Соединение трубопроводов Советский патент 1993 года по МПК F16L19/06 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в криогенной технике,судостроении,авиастроении и т.д., в частности в криогенных системах высокого давления.

Целью изобретения является уменьшение массы соединения и увеличение ресурса за счет уменьшения усилия затяжки.

На фиг.1 изображено соединение трубопроводов; на фиг.2-4 - сравнительный анализ прототипа и предложенного соединения: на фиг.5 - узел А на фиг.1; на фиг.б - конкретный пример обжимного кольца.

Соединение трубопроводов содержит штуцер 1 с внутренней конусной расточкой, переходящей в цилиндрическую, в которую входит труба 2, накидную гайку 3 и металлическое уплотнение в виде обжимного кольца 4, имеющего концентрические кромки 5-7, образованные проточкой. Количество кромок определяется ти поразмером соединения. Поверхности контакта 8 обжимного

кольца и накидной гайки выполнены торовыми, причем центр окружное торовой поверхности с радиусом г совмещён с центром тяжести сечения обжимного кольца (ц.т.), а кромки проточек расположены на конической поверхности, касательной к внутренней поверхности тора с радиусом, равным расстоянию от центра тяжести сечения- обжимного кольца до оси кольца и радиусом окружности, равным расстоянию от центра тяжести сечения кольца до поверхности трубы, при этом оси конической поверхности, обжимного кольца и трубы совпадают.

Рассматривая схему деформации конст-. рукции обжимного кольца в прототипе, можно заметить (см.фиг.2), что деформация идет по следующим этапам:

1, Всестороннее сжатие кольца (посредством двух клиновых поверхностей А и Б кольцо прижимается поверхностью С к трубе и заклинивает, исключая поворот сечения).

«

: w

I

СО

о о

45

00

fe

2. Изгиб оставшейся свободной части кольца над линией И.

В предложенном техническом решении обжимное кольцо (см.фиг.З) имеет возможность провррота относительно центра тяжести сечения кольца за счет торовой поверхности. /

Наглядно это видно из распечаток, полученных в результате расчета за ЭВМ методом конечных элементов. Расчет велся для стальных колец с модулем упругости Е 2х xlQ гкс/см2, для различных геометриче-, скйх соотношений размеров и различных прилагаемых нагрузках. Во всех случаях Облучились практически одинаковые результаты, т.е. соотношения усилий, деформаций и напряжений..Один из случаев расчета приводится ниже. Для наглядности и упрощения расчета за базовое (для прото типа и предложенного технического решения) о&жимное кольцо принимали полый цилиндр высотой 1,5 см, средним радиусом 6 см и толщиной 0,8 см. Приложенная нагрузка Рг (см.фиг,2У 3, 4) действует по верхнему краю цилиндра.

В предложенном техническом решении обжимное кольцо имитирует цилиндр со свободной горизонтального перемещения - WCM; и свободой угла поворота - ТЕТА, рад. В прототипе обжимное кольцо имитирует тот же цилиндр, но с ограничением горизонтального перемещения и угла поворота на конце цилиндра.

Фиг.4 поясняет обозначения, принятые при расчете, где:

Хнач и Хкои - координаты начала и конца цилиндра;

Н - толщина цилиндра;. .. R - средний радиус цилиндра; Рг-приложенная нагрузка; ТЕТА-угол поворота начала цилиндра; . V-вертикальное перемещение; W - горизонтальное перемещение; 1,2,3,...,21 - элементы разбивки сечения цилиндра.

К цилиндру, имитирующему предложенное обжимное кольцо, прилагалось распределенное усилие GR 17000 кге. Наибольшими получились окружные растягивающие, напряжения За 9,1 103 We/см2 и горизонтальное перемеще ние на начале цилиндра W 2,8 см 0,3 мм на сторону. При таком уровне напряжений для изготовления обжимного кольца можно использовать например ЗОХГСА, а для сред, вызывающих коррозию, например 07ХТ6Н6. Для полученных перемещений на ОбЖимном кольце можно выполнить rip оточ- ... кй:с перепадом диаметров около 0,2 мм, что технологически выполнимо.

Затем последовательно, методом Уве- личения прилагаемой нагрузки к цилиндру, имитирующему обжимное кольцо в прототипе, получили тот же уровень перемещений

на начале цилиндра W 6,3 мм, при-этом

наибольшими являются меридиональные

снаружи и внутри цилиндра напряжения,

равные Si 2.6 ТО4 кгсУсм2 при усилии GR

ЭООООкгс, что в 5,3 раза больше, чем в

случае цилиндра, имитирующего предлагаемое обжимное кольцо. Для такого, уровня напряжений (Si 2,6-104 кгс/смг 260 кгс/мм2, что превышает предел прочности сталей ЗОХГСА и 07X16Н6 в 2,3 раза)

практически невозможно подобрать материал для изготовления обжимного кольца при данной геометрии и деформации, с тем, чтобы кольцо работало в зоне упругости. На основании вышеизложенного можно

сделать сравнительные выводы:

1. Одинаковые перемещения в предложенном обжимном кольце по сравнению с прототипом могут быть достигнуты при значительно меньших усилиях затяжки при упругом повороте предложенного кольца. При расчете не учитывалось уменьшение плеча, на котором действует нагрузка за счет заклинивания части кольца в прототипе и не учитывались дополнительные усилия на

. протягивание уже вступившей в контакт с трубой части кольца, что привело бы к еще большей разнице в усилиях затяжки для предложенного соединения и прототипа.

2. Значительное уменьшение действую- щих напряжений внутри обжимного кольца позволит избежать его смятия и разрушения, а также увеличит срок службы кольца при многоразовом применении. .

3. Значительное уменьшение усилия за

тяжки приведет к уменьшению массы деталей соединения.

Все это приведет к уменьшению массы соединения и увеличению ресурса по сравнению с. прототипом.

5 Преобладание составляющих поворотной деформации кольца над другими дает возможность считать, что деформация кольца происходит только за счет разворота сечения относительно центра тяжести. Для

0 пояснения расположения кромок проточек рассмотрим фиг.5; на которой изображено сечение обжимного кольца и трубы. Так как при деформации сечение разворачивается вокруг центра тяжести, то значит каждая

5 точка сечения движется по окружности с Центром в центре тяжести сечения. Для того,-чтобы при Повороте сечения все кромки. проточек одновременно коснулись трубы, что исключило бы Дополнительные усилия на протягивание уже вступившей в контакт

с трубой части кольца, кромки проточек 5-7 должны располагаться на линии касательной к окружности с радиусом п, равным расстоянию от центра тяжести сечения кольца до поверхности трубы. Переходя от сечения к соединению в целом в общем случае получим, что сроки проточек должны располагаться на конической поверхности, касательной к внутренней поверхности тора с радиусом, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до оси .кольца и радиусом окружности, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до поверхности трубы, при этом оси конической поверхности, обжимного кольца и трубы совпадают.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При затя жке соединения от усилий, возникающих по линии контакта торца обжимного кольца 4 и конической расточкой штуцера 1, происходит разворот сечения обжимного кольца вокруг центра тяжести сечения с одновременным движением кольца в сторону конической расточки штуцера. После разворота сечения обжимного кольца. на угол а(см. ф иг.5) все кромки 5-7 одновременно коснутся трубы. При дальнейшей затяжке соединения начнется внедрение кромок 5-7 в тело трубы. Максимально внед. рится в. тело трубы кромка 5 как наиболее удаленная от центра поворота сечения, меньше других кромок внедрится кромка 7 как наиболее близкая к центру разворота сечения. То есть, внедрение кромок происходит пропорционально удаленности их от центра разворота сечения, поэтому и усилия от кожа кта кромок с поверхностью трубы распределяются от максимального на самой удаленной кромке 5 от центра.раз,ворота сечения до минимального на кромке .7. Такому распределению усилий соответствует и распределение усилий от составляющей силы затяжки Рг, так как рас. пределение усилий по кромкам от Рг идет по закону треугольника. Рассматривая закон распределения усилий от внедрения кромок кольца в трубу и от силы Рг, одновременно принимая во внимание, что материал кольца прочнее материала трубы, можно утверждать, что до момента эффективного уплотнения соединения деформации от разворота сечения будут преобладать над всеми остальными. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что и в незатянутом состоянии, т.е. до деформации, и в затянутом, т.е. после деформации, или в любом другом промежуточном состоянии кромки проточек будут расположены на конической поверхности, касательной к внутренней поверхности тора с радиусом, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до оси кольца и радиусом окружности, равным расстоянию от центра 5 тяжести сечения обжимного кольца до поверхности трубы.

Уплотнение будет герметично и эффективно затянуто до.момента, когда

0Рг (1,1-1,2)2 5граг + Рд (см.фиг.5), где lЈ li + 2 + з; . 5гр - толщина стенки трубы; От - предел текучести по сжатию материала трубы;

5 Рд - усилие для деформации кольца в свободном состоянии на угол .

При еще большей затяжке соединения произойдет пластическая деформация трубы, а далее и кольца (предполагается, что

0 материал кольца в два и более раз прочнее материала трубы), что ограничивает возможность многократного использования соединения и не даст большего эффекта уплотнения.

5 На основании вышеизложенного можно сделать выводы, Так как деформация обжимного кольца при затяжке соединения происходит вокруг центра тяжести сечения кольца, поэтому обжимное кольцо можно

0 рассматривать как свободное кольцо, нагруженное равномерно распределенным погонным моментом от усилий, возникающих при затяжке соединениями действующих по линии контакта торца обжимного кольца и

5 конической расточки штуцера на плечо от точки контакта до линии, перпендикулярной оси вращения кольца и проходящей через центр тяжести сечения кольцаГв этом случае получим м-аксимальные перемещения об0 жимного кольца. Сила трения, возникающая по торовой поверхности контакта обжимного кольца и накидной гайки при затяжке соединения мала по сравнению с погонным моментом на обжимном кольце, Поэтому

5 при расчете соединения силой трения можно пренебречь. Для уменьшения силы трения по торовой поверхности контакта обжимного кольца и накидной гайки мож)чо применить смазку или антифрикционное

0 покрытие.

Для пояснения вышеизложенного приводим порядок расчета обжимного кольца и конкретный пример обжимного кольца с геометрией, подобной кольцу, в сравнитель5 ном расчете.

Предварительно, исходя из размеров соединяемых трубопроводов и ответных частей соединения выполняются следующие работы (см,фиг.6):

1. Проводится построение сечения обжимного кольца.

2. Находится центр тяжести сечения кольца.

3. Из центра тяжести радиусом R, рав- ным Х0, определится торовая поверхность..

4. После расчета геометрических характеристик сечения по заданной нагрузке определяем угол поворота сечения кольца.

5. Проводим касательную к окружности с гГпод углом к поверхности трубы несколько меньшим расчетного (с учетом реализации расчетного угла поворота при затяжке соединения до полного уплотнения.

6. Проводим построение проточек с уче- том расположения кромок на найденной касательной.

7. Уточняем координаты центра тяжести сечения.

8. Выполняем вычисления по пунктам 2-7 до тех пор, пока координаты центра тяжести сечения последующего расчета не совпадут с координатами центра тяжести сечения предыдущего расчета. Расчеты по пунктам 1-8 удобно производить с помощью ЭВМ.

В представленном примере (см. фиг.б) расчет геометрических характеристик и их уточнение проводился на вычислительной машине. После расчета окончательно полу- чили: материал обжимного кольца 03X11Н10М2Т-ВД с Пределом прочности ав 125 кгс/мм2 и пределом текучести оа,2 «115 кгс/мм2, действующая нагрузка Р 10000 кгс. Момент инерции 2 0,12 см4, момент сопротивления

v -fe-S#-fti««.A

-ч..

. Х0 0,65 см;

гц.т. - Др + Z0 6 + 0,34 - 6,34 см;

P-L

крутящий момент m 10000-0,85

2 тг Гц.т.

2-я:-6.34

213,4 кгс см/см.

Напряжения в кольце а

. m-ru.T.

Wz -213:4;6 34 9663кгс/см2 96.6 кгс/мм2 оь,27:

U, --

50

5

0

5

0 5 .

0 5

0

5

7:

50

Угол поворота сечения 213,4-6,342

3,6

2,05е

1-106«0,12

Расчет представлен в упрощенном виде.- ..

Таким образом, предложенное соединение трубопроводов имеет по сравнению с прототипом следующие технико-экономические преимущества: обжимное кольцо имеет большую возможность перемещений по сравнению с двухконусным обжимным кольцом той же геометрии в прототипе, которое подвергается всестороннему сжатию. Исключаются дополнительные усилия на протягивание уже вступившей в контакт с трубой части обжимного кольца в направлении штуцера, так как все кромки врезаются в трубу одновременно. Все это ведет к уменьшению усилий при затяжке соединения -приблизительно в 5 раз, а следовательно, и к уменьшению массы соединения также приблизительно в 5 раз. Уменьшение уровня напряжений в обжимном кольце приведет к увеличению его ресурса, а зна- чиг и к увеличению ресурса соединения в целом при многоразовом применении, так как из всех деталей соединения наиболее нагруженным является обжимное кольцо.

Формула изобретения Соединение трубопроводов, содержащее штуцер с внутренней конусной расточкой, накидную гайку и расположенное между ними обжимное кольцо, на внутренней поверхности которого выполнены ступенчатые проточки, отличающееся тем, что контактирующие поверхности обжимного кольца и накидной гайки выполнены торовыми, причем центр окружности торовой поверхности совмещен с центром тяжести сечения обжимного кольца, а кромки проточек расположены на конической поверхности, касательной к внутренней поверхности тора с радиусом, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до оси кольца, и радиусом окружности, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до поверхности трубы, при этом оси конической поверхности, обжимного кольца и трубы совпадают.

°Рт. 4

Использование: в криогенной технике, судостроении, авиастроении.. Сущность изобретения: между штуцером с внутренней конусной расточкой и накидной гайкой расположено обжимное кольцо, на внутренней поверхности которого выполнены ступенчатые проточки. Контактирующие поверхности кольца и гайки выполнены торовыми, Центр окружности торовой поверхности совмещен с.центром тяжести сечения кольца. Кромки проточек расположены на конической поверхности, касательной к внутренней поверхности тора с радиусом, равным расстоянию от центра тяжести сечения кольца до оси кольца и радиусом окружности, равным расстоянию от центра тяжести сечения кольца до поверхности трубы. Оси конической поверхности, кольца и трубы совпадают. 6 ил.