СТАЛЬНАЯ ТРУБА С ВНУТРЕННЕЙ ПЛАСТМАССОВОЙ ОБОЛОЧКОЙ
STEEL PIPE WITH INTERNAL PLASTIC SHELL

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано при производстве труб с внутренней пластмассовой оболочкой.
Известна стальная труба с внутренней пластмассовой облицовкой, содержащая концентрично расположенные в каждом из концов трубы наружное и внутреннее защемляющее кольца, причем наружное кольцо размещено между торцами оболочки и трубы и выполнено из металла трубы, а внутреннее защемляющее кольцо прижимает конец оболочки к трубе и выполнено из коррозионностойкой стали, а герметизирующее кольцо - из упругоэластичного материала. Внутренний диаметр концов трубы в интервале размещения защемляющих колец превышает внутренний диаметр самой трубы, а герметизирующее кольцо расположено между торцами оболочки и наружного кольца (пат. РФ №2238470, кл. F16L 9/02, БИ №29, 2004 г.).
Недостатком этой трубы является высокая трудоемкость соединения труб между собой из-за большой суммарной толщины стенки свариваемых концов трубы, поскольку при соединении труб свариваются между собой сама труба, а также наружное и внутреннее защемляющее кольца. Кроме того, при этом увеличивается количество тепла, выделяемого в процессе сварки труб, увеличивая зону термического воздействия на пластмассовую облицовку, что требует увеличения длины втулок и, следовательно, материальных затрат.
Известна также стальная труба с внутренней пластмассовой облицовкой, содержащая концентрично расположенные в каждом из концов трубы и скрепленные с ней наружную и внутреннюю втулки, причем наружная втулка выполнена из металла трубы двухступенчатой по наружному диаметру, при этом ступень меньшего диаметра расположена в зоне облицовки, а ступень большего диаметра - между торцами облицовки и трубы, а внутренняя втулка по длине больше наружной и выполнена из коррозионностойкой стали, а герметизирующее кольцо из упругоэластичного материала, расположенное между облицовкой и внутренней втулкой рядом с внутренним торцом наружной втулки (пат. РФ №2261394, кл. F16L 9/02, БИ №27, 2005 г.).
Недостатком этой трубы является высокая трудоемкость соединения труб между собой из-за большой суммарной толщины стенки свариваемых концов трубы. Кроме того, последнее приводит к увеличению количества тепла, выделяемого в процессе сварки труб, увеличивая зону термического воздействия на пластмассовую облицовку, что требует увеличения длины втулок и, следовательно, материальных затрат.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является труба с внутренней пластмассовой оболочкой, содержащая концентрично расположенные на концах трубы и скрепленные с ней сборные защитные втулки, состоящие из внутренних и наружных колец, причем внутренние кольца выполнены из коррозионностойкого металла с более низким коэффициентом теплопроводности, чем у металла трубы, и выступают наружными концами не более чем на 2 мм за торцы трубы, а наружные кольца выполнены из того же металла, что и труба, с толщиной стенки, не превышающей толщину оболочки, при этом их наружные концы удалены от торцов трубы. Между внутренней поверхностью концов оболочки и наружными поверхностями внутренних колец может быть размещен герметик из эластичного материала. На наружной поверхности внутренних колец могут быть выполнены выступы, высота которых не превышает толщину стенки оболочки. Наружные кольца могут быть выполнены по длине с переменной толщиной стенки и размещены утонченными концами вровень с торцами трубы (пат. РФ №2141598, кл. F16L 9/02, 1999 г.).
Недостатком этой трубы является низкая работоспособность, обусловленная тем, что внутреннее кольцо из-за малой толщины стенки (толщина ограничена по соображениям экономии дорогостоящего коррозионностойкого металла) не обеспечивает надежного прижатия конца пластмассовой оболочки к внутренней поверхности трубы, вследствие чего при низких температурах оболочка, сокращаясь сильнее стальной трубы (коэффициент теплового расширения пластмассы многократно превышает указанный коэффициент для стали), может выйти из зоны защемления, оголяя поверхность трубы. Размещение герметика из эластичного материала между внутренней поверхностью конца оболочки и наружной поверхностью внутреннего кольца, повышая герметичность зоны защемления, только ухудшает механическую фиксацию конца оболочки (снижается трение). Выполнение внутреннего кольца с наружными выступами в зоне защемления конца оболочки, направленное на усиление этой фиксации, полностью проблему не решает, так как выступы выполняют свою функцию в необходимой степени только тогда, когда они опираются на жесткое кольцо. К тому же выступы обычно получают токарной обработкой кольца с большой начальной толщиной стенки, что приводит к перерасходу коррозионностойкого металла.
Задачей изобретения является снижение материальных затрат, упрощение технологии изготовления и повышение работоспособности трубы.
Поставленная задача решается тем, что стальная труба с внутренней пластмассовой оболочкой, содержащая концентрично расположенные внутри калиброванных концов трубы наружные втулки из углеродистой стали и внутренние втулки из коррозионностойкой стали, при этом наружные втулки расположены между торцами оболочки и трубы, а внутренние втулки закрывают концевые участки трубы с удаленной оболочкой, частично введены внутрь концов оболочки и прижимают их к поверхности трубы, согласно изобретению труба снабжена монтажными втулками из углеродистой стали, размещенными во внутренних втулках с перекрытием зон прижима концов оболочки и имеющими кольцевые выступы на внутренних концах, упирающиеся в торцы внутренних втулок.
На наружных поверхностях наружных втулок могут быть выполнены кольцевые проточки, глубина которых на 1-3 мм меньше толщины стенки втулок.
Наружные втулки могут быть выполнены в виде пакета элементов, установленных с воздушным зазором или термоизоляционными прокладками между ними.
Наружные торцы монтажных втулок могут находиться вровень с торцами внутренних втулок или выступать с них на 0,5-1 мм.
Наружные торцы монтажных втулок могут также находиться на участке между торцами оболочки и трубы.
Наружные концы внутренних втулок могут быть выполнены с раструбом с цилиндрической частью, а наружные втулки - цилиндрическими с наружным диаметром, не превышающим внутренний диаметр концов трубы.
Наружные концы внутренних втулок могут быть также выполнены с раструбом без цилиндрической части, а наружные втулки - с коническими расширениями на концах, при этом расширение наружных концов соответствует раструбу внутренних втулок, а внутренние концы имеют толщину стенки, не превышающую толщину стенки оболочки.
Кроме того, наружные концы внутренних втулок могут быть выполнены с отбортовкой на торцы наружных втулок, при этом диаметр отбортовки не превышает наружный диаметр наружных втулок.
На фиг.1-4 изображены продольные разрезы вариантов исполнения одного из концов трубы (другой конец идентичен).
Стальная труба 1 (см. фиг.1), концы которой по внутреннему диаметру калиброваны до наибольшего размера, допускаемого ГОСТом, изнутри облицована пластмассовой оболочкой 2, конец которой в зоне термического воздействия сварки удален и прижат (защемлен) к внутренней поверхности трубы внутренней тонкостенной втулкой 3, раздаваемой способом дорнирования. На наружной поверхности внутренней втулки выполнены кольцевые проточки 4 глубиной 0,5-1 мм, которые заполняются материалом оболочки при дорнировании, создавая зацепы, препятствующие выходу конца оболочки из зоны защемления при температурных перепадах. Наружная часть внутренней втулки 3 закрывает внутреннюю поверхность трубы, с которой удалена пластмассовая оболочка, защищая ее от коррозионного воздействия перекачиваемого флюида. По этой причине защитная втулка должна быть выполнена из коррозионностойкого металла. Наружный конец внутренней втулки выполнен с отбортовкой 5 на торец наружной втулки 6, расположенной в кольцевом зазоре между торцами оболочки и трубы. При этом наружный торец наружной втулки 6 установлен вровень с торцом трубы, поэтому внутренняя втулка выступает за торец трубы на величину толщины стенки этой втулки. На наружной поверхности наружной втулки выполнены кольцевые проточки 7 глубиной на 1-3 мм меньше толщины стенки этой втулки, которые служат для уменьшения теплового потока, возникающего при сварке труб, к месту защемления концов пластмассовой оболочки. Во внутренней втулке расположена монтажная втулка 8, имеющая на внутреннем конце упорный выступ, в который упирается торец внутренней втулки. Наружный конец монтажной втулки установлен вровень с торцом внутренней втулки или выступает с нее на 0,5-1 мм для создания необходимого зазора между торцами внутренних втулок двух труб при их соединении сваркой.
Наружная втулка 6 (см. фиг.2) может быть выполнена в виде пакета из нескольких элементов, установленных с зазорами, которые могут быть воздушными или заполнены теплоизолирующими прокладками 9. Это также уменьшает тепловой поток, но в большей степени, чем в предыдущем случае.
Монтажная втулка 8 (см. фиг.3) может быть выполнена укороченной так, что наружный ее конец находится на участке между торцами оболочки и трубы, что снижает расход металла. В этом случае наружный конец внутренней втулки 3 выполняют с раструбом с цилиндрической расширенной частью, а наружную втулку 6, составленную в данном случае из 2 элементов, - цилиндрической, наружный диаметр которой не больше внутреннего диаметра трубы. Один или несколько элементов наружной втулки могут быть прикреплены к внутренней втулке дискретными сварными швами 10, что повышает устойчивость внутренней втулки при дорнировании, при котором возникают большие напряжения сжатия, одновременно этими швами фиксируются воздушные зазоры между элементами. Наружный конец монтажной втулки целесообразно располагать в месте перехода конусной части раструба к цилиндрической. В таком случае после совместной раздачи внутренней и монтажной втулок получается почти ровная по всей длине внутренняя втулка, как показано на чертеже.
Внутренняя втулка 3 (см. фиг.4) при укороченной монтажной втулке 8 может быть также выполнена с раструбом без цилиндрической расширенной части. В этом случае наружные втулки 6 выполнены с коническими расширениями на концах, при этом расширение наружных концов соответствует раструбу внутренних втулок, а внутренние концы имеют толщину стенки, не превышающую толщину стенки оболочки.
Монтажная втулка 8 необходима при использовании тонкостенной внутренней втулки, толщина стенки которой меньше начального зазора между калиброванным концом трубы и пластмассовой оболочкой или недостаточна для создания необходимого натяга при раздаче внутренней втулки, т.к. расширение ее дорном может быть только на величину толщины ее стенки. Кроме того, монтажная втулка выполняет еще 3 дополнительные функции: во-первых, увеличивает жесткость тонкостенной внутренней втулки в зоне защемления оболочки, что важно при хранении и транспортировке труб, когда из-за больших температурных перепадов (максимальный перепад температур в открытом воздухе обычно значительно превышает перепад температур в грунте при эксплуатации трубопровода) в пластмассовой оболочке могут возникать весьма большие растягивающие напряжения, которые способны вырвать концы оболочки из зоны защемления, во-вторых, отводит часть тепла от внутренней втулки при сварке, что препятствует размягчению защемленного конца пластмассовой оболочки и выходу его из зоны защемления, и, в-третьих, обеспечивает катодную защиту внутренней втулки из нержавеющей стали от возможной в некоторых средах питтинговой коррозии в течение всего срока службы монтажной втулки (до полного растворения в агрессивной среде трубопровода). Более того, в вариантах трубы, в которых наружный конец монтажной втулки доходит до наружного конца внутренней втулки или несколько (на 0,5-1 мм) выступает за ее торец, монтажные втулки двух соединяемых сваркой труб касаются или почти касаются торцами друг друга и играют роль подкладного кольца, значительно улучшая условия и повышая качество сварки тонкостенных втулок.
Соединение труб между собой производят сваркой встык по известной технологии сварки двухслойных металлов, состоящих из наружного слоя углеродистой (или низколегированной) и внутреннего слоя коррозионностойкой стали.
Описанные свойства предложенной трубы позволяют снизить расход металла, в том числе коррозионностойкого, упростить технологию изготовления и повысить ее работоспособность.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1. Концы стальной трубы наружным диаметром 273 мм и толщиной стенки 9 мм по ГОСТ 8732-78 подвергли калибровке по внутреннему диаметру до 261 мм - предельного размера, допускаемого ГОСТом, на глубину 500 мм, что исключает смещение внутренних кромок концов соединяемых труб, имеющих большие допуски по внутреннему диаметру, при их сварке. Затем произвели облицовку внутренней поверхности трубы путем футерования полиэтиленовой оболочкой (трубой) диаметром 254 мм и толщиной стенки 6,1 мм. Концы полиэтиленовой трубы удалили на глубину 124 мм от торцов стальной трубы, чтобы исключить термическое деструктивное воздействие сварки на полиэтилен. Путем вальцевания листа толщиной 2 мм из нержавеющей стали 08Х18Н10Т и сварки совмещаемых краев (по образующей) изготовили цилиндрические внутренние втулки наружным диаметром 236 мм и длиной 310 мм. Наружные концы втулок подвергли отбортовке с получением буртика под углом 90° диаметром 245 мм. Из трубной заготовки из углеродистой стали 10 токарным способом изготовили наружные втулки внутренним диаметром 237, толщиной стенки 4,5 и длиной 124 мм, на наружной поверхности которых сформировали 4 проточки трапецеидального сечения шириной 6 и глубиной 3,5 мм. Тем же способом изготовили монтажные втулки из стали 20, имеющей следующие размеры части, входящей во внутреннюю втулку, - наружный диаметр 230, толщина стенки 4 и длина 301 мм. На внутренних концах монтажных втулок выполнили наружные кольцевые выступы диаметром 237 и длиной 35 мм. Собранные в сборку втулки ввели в концы трубы (см. фиг.1) и произвели их раздачу дорном диаметром 240 мм, передвигая дорн изнутри наружу. Далее подготовленные таким образом концы труб соединили сваркой встык по технологии сварки двухслойных металлических изделий: сначала сварили отбортованные концы внутренних втулок по буртикам нержавеющими электродами ЦЛ-11 диаметром 2 мм, затем сварили концы труб обычными электродами УОНИ. Буртики внутренних втулок увеличивают толщину металла тонкостенных втулок в месте сварки, вследствие чего предотвращают прожог и появление других дефектов в сварном шве, которые могут привести к нарушению герметичности сварного шва. Кроме того, благодаря отбортовке внутренних втулок, почти полностью закрывающих торцы наружных втулок, концы последних не подвергаются сварке, что снижает затраты времени и общее количество тепла, выделяемого при соединении труб сваркой.
Пример 2. Трубы тех же размеров подготовили и футеровали аналогичным образом. Изготовили цилиндрические внутренние втулки из нержавеющей стали аналогичным образом тех же размеров. С помощью пуансона с углом конусности относительно оси 12° раздали наружные концы втулок с образованием раструбов с длинами конусной 28 мм и цилиндрической расширенной части 96 мм. Наружный диаметр цилиндрической расширенной части втулок составлял 250 мм. Изготовили цилиндрические наружные втулки внутренним диаметром 250,5 мм и толщиной стенки 5 мм, каждая из которых состояла из двух одинаковых элементов длиной по 60 мм. Изготовили также монтажные втулки, аналогичные по форме и диаметру втулкам в примере 1, но длиной на 96 мм меньше. Надели на внутренние втулки по одному элементу наружных втулок и прикрепили их к внутренним втулкам дискретным сварным швом. Затем надели вторые элементы, при этом между элементами наружных втулок образовались воздушные зазоры шириной 4 мм, равной ширине шва. Соединенные между собой внутренние и наружные втулки надели на монтажные втулки, ввели полученные сборки в концы труб и произвели их раздачу дорном. После этого получили конструкцию концевого участка трубы, аналогичную фиг.3.
Осмотр и испытания сваренных между собой труб по описанным примерам показали, что концы полиэтиленовой оболочки надежно защемлены, а открытые концевые участки труб, включая сварные швы стыков труб, герметично изолированы от проникновения агрессивной среды внутренними защитными втулками и их сварными коррозионностойкими швами.