудования, узловой частью которого является шарнирное соединение.

Шарнир имеет установленные уплотнительные кольца (9), разделяющие шарнир на отдельные зоны. Уплотнительные кольца предотвращают попадание смазки из зоны дорожек качения шариков в зону ревизии утечки шарнира, а также перекачиваемого продукта или внешней среды (вода, лед, грязь) в зону дорожек качения шариков.

Шарнир имеет отверстие ревизии (13) утечки с заглушкой. В случае необходимости, заглушка может быть заменена на датчик утечки транспортируемого продукта;

Шарнир имеет первичное (6) и вторичное (7) уплотнение со стороны контакта с транспортируемым продуктом с установленным между ними антиэкструзионным кольцом (8) (далее - уплотнители со стороны транспортируемого продукта), обеспечивающим скольжение между ротором и статором и правильную посадку уплотнителей без перекосов.

Первичный уплотнитель является основным уплотнителем, контактирующим с транспортируемым продуктом, протекающим внутри трубопровода и шарнира, и обеспечивающим герметичность шарнира при заданных параметрах давления.

Вторичный уплотнитель выполняет роль вспомогательного уплотнителя на случай нарушения герметичности первого уплотнителя, а также предотвращает попадание внешней среды и смазки из зоны дорожек качения к первичному уплотнителю.

Материал, вид и форму первичного и вторичного уплотнителей подбирают индивидуально в зависимости от транспортируемого продукта, давления и температуры эксплуатации.

Место установки уплотнителей: параллельно оси шарнира, как показано на фиг.2, комбинированно – перпендикулярно и параллельно, как показано на фиг.3, или перпендикулярно к оси шарнира выбирается индивидуально в зависимости от действующих нагрузок на шарнир (осевых и/или радиальных), транспортируемого продукта, скорости потока, давления / вакуума, температур эксплуатации, а также удобства монтажа и проведения технического обслуживания на объекте установки оборудования. При этом возможно применение только первичного уплотнения, что также подбирается индивидуально. Форму антиэкструзионного кольца выбирают в соответствии с применяемыми уплотнителями и задачей кольца.

Ротор и статор шарнира имеют специальные ложементы для установки уплотнителей по их форме и условиями эксплуатации. На статоре шарнира имеется специальный выступ - затвор (18), который прилегает к фланцу шарнира с небольшим зазором, тем самым защищает уплотнитель от повреждений возможным абразивом, жесткими частицами внутри потока, влияния скорости самого потока на уплотнитель и направляет текучий продукт в зазор, тем самым распределяя давление непосредственно на уплотнитель, что обеспечивает правильную работу уплотнителя. В случае образования вакуума в трубопроводе выступ - затвор (18) препятствует выходу уплотнителей из своих ложементов и шарнир не теряет своей герметичности.

Шарнир имеет заглушки-штуцеры с масленками (12), соответствующих количеству дорожек качения шариков. Демонтаж и установка шариков качения в шарнир производится через отверстия, на которых установлены заглушки (12). Разборка шарнира (отсоединение ротора от статора) производится после удаления всех шариков из дорожек качения, соответственно процесс сборки шарнира производится с первоначальной установкой шариков через отверстия (12) с последующей установкой заглушек-штуцеров. С помощью масленок производится добавление смазки на дорожку качения шариков.

Шарнир, применяемый с жидкими или газообразными продуктами (фиг. 3), имеющими криогенные температуры (сжиженный природный газ – СПГ) имеет специальный канал (15) подачи газообразного азота - N2 или иного инертного газа под давлением в полость (22) дорожек качения шариков, а также в полость (22) зоны первичного (6), вторичного (7) уплотнителей и кольца (8). Учитывая, что азот подается с температурой выше или, как минимум, сопоставимой окружающей среде, что в разы выше криогенной температуры, за счет этого достигается прогрев уплотнителей и их дополнительное поджатие из внутренней полости шарнира, что повышает характеристики уплотнителей по обеспечению герметичности, предотвращает появление конденсации, обмерзания и образования льда, предотвращая таким образом деформацию шарнира и дорожек качения, оказывает смазывающий эффект дорожек качения шариков, поддерживает в рабочем состоянии имеющуюся смазку шарнира за счет более теплого потока азота, обеспечивает захват, унос природного газа в случае незначительной разгерметизации уплотнителей (6, 7) и попадание газа в полость (22) шарнира, обеспечивая таким образом нейтрализацию взрывоопасных концентраций природного газа. Канал подачи азота может заходить в зону уплотнителей (10 и 17) статора и фланца статора (4), как показано на фиг.3. Азот - N2 подается через штуцер на статоре (14), проходит по каналу (15), попадает в полость зоны дорожек качения (5) и полость зоны уплотнителей (6, 7 и кольцо 8) и зону уплотнителей (10 и 17). Проходя по полостям этих зон азот попадает в канал и штуцер (16) для выхода азота - N2 на роторе.

Материал, исполнение, форма, вид, количество уплотнителей (6, 7 и кольцо 8), а также уплотнителей (9, 10, 17) для шарниров и фланцев, работающих при криогенных температурах, выбираются индивидуально в соответствии с температурой транспортируемого продукта, температурой окружающей среды, давлением, скоростью потока, характеристиками самих уплотнителей.

Фланцы (3, 4), ротор (1) и статор (2) для шарниров, работающих при криогенных температурах применяют нержавеющие стали, выбор марки которых определяется каждый раз индивидуально и обусловлен возможностью выдерживать большие нагрузки при криогенных температурах без охрупчивания материала, а также плюсовых температурах.

Шарнир имеет как минимум две параллельные «V»-образные дорожки качения арочного типа (фиг. 4). Каждую дорожку качения образуют находящиеся в одной плоскости друг на против друга две канавки качения шариков арочного типа одинаковой формы. Одна канавка находится на роторе, другая на статоре. Благодаря такому техническому решению дорожек качения (5), шарик (20) имеет четыре точки контакта (21) с дорожкой качения, то есть две точки контакта с канавкой ротора и две точки контакта с канавкой статора. При этом шарик в дорожке качения все время находится в состоянии нагрузки по всем четырем точкам контакта, за счет чего шарнир имеет большую несущую способность, как показано на схеме реакций от действия внешней радиальной силы или внешней осевой силы на шарик в «V»-образной дорожке качения арочного типа (фиг.5). Формулы, реакции от действия радиальной или осевой силы на шарик приведены ниже:

Rr01=Rr02=Fro/(cos45*2); Ra01=Ra02=Fao/(cos45*2).

В приведенном примере на фиг.5 и формулах показан оптимальный вариант расположения дорожек качения с углом под 45 градусов. Однако, если заранее известно какие нагрузки (осевые или радиальные) будут действовать на шарнир, можно за счет изменения угла точки контакта шарика дорожки увеличить несущую способность шарнира. В частности, более острый угол позволит шарниру выдержать более высокие радиальные нагрузки.

Благодаря техническому решению шарнира с как минимум двумя параллельными «V»-образными дорожками качения арочного типа (фиг. 4) и с термообработкой поверхности до твердости не менее 60 HRC, шарнир можно применять в самонесущих конструкция стендера или иного аналогичного габаритного оборудования, что существенно снизит вес всего оборудования, трудоемкость и себестоимость оборудования при производстве и последующем техническом обслуживании. Оборудование может быть применимо на облегченных причальных конструкциях или на плавсредствах.

Благодаря техническому решению шарнира с «V»-образной дорожкой качения, арочного типа (фиг. 4) шарнир может быть изготовлен не только из конструкционных легированных сталей, подвергаемых термообработке с целью увеличения твердости дорожки качения, но и с более мягкими сталями, к примеру, с нержавеющими сталями, используемыми для химических, пищевых продуктов или продуктов с криогенными температурами.

Заявляемое техническое решение обеспечивает применение шарнирного соединения в конструкции стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов (рычагов), шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов и других сливо-наливных установках для отгрузки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких и газообразных (в том числе отпарного газа) продуктов, обладает увеличенными за счет «V»-образной дорожки качения арочного типа несущими способностями, в том числе способно выдерживать большую осевую и радиальную нагрузки, обеспечивает герметичность при заданном давлении (вакууме) и криогенных температурах жидкого или газообразного продукта. Кассетный тип шарнира обеспечивает возможность демонтажа и замены прокладок шарнира и возможность демонтировать и заменить ротор и статор шарнира в сборе, не разбирая стрел и других конструкций вышеуказанного оборудования, а также обеспечить снижение материалоёмкости и трудоемкости при производстве, что влияет на себестоимость всего оборудования, частью которого шарнир является.

Благодаря техническому решению шарнира с как минимум двумя параллельными «V»-образными дорожками качения арочного типа (фиг. 4) и с поверхностью твердостью не менее 60 HRC, шарнир можно применять в самонесущих конструкция стендера или иного аналогичного габаритного оборудования, что существенно снизит вес всего оборудования, трудоемкость и себестоимость оборудования при производстве и последующем техническом обслуживании. Оборудование с данным шарниром может быть применимо на облегченных причальных конструкциях или на плавсредствах.

Благодаря техническому решению шарнира кассетного типа и «V»-образной дорожкой качения, арочного типа (фиг. 4) шарнир может быть изготовлен не только из конструкционных легированных сталей, подвергаемых термообработке с целью увеличения твердости дорожки качения, но и с применением более мягких сталей, к примеру, из нержавеющих сталей, используемыми для химических, пищевых продуктов или продуктов с криогенными температурами.

Благодаря техническому решению шарнира с применением продувки шарнира азотом - N2 или иным инертным газом, кассетного типа и «V»-образной дорожкой качения, шарнир применим для продуктов с криогенными температурами.

Благодаря техническому решению выступ - затвор (18) между статором и фланцем, а также расположению на своих ложементах уплотнителей внутри корпуса шарнира, обеспечивается повышенная долговечность уплотнителей с применением их полноценных характеристик.

Шарнирное соединение полностью удовлетворяет требованиям:

- OSIMF «Международный морской форум нефтяных компаний» «Проектная и конструкторская спецификация МОРСКИЕ СТЕНДЕРЫ»;

- ISO 16904:2016 «Нефтяная и газовая промышленность - Проектирование и испытания морских перегрузочных рукавов СПГ для обычных береговых терминалов»;

- СТО Газпром 2-3.4-1255-2021 «Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа. Стендерное оборудование. Общие технические условия».

Изобретение относится к области трубопроводного транспортирования нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких, газообразных и текучих продуктов. Используется в составе стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов, шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов, загрузочных рычагов для использования на нефтяных, химических, газовых терминалах морских и речных портов, в море между плавсредствами, а также применяется в установках слива – налива железнодорожных цистерн и автоцистерн, шланговых установках налива, бункеровочных установках для заправки морских и речных судов, в установках заправки космических ракет, пожарных брандспойтах, а также в установках отгрузки пищевой текучей продукции и коннекторах. Шарнирное соединение трубопроводов содержит шарнир, имеющий два конструкционных фланца и два корпуса, каждый из которых выполнен как минимум с двумя параллельными дорожками качения шариков. Один из корпусов выполняет роль статора, другой ротора, где дорожка качения шариков выполнена в «V»-образной форме арочного типа. В корпусе статора и ротора имеется канал подачи инертного газа в полость шарнира, а сами уплотнители со стороны транспортируемого продукта расположены внутри шарнира за выступом-затвором, а сам шарнир имеет отверстие ревизии утечки, позволяющее установить датчик обнаружения утечки. Техническим результатом является создание шарнирного соединения, обладающего большой несущей способностью, в том числе способного выдерживать большую осевую и радиальные нагрузки, а также обеспечить герметичность. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Шарнирное соединение трубопроводов, содержащее шарнир, имеющий два конструкционных фланца и два корпуса, каждый из которых выполнен как минимум с двумя параллельными дорожками качения шариков, при этом один из корпусов выполняет роль статора, другой ротора, отличающееся тем, что дорожка качения шариков выполнена в «V»-образной форме арочного типа, при этом в корпусе статора и ротора имеется канал подачи инертного газа в полость шарнира, а сами уплотнители со стороны транспортируемого продукта расположены внутри шарнира за выступом-затвором, а сам шарнир имеет отверстие ревизии.

2. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что шарик имеет четыре точки контакта с «V»-образной дорожкой качения арочного типа, то есть по две точки контакта на канавку ротора и статора.

3. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что ротор и статор в сборе закреплены болтовым соединением между двумя конструкционными фланцами и образуют шарнир кассетного типа.

4. Шарнирное соединение трубопроводов по п.3, отличающееся тем, что конструкционные фланцы могут применяться с воротником под приварку к трубопроводам или без воротника под приварку.

5. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что инертный газ подается в канал через штуцер, расположенный на статоре, далее по каналу внутри статора подводится в полость шарнира в трех местах: зона уплотнителей со стороны транспортируемого продукта, зона дорожек качения шариков и зона уплотнителей фланцев и выводится из полости шарнира через канал и штуцер, расположенные на роторе.

6. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что внутренняя полость шарнира разделена как минимум на две зоны уплотнительными кольцами.

7. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что в отверстие ревизии может быть установлен датчик обнаружения утечки.

8. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что транспортируемый продукт представляет собой: нефть, нефтепродукты, жидкие химические продукты, сжиженный природный газ (СПГ), газовый конденсат, отпарной газ и другие жидкие, газообразные и текучие продукты.