ШАРНИРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 2025 года по МПК F16L27/00 

Область техники

Настоящее техническое решение относится к области трубопроводной транспортировки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата, отпарных газов и других жидких, газообразных 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 шарнирное соединение (далее шарнир) - подвижное соединение двух труб трубопровода с использованием герметичного полого узла, обеспечивающего вращение труб вокруг своей оси. (ГОСТ Р 70348 - 2022 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. СТЕНДЕРЫ МОРСКИЕ. Общие технические условия»).

Известно шарнирное соединение (патент RU 2776400 C1 от 09.08.2021, класс МПК F16L 27/08, B67D 9/02). Шарнирное соединение включает в себя: наружную обойму и внутреннюю обойму, в наружной обойме выполнено технологическое отверстие для доставки тел качения к дорожкам качения, при этом указанное технологическое отверстие выполнено с возможностью установки в нем пробки, первый и второй фланец, втулку, выполненную с возможностью фиксации относительно внутренней обоймы винтовыми крепежными средствами, пробку, установленную в технологическом отверстии с обеспечением непрерывного профиля дорожки качения. Дополнительно в шарнир включена втулка, образующая теплоизоляционную камеру, а также впускные и выпускные отверстия для азота, выполненные в болтовых соединения фланцев. Техническим результатом является уменьшение габаритов и массы шарнирного соединения, обеспечение равномерности распределения нагрузки на элементы шарнирного соединения, обеспечение более надежной и длительной работы шарнирного соединения.

Недостатком вышеприведенного решения является то, что пробка выполнена с профилем, повторяющим профиль дорожки качения шариков. При этом точность изготовления дорожки качения шариков в шарнире, несущем большие нагрузки измеряется в микронах, а любая подвижка пробки, связанная с извлечением и повторной установкой даже при фиксации ее штифтами приведет к смещению профиля канавки на пробке относительно основной канавки качения шариков, что образует ступеньку для шарика. Разная твердость обоймы и пробки. Все это приведет к быстрому износу дорожек качения шариков и потере герметичности шарнира. Не учтены сложности при закалке и изготовлении пробки с нужным профилем.

Известен шарнир, отраженный в техническом решении: «Подшипниковое устройство с дорожками для применения в поворотном соединении (варианты) и поворотное соединение (варианты) (патент RU 2154225 C2 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 каждой канавки за счет смещенного радиуса, как показано 425 на фиг. 4b образует дорожку шариков, позволяющую 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.

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.

Известно шарнирное соединение для трубопроводов (патент RU 2777679 C1 от 23.11.2021, класс F16L 27/02 (2022.05); B67D 9/02). Шарнирное соединение трубопроводов, имеющее 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 утечки, позволяющее установить датчик обнаружения утечки.

Техническое решение обеспечивает применение шарнира в конструкции стендеров и других устройств отгрузки жидких и газообразных продуктов. За счет исполнения канавок качения шариков «V» образной формы арочного типа, шарнир обладает большой несущей способностью осевых и радиальных нагрузок. При этом каждая дуга (арка) канавки выполнена одинаковым радиусом со смещенным центром, что позволяет разместить шарик в канавке с касанием в двух точках, т.о. увеличивая в 2 раза пятно контакта шарика на канавку, и, следовательно, увеличивается несущая способность шарнира при минимальных габаритах. Указанное техническое решение шарнира взято за прототип.

Недостатком вышеприведенного решения является то, что для изготовления «V» образной формы арочного типа канавки требуется высокоточная механическая обработка канавок ротора и статора. Превышение допусков обработки приведет к неправильной посадке шарика в дорожке качения, что существенно снизит несущие способности шарнира.

Задачей заявляемого технического решения, является разработка нового шарнирного соединения трубопроводов кассетного типа для применения в конструкции стендеров и других загрузочных, погрузочных, перегрузочных устройств, шарнирно-сочленённых трубопроводов для отгрузки жидких и газообразных продуктов, обладающего большой несущей способностью, обеспечивающего герметичность при заданном давлении и 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 является шарнир, а также обеспечить снижение трудоемкости, металлоемкости и себестоимости при производстве вышеуказанного оборудования.

Раскрытие сущности технического решения

Технический результат вышеприведенного решения заключается в разработке шарнирного соединения трубопроводов, которое имеет два фланца, уплотнительный узел и два корпуса цилиндрической формы, каждый из которых выполнен, как минимум с одной канавкой качения шариков, при этом один из корпусов выполняет роль статора, другой - ротора, где каждая канавка образована радиусом со смещенным центром относительно центра шарика, один фланец соединен с корпусом ротора, второй фланец соединен с корпусом статора, а уплотнительный узел имеет седло, первичный уплотнитель, вторичный уплотнитель и уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней среды, при этом седло установлено в паз на корпусе ротора и прижимается сбоку фланцем ротора, в него установлен первичный уплотнитель, который одной стороной плотно прижат к фланцу ротора, а с другой стороны герметично прилегает к плоскости статора и находится за выступом-затвором, расположенным на торце статора, а вторичный уплотнитель установлен в посадочную канавку на роторе и плотно прижат сбоку седла с одной стороны, а второй стороной герметично прилегает к плоскости статора, а уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней среды, установлен между наружной стороной торца корпуса статора с резьбовыми отверстиями и торца ротора, а также имеет конструктивные элементы, применяемые в зависимости от транспортируемого продукта, и представляющие собой две канавки на статоре с кольцевыми уплотнителями, при этом одна канавка выполнена с одной стороны, а другая с другой стороны от канавок качения шариков и отделяют зону дорожек шариков от уплотнительного узла, или конструктивный элемент представляет собой устройство продувки инертным газом полости шарнирного соединения, включающее в себя канал подачи и канал выхода инертного газа, а также штуцер подачи и штуцер выхода инертного газа, расположенные преимущественно на корпусе цилиндрической формы ротора.

Указанное техническое решение обеспечивает хорошую несущую способность шарнира с осевыми и/или радиальными нагрузками, канавки качения шариков образованы одним радиусом, за счет смещенного центра радиуса канавки шарнир может быть более нагружен осевыми и/или радиальными нагрузками. За счет разработки нового уплотнительного узла обеспечивается хорошая герметичность шарнира при высоком давлении и температуре транспортируемого продукта. За счет плотного прижатия первичного уплотнителя к фланцу ротора обеспечивается герметичность шарнира, а также простая установка и извлечение уплотнителя из шарнира при снятом фланце. Обеспечивает за счет герметичного прилегания к плоскости статора герметичность шарнира и жесткую посадку уплотнителя в седло, которое также легко устанавливается или извлекается из шарнира при снятом фланце за счет наличия, но не обязательно, с одной стороны, на торце седла глухих резьбовых отверстий, в которые ввинчивается предпочтительно винты для упрощения извлечения седла из паза на роторе. Первичное уплотнение может применяться как единственное уплотнение без вторичного уплотнения. Вторичное уплотнение предназначено для герметизации шарнира на случай износа и протечки первичного уплотнения, но в случае необходимости, может применяться как единственное уплотнение без первичного уплотнителя. Вторичный уплотнитель легко извлекается из кассеты шарнира путем извлечения в начале первичного уплотнителя и седла и устанавливается в первую очередь, затем устанавливается и первичный уплотнитель. За счет применения конструктивного элемента с двумя канавками на статоре с кольцевыми уплотнителями предотвращается выход смазки из зоны дорожек шариков и попадания в зону дорожек продукта или внешней среды. В случае применения шарниров с криогенными продуктами или иными продуктами канавки на статоре с установленными кольцевыми уплотнителями зоны дорожек шариков могут не применяться ввиду применения продувки инертным газом или отсутствия необходимости. За счет применения конструктивного элемента, представляющего собой устройство продувки инертным газом полости шарнирного соединения, обеспечивается применение шарнира с низкотемпературными или криогенными продуктами, взрывоопасными и/или токсичными и ядовитыми продуктами, а также эксплуатацию шарнира при низких арктических температурах окружающего воздуха. Применение устройства продувки инертным газом может не требоваться при отгрузке большинства известных жидких или газообразных продуктов. В этом случае шарнир не комплектуется устройством продувки инертным газом. Расположение штуцеров подачи и выхода инертного газа соответственно на роторе, статоре, фланцах ротора или статора обеспечивает более удобные варианты в зависимости от применения шарнира, его диаметра и возможности изготовления данного конструкционного элемента. Указанные решения обеспечивают применение шарнира в конструкциях стендеров, загрузочных рукавах, шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов и других сливо-наливных установках для отгрузки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа, газового конденсата, отпарного газа и других жидких, газообразных и текучих продуктов. Конструкция шарнира предоставляет возможность демонтажа и замены уплотнений, а также замены кассеты шарнира ротора и статора, не разбирая при этом оборудование, частью которого является шарнир. Существенно снижает трудоемкость и сложность механической обработки, что влияет на себестоимости при производстве вышеуказанного оборудования.

Возможно техническое решение, где внутри корпуса ротора находится корпус статора. Указанное техническое решение образует кассету шарнира, где в канавках корпуса ротора и корпуса статора находятся шарики.

Возможно техническое решение, где канавка корпуса ротора и канавка корпуса статора образуют дорожку качения шариков, смещенные центры радиусов дуг канавок ротора и статора, центр шарика и точки контакта шарика с канавкой ротора и статора образуют прямую линию, проходящую через указанные точки. Указанное техническое решение обеспечивает одну точку контакта шарика в канавке ротора и одну точку в канавке статора, соединяя ротор и статор, образуя кассету шарнира. Разъединение ротора и статора возможно только после извлечения всех шариков. При этом допускаем, что образуемая прямая линия возможна при точной механической обработке, снижение точности механической обработки ведет к смещению точек прохождения линии, что влияет на снижение несущих способностей шарнира. Обстоятельство изменения расположения точек, что влияет на вид линии, рассматривается в рамках данного технического решения и не является аргументом отступления от данного решения.

Возможно техническое решение, где прямая линия может проходить под острым или прямым углом к оси шарнира. Указанное техническое решение обеспечивает варианты изготовления шарнира в зависимости от того, при каких нагрузках будет применен шарнир. В частности, расположение прямой линии под прямым углом к оси шарнира обеспечивает максимальную несущую способность шарнира к радиальным нагрузкам, соответственно под более острым углом – к осевым нагрузкам.

Возможно техническое решение, где в случае двух параллельных или более канавок качения шариков расстояние между центрами радиусов канавок ротора равно или больше расстояния между центрами радиусов канавок статора или наоборот. Указанное техническое решение обеспечивается за счет двух или более дорожек качения шариков и расположения прямых линий этих дорожек с центром в шарике и проходящих под острым углом к оси шарнира, которые образуют плечо, что делает шарнир восприимчивым к изгибающему моменту, возникающему между двух соединенных шарниром трубопроводов.

Возможно техническое решение, где на торцах корпуса ротора и статора с одной стороны равномерно по их окружности расположены отверстия с резьбой, предназначенной для соединения фланцев болтами, при этом количество отверстий варьируется в зависимости от диаметра, корпусов роторов и стартеров, а с другой стороны на торце статора находится выступ-затвор, а к торцу ротора прилегает уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней среды, закрывая полость шарнира. Указанное техническое решение обеспечивает крепление фланцев соответственно к ротору и статору, тем самым обеспечивая закрепление кассеты шарнира на фланцах, которые установлены на трубопроводе.

Возможно техническое решение, где выступ-затвор образует зазор между фланцем ротора и торцом статора, через который проходит транспортируемый продукт на первичный уплотнитель. Указанное техническое решение обеспечивает за счет выступа-затвора равномерное давление на уплотнитель без влияния на него потока продукта, закрывает уплотнитель от абразива, предотвращает вытягивание уплотнителя образованием вакуума в трубопроводе.

Возможно техническое решение, где седло имеет форму кольца с канавкой на наружной стороне, куда устанавливается уплотнительное кольцо седла, предотвращающее проникновение транспортируемого продукта между седлом и ротором. Указанное техническое решение обеспечивает за счет установки уплотнительного кольца седла герметичность полости шарнира и простую установку седла, дает возможность простого доступа к установке и демонтажу вторичного уплотнителя и обеспечивает жесткую посадку первичного уплотнителя.

Возможно техническое решение, где на корпусе ротора выполнено отверстие ревизии утечки из уплотнительного узла с установленным винтом-заглушкой. Указанное техническое решение позволяет путем извлечения винта-заглушки осмотреть уплотнительный узел на предмет наличия или отсутствия утечки продукта в шарнире.

Возможно техническое решение, где на корпусе ротора выполнено технологическое отверстие с резьбой, закрывающиеся резьбовой заглушкой с возможностью установки масленки или подвода иной смазочной системы, количество технологических отверстий, соответствует количеству дорожек качения шариков, при этом поверхность заглушки, обращенная к дорожке качения шариков, не повторяет профиль канавки. Указанное техническое решение позволяет извлекать и устанавливать шарики в дорожку качения шарнира через технологическое отверстие, которое закрывается заглушкой. Простая форма заглушки не требует дополнительной дорогостоящей обработки по форме дорожки и не требует точной установки с фиксацией штифтами. Наличие масленки на заглушке или подвода трубки смазочной системы, позволяет производить смазку дорожек качения шариков и не требует дополнительных дорогостоящих операций по выполнению отверстий и каналов для подвода смазки в роторе или статоре шарнира.

Возможно техническое решение, где транспортируемый продукт представляет собой: нефть, нефтепродукты, аммиак, метанол, химические продукты, сжиженный природный газ, газовый конденсат, отпарной газ, газообразные и текучие продукты. Указанное техническое решение обеспечивает многофункциональное применение шарнира с любыми жидкими, газообразными и текучими продуктами в зависимости от его материального исполнения и наличия дополнительных элементов конструкции и комплектующих.

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 для продуктов с криогенными температурами;

На фиг. 4 показан разрез уплотнительного узла п.26 шарнира;

На фиг. 5 показана схема установки шариков для двух параллельных дорожек качения шариков;

На фиг. 6 показана дорожка качения шариков п.22.

Поз. 1 - ротор;

Поз. 2 - статор;

Поз. 3 - фланец ротора;

Поз. 4 - фланец статора;

Поз. 5 - резьбовая заглушка с масленкой;

Поз. 6 - болты;

Поз.7 - шарик;

Поз. 8 - отверстие ревизии утечки и винт-заглушка;

Поз. 9 - первичное уплотнение (манжета) со стороны транспортируемого продукта;

Поз. 10 - вторичное уплотнение (манжета);

Поз. 11 - седло;

Поз. 12 - уплотнительное кольцо седла;

Поз. 13 - уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней среды;

Поз. 14 - уплотнительное кольцо зоны дорожек шарнира;

Поз. 15 - уплотнительное кольцо фланца статора;

Поз. 16 - уплотнительное кольцо фланца ротора;

Поз. 17 - выступ-затвор;

Поз. 18 - канал и штуцер для выхода инертного газа (азота - N₂);

Поз. 20 - канал подачи инертного газа (азота - N₂);

Поз. 21 - штуцер подачи инертного газа (азота - N₂);

Поз. 22 - дорожка качения шариков;

Поз. 23 - канавка качения шариков на роторе;

Поз. 24 - канавка качения шариков на статоре;

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

Поз. 26 - уплотнительный узел (фиг. 4);

Поз. 27 - центр радиуса канавки;

Поз. 28 - центр шарика;

Поз. 29 - точки контакта шарика с канавками;

Поз. 30 - прямая линия;

Поз. 31 - плечо;

Поз. 32 - полость шарнира.

R1 - радиус канавки ротора;

R2 - радиус канавки статора.

Осуществление технического решения

В заявляемом техническом решении применяются следующие термины и определения:

Стендер (другие встречающиеся в литературе названия: стендер морской/речной/корабельный, 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.

Конструктивный элемент - часть изделия (шарнирного соединения), выполняющая в нем одну или несколько функций и применяемая в изделии в зависимости от необходимости.

Шарик (шар) - тело, которое состоит из всех точек пространства, расположенных на данном расстоянии от заданной точки, называемой центром шара. Тело, ограниченное сферой, называется шаром. См. также ГОСТ 3722-2014 «Подшипники качения. Шарики стальные. Технические условия». Таким образом, центр шарика и центр радиуса канавки для данного шарика именуются также точкой.

В заявленном техническом решении реализовано шарнирное соединение для трубопроводов (другое название: шарнир), которое имеет малые габариты рабочей длинны в оси, что обеспечивает меньший рычаг на стреле и, следовательно, меньшее воздействие радиальной силы.

Шарнирное соединение трубопроводов, имеет два фланца (фланец ротора 3 и фланец стартера 4), уплотнительный узел 26 и два корпуса цилиндрической формы, на каждом из которых выполнена канавка качения шариков. При этом один из указанных корпусов выполняет роль статора 2, другой - ротора 1. Каждая канавка образована радиусом R1, R2 со смещенным центром 27 относительно центра 28 шарика 7, один фланец 3 соединен с корпусом ротора 1, второй фланец 4 соединен с корпусом статора 2. Уплотнительный узел 26 имеет первичный уплотнитель 9, установленный в седло 11, и вторичный уплотнитель 10, установленный на ротор 1 сбоку седла 11 и уплотнитель 13, предотвращающий проникновение внешней среды, а также имеет конструктивные элементы, применяемые в зависимости от транспортируемого продукта, представляющего собой нефть, нефтепродукты, аммиак, метанол, химические продукты, сжиженный природный газ, газовый конденсат, отпарной газ и другие жидкие, газообразные и текучие продукты.

Сам конструктивный элемент, в зависимости от транспортируемого продукта может быть выполнен:

- в виде канавок на статоре 2 с установленными кольцевыми уплотнителями 14, отделяющие зону дорожек шариков от уплотнительного узла 26. Кольцевые уплотнители, установленные в канавки необходимы для отделения зоны дорожек качения шариков от уплотнительного узла, предотвращая выход смазки из зоны дорожек к уплотнительному узлу, а также предотвращая проникновение продукта или внешней среды в случае утечки через уплотнительный узел. Указанный конструктивный элемент может применяться при транспортировке нефтепродуктов, метанола, аммиака, СУГ и других жидких и газообразных продуктов, т.е. продуктов, температура которых позволяет применять смазку для качения шариков и могут не применяться с продуктами криогенной температуры или в шарнирах, где установлено устройство продувки инертным газом.

- в виде устройства продувки инертным газом полости шарнирного соединения, включающей в себя канал подачи 20 и канал выхода 18 инертного газа, а также штуцер подачи 21 и штуцер выхода 18 инертного газа, расположенные, но не ограничиваясь, на корпусе цилиндрической формы ротора 1. В зависимости от особенностей эксплуатации, диаметра шарнира и технологической возможности по изготовлению, особенно на малых диаметрах могут быть применены различные варианты для изготовления конструктивного элемента устройства продувки инертным газом с расположением штуцеров и каналов доставки инертного газа в полость шарнира с возможным расположением штуцеров входа/выхода на роторе или статоре, фланцах ротора или статора и т.п. Данное устройство необходимо для применения шарнира с низкотемпературными или криогенными продуктами, взрывоопасными и/или токсичными и ядовитыми продуктами, а также эксплуатацию шарнира при низких арктических температурах окружающего воздуха.

Применение устройства продувки инертным газом может не требоваться при отгрузке большинства известных жидких или газообразных продуктов. В этом случае шарнир не комплектуется устройством продувки инертным газом.

На фиг. 1, 2 и 3 представлен шарнир кассетного типа.

На фиг. 4, 5, 6 представлены детально характеристики шарнира. Кассету шарнира образует ротор 1 и статор 2 с установленными шариками 7, уплотнительным узлом 26 и фланцами 3 и 4, закрепленными болтами 6 соответственно на роторе и статоре, а также дополнительные комплектующие в зависимости от продукта и условий эксплуатации.

Разъединив фланцы специальными струбцинами, которые крепятся на шарнире в отверстиях расположения болтов 6, можно заменить первичный 9 и вторичный 10 уплотнитель, седло 11 и уплотнительное кольцо седла 12. Также можно поменять кассету шарнира (ротор и статор в сборе) без разборки стендера или иного габаритного оборудования.

Шарнир имеет два фланца 3 и 4 (стандартизированный и / или конструкционный) 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.

Шарнир имеет, как минимум, одну дорожку 22 качения шариков, фиг. 6. Каждая дорожка качения шариков образуется канавкой на роторе 23 и канавкой на статоре 24, которые имеют радиус: R1 - радиус канавки ротора и R2 - радиус канавки статора. Центр радиуса каждой канавки смещен относительно центра радиуса шарика. В случае двух и более параллельных дорожек качения шариков, как показано на фиг. 5 расстояние между центрами радиусов параллельных канавок ротора больше или равно расстоянию между центров радиуса канавок статора, что обеспечивает расположение шариков в каждой канавке в «натяг» и с необходимым углом контакта α. В зависимости от того, с какими нагрузками работает шарнир, можно регулировать значение смещения центра радиуса канавки, а также расстояние между центрами соседних канавок, что меняет угол контакта α.

Уплотнительный узел 26 включает в себя первичный продуктовый уплотнитель (манжету) 9 и вторичный уплотнитель (манжету) 10. При этом первичный уплотнитель устанавливается в седло 11, которое является кольцом, установленное в ротор шарнира с уплотнительным кольцом седла 12. При этом вторичный уплотнитель прижат к выступающей стенке седла с одной стороны и с другой к плоскости статора, а первичный уплотнитель прижат к фланцу ротора 3 и с другой стороны к плоскости статора, обеспечивая тем самым герметичность шарнира. Для того чтобы на первичный уплотнитель не влиял поток продукта, а также защитить уплотнитель от возможных повреждений абразивом и твердыми частицами внутри потока, на статоре выполнен выступ-затвор 17. С целью предотвращения попадания в шарнир внешней среды и грязи, между наружной стороной торца корпуса статора 2 с резьбовыми отверстиями по окружности и торца ротора 1, противоположного от торца корпуса ротора 1 с резьбовыми отверстиями по окружности, размещен уплотнитель 13, предотвращающий проникновение в полость шарнира 32 внешней влаги и грязи.

Вторичный уплотнитель 10 выполняет роль вспомогательного уплотнителя на случай нарушения герметичности первого уплотнителя 9, 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.

Шарнир имеет резьбовые заглушки с масленками 5, соответствующих количеству дорожек качения шариков. Демонтаж и установка шариков качения в шарнир производится через отверстия, на которых установлены заглушки 5. 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 с последующей установкой заглушек-штуцеров. Смазка производится с помощью установленной на заглушке-штуцере масленки.

Шарнир имеет отверстие ревизии 8 утечки с винтом-заглушкой. Отверстие позволяет визуально обнаружить утечку, путем вывинчивая винта-заглушки и осмотра канала отверстия. В случае необходимости, заглушка может быть заменена на датчик утечки транспортируемого продукта.

В зависимости от перекачиваемого продукта, шарнир дополнительно может комплектоваться конструктивными элементами:

- устройством продувки инертным газом (азот - N₂), применяемым при перекачке низкотемпературных и криогенных продуктов, а также легко воспламеняемых и некоторых химических продуктов, которое состоит из каналов подачи 20 в полость шарнира 32, штуцеров входа 21 и выхода 18 инертного газа. При этом для других продуктов устройство продувки инертным газом не устанавливается на шарнире.

- уплотнительными кольцами 14 зоны дорожек шарнира, которые 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. Для шарниров с системой продувки инертным газом, а также в зависимости от комплектации уплотнительные кольца зоны дорожек не устанавливаются.

Заявляемое техническое решение обеспечивает применение шарнира 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, отпарного газа и других жидких и газообразных продуктов, обеспечивает герметичность при заданном давлении (вакууме) и криогенных температурах жидкого или газообразного продукта. Кассетный тип шарнира обеспечивает возможность демонтажа и замены уплотнений шарнира и возможность демонтировать и заменить ротор и статор шарнира в сборе, не разбирая стрел и других конструкций вышеуказанного оборудования. Шарнир обладает хорошими несущими способностями и не уступает шарниру, взятому за прототип, однако за счет изменения формы дорожек качения шариков, существенно снижена трудоемкость и себестоимость изготовления шарнира в сравнении с шарниром – прототипом. Обновленный уплотнительный узел позволяет производить установку и замену уплотнителей без применения дополнительного специального инструмента и оборудования.

Шарнирное соединение полностью удовлетворяет требованиям:

- OСIMF «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»;

- ГОСТ Р 70348 – 2022 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. СТЕНДЕРЫ МОРСКИЕ. Общие технические условия».

Изобретение относится к области трубопроводной транспортировки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа, газового конденсата, отпарных газов и других жидких, газообразных и текучих продуктов 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 имеет два фланца, уплотнительный узел и два корпуса цилиндрической формы, каждый из которых выполнен как минимум с одной канавкой качения шариков. Один из корпусов выполняет роль статора, другой - ротора, где каждая канавка образована радиусом со смещенным центром относительно центра шарика, при этом один фланец соединен с корпусом ротора, второй фланец соединен с корпусом статора. Уплотнительный узел имеет первичный уплотнитель, установленный в седло, и вторичный уплотнитель, установленный на ротор сбоку седла, и уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней среды, а также имеет конструктивные элементы, применяемые в зависимости от транспортируемого продукта. Изобретение обеспечивает возможность демонтажа и замены уплотнений и возможность демонтировать и заменить ротор и статор шарнира (принцип кассеты), не разбирая при этом оборудование, частью которого является шарнир, а также обеспечить снижение трудоемкости, металлоемкости и себестоимости при производстве вышеуказанного оборудования. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Шарнирное соединение трубопроводов, имеющее два фланца, уплотнительный узел и два корпуса цилиндрической формы, каждый из которых выполнен как минимум с одной канавкой качения шариков, при этом один корпус выполняет роль статора, другой - ротора, отличающееся тем, что каждая канавка образована радиусом со смещенным центром относительно центра шарика, один фланец соединен с корпусом ротора, второй фланец соединен с корпусом статора, а уплотнительный узел имеет седло, первичный уплотнитель, вторичный уплотнитель и уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней среды, при этом седло установлено в паз на корпусе ротора и прижимается сбоку фланцем ротора, в него установлен первичный уплотнитель, который одной стороной плотно прижат к фланцу ротора, а с другой стороны герметично прилегает к плоскости статора и находится за выступом-затвором, расположенным на торце статора, а вторичный уплотнитель установлен в посадочную канавку на роторе и плотно прижат сбоку седла с одной стороны, а второй стороной герметично прилегает к плоскости статора, а уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней среды, установлен между наружной стороной торца корпуса статора с резьбовыми отверстиями и торца ротора, а также имеет конструктивные элементы, применяемые в зависимости от транспортируемого продукта и представляющие собой две канавки на статоре с кольцевыми уплотнителями, при этом одна канавка выполнена с одной стороны, а другая - с другой стороны от канавок качения шариков, и отделяют зону дорожек шариков от уплотнительного узла, или конструктивный элемент представляет собой устройство продувки инертным газом полости шарнирного соединения, включающее в себя канал подачи и канал выхода инертного газа, а также штуцер подачи и штуцер выхода инертного газа, расположенные преимущественно на корпусе цилиндрической формы ротора.

2. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что внутри корпуса ротора находится корпус статора.

3. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что канавка корпуса ротора и канавка корпуса статора образуют дорожку качения шариков, смещенные центры радиусов дуг канавок ротора и статора, центр шарика и точки контакта шарика с канавкой ротора и статора образуют прямую линию, проходящую через указанные точки.

4. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1 или 3, отличающееся тем, что прямая линия может проходить под острым или прямым углом к оси шарнира.

5. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, или 3, или 4, отличающееся тем, что в случае двух параллельных или более канавок качения шариков расстояние между центрами радиусов канавок ротора равно или больше расстояния между центрами радиусов канавок статора или наоборот.

6. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что на торцах корпуса ротора и статора с одной стороны равномерно по их окружности расположены отверстия с резьбой, предназначенной для соединения фланцев болтами, при этом количество отверстий варьируется в зависимости от диаметра, корпусов роторов и стартеров, а с другой стороны на торце статора находится выступ-затвор, а к торцу ротора прилегает уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней среды, закрывая полость шарнира.

7. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1 или 6, отличающееся тем, что выступ-затвор образует зазор между фланцем ротора и торцом статора, через который проходит транспортируемый продукт на первичный уплотнитель.

8. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что седло имеет форму кольца с канавкой на наружной стороне, куда устанавливается уплотнительное кольцо седла, предотвращающее проникновение транспортируемого продукта между седлом и ротором.

9. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что на корпусе ротора выполнено отверстие ревизии утечки из уплотнительного узла с установленным винтом-заглушкой.

10. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что на корпусе ротора выполнено технологическое отверстие с резьбой, закрывающееся резьбовой заглушкой, с возможностью установки масленки или подвода иной смазочной системы, количество технологических отверстий соответствует количеству дорожек качения шариков, при этом поверхность заглушки, обращенная к дорожке качения шариков, не повторяет профиль канавки.

11. Шарнирное соединение трубопроводов по п.1, отличающееся тем, что транспортируемый продукт представляет собой: нефть, нефтепродукты, аммиак, метанол, химические продукты, сжиженный природный газ, газовый конденсат, отпарной газ, газообразные и текучие продукты.