МЕХАНИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ МАЛОГО ДИАМЕТРА
MECHANICAL CONNECTION OF SMALL-DIAMETER PIPES

Предлагаемое изобретение относиться к устройству механического соединения трубопроводных систем и может быть использовано в соединении труб малого диаметра локальных трубопроводов для подачи воды, топлива, природного газа, других жидкостей и газов в химической, металлургической, машиностроительной промышленности, а также в судостроении, в промышленном строительстве и других областях.
Известны многочисленные традиционные способы соединения труб малого диаметра, в основном, с использованием стыковых сварных соединений, механических фланцевых и штуцерных соединений. Однако для осуществления соединения труб сваркой требуется сложное сварочное оборудование и длительный процесс самой сварочной операции. При этом весьма проблематичным является выполнение в экстремальных температурных условиях высококачественной сварки стыков труб, зачистки внутренних усилений сварных швов, сохранения проходного сечения и обеспечения должной коррозионной стойкости зоны сварных соединений в процессе последующей эксплуатации трубопроводов. Кроме того, процесс сварки труб малого диаметра значительно усложняется при плохой погоде на открытом воздухе, в стесненных туннелях и отсеках судов, а также под водой. Не отличаются надежностью традиционные фланцевые соединения с торцевым уплотнением и разнообразные штуцерные соединения, особенно в местах повышенной вибрации и при знакопеременных нагрузках.
Известен наиболее близкий аналог механического соединения труб с наружными конусными участками, одной ниппельной втулки, плотно прилегающей двумя конусными поверхностями к внутренним конусным поверхностям концевых участков труб, двух конусных вкладышей посредством их стягивания в осевом направлении с помощью резьбовых штуцеров, примененный в патенте US 1920512 А, 20.04.1932 (Fig. 1). Отличие предлагаемого соединения заключается в том, что его конусные вкладыши представляют комплект деталей, состоящих из одинаковых элементов, а в указанном патенте каждый вкладыш - это отдельные детали (1-2), которые устанавливаю на трубы до их развальцовки. В предлагаемом варианте обеспечивается полная установка и демонтаж всех деталей с концевых конусных частей труб, а в указанном патенте нет. Известен и другой аналог механического фланцевого соединения труб, в котором вкладыши выполнены из упругого материала, что обеспечивает соединение труб из керамики и стекла, примененный в патенте RU 161662 U127.04.2016 (Fig. 1). Отличие предлагаемого соединения заключается 8 том, что его конусные вкладыши представляют комплект из одинаковых упругих элементов, которые обеспечивают непроницаемость за счет равномерного двухстороннего обжима концевых конусных частей стенок труб из хрупких материалов, а в указанном патенте за счет обжатия прокладки (6) между утолщенными торцами труб (1) и (2).
Задачей предлагаемого изобретения является создание универсального технологичного устройства для надежного и долговечного механического соединения труб малого диаметра, с предварительно сформированными конусными частями на концевых участках труб, обеспечивающего ускоренную прокладку трубопроводов без использования стыковой сварки труб, а также традиционных фланцевых и разнообразных штуцерных соединений. Предполагается, что такое устройство должно выполнять следующие исходные требования:
- быстрое, надежное и технологичное механическое трубное соединение, не уступающее по всем эксплуатационным характеристикам указанным соединениям;
- сохранение в соединении полноразмерного гладкого проходного сечения труб без сужений, уступов и внутренних выступающих частей;
- обеспечение простой и быстрой центровки труб при их соединении;
- широкий диапазон допустимого рабочего давления до 400 бар и более;
- расширенный диапазон толщин стенок труб;
- широкий диапазон наружных диаметров труб от 10 до 40 мм;
- допустимый диапазон температур, превышающих температуру трубопровода;
- срок службы соединения, превышающий срок службы трубопровода;
- возможность повторного использования деталей соединения при замене труб;
- использование универсального соединения для труб из углеродистой, высоколегированной и нержавеющей стали, цветных, алюминиевых и титановых сплавов, труб из армированного пластика, композитов, металлопластов, керамики и стекла.
Поставленная задача решается тем, что трубное соединение осуществляется механическим устройством за счет сдавливания и равномерного двухстороннего обжима концевых конусных частей стенок труб (1 и 7) с помощью конусной ниппельной втулки (4), двух обжимных резьбовых штуцеров (3 и 5) и двух комплектов конусных вкладышей (2 и 6), которые обеспечивают конструктивное единство и прочность соединения. Количество конусных деталей в каждом комплекте конусных вкладышей и размер штуцеров зависит от диаметра трубопровода и необходимой прочности соединения. Для равномерного обжатия соединения внутренние поверхности конусных вкладышей и наружные поверхности труб имеют одинаковую конусность. Уплотнение в соединении осуществляется по внутренним конусным поверхностям труб и конусным поверхностям ниппельной втулки после их стягивания и обжима, а непроницаемость обеспечивается их плотным прилеганием за счет соответствующей обработки конусных поверхностей. Для особо прочных толстостенных металлических труб их концевые конусные участки могут быть приварными, с удалением усиления сварного шва внутри трубы зачисткой и шлифовкой до полного проходного сечения трубопровода. Во всем остальном конструкция такого соединения труб полностью сохраняется без изменений, как для труб с развальцованными конусными частями. Для соединения труб из керамики или стекла детали комплекта конусных вкладышей и ниппельная втулка могут быть изготовлены из прочных, химически стойких и эластичных материалов либо иметь соответствующее покрытие поверхностей, контактирующих с конусными частями труб. Для упрощения сборки соединения или обеспечения его демонтажа в средней части ниппельной втулки имеется поперечная кольцевая канавка и продольные проточки, расположенные в шахматном порядке.
Важным обстоятельством является то, что на основе предлагаемого механического трубного соединения может быть создан вариант с торцевым уплотнением, что позволит присоединяться к традиционным фланцевым соединениям забойных участков трубопроводов, к существующей трубной арматуре и другому оборудованию, сохраняя перечисленные выше исходные требования к новому типу соединения.
Учитывая уникальность указанного соединения, предлагается дать наименование новому соединению - штуцерное механическое соединение труб.
Принципиальная конструкция устройства штуцерного механического соединения для труб малого диаметра показана на прилагаемых фигурах:
- соединение труб с развальцованными конусными частями на фиг. №1;
- соединение труб с приварными конусными частями на фиг. №2.
На представленных фигурах полностью раскрыта общая идея конструкции устройства, предлагаемого трубного соединения, его особенность и техническая новизна.
Предложенная конструкция штуцерного механического соединения труб малого диаметра обеспечивает выполнение всех, выше перечисленных, исходных требований, а анализ возможности ее использования дает следующие очевидные технологические и эксплуатационные преимущества по сравнению с традиционным соединением таких труб стыковой сваркой или механическим соединением с приварными фланцами:
- простота соединения за счет самоцентровки и плотной фиксации труб;
- быстрая, точная и качественная сборка трубных соединений;
- возможность многократного монтажа и демонтажа соединения;
- возможность полного демонтажа соединения для ремонта или замены труб;
- возможность соединения труб из разнородных материалов;
- соединение труб с разной толщиной стенок, с сохранением проходного сечения;
- возможность безопасной сборки трубопроводов во взрывоопасной среде;
- возможность создания высокопрочного неразъемного соединения труб;
- возможность прохода труб в конструкциях через вырезы минимальных размеров;
- полная сохранность внутренних и наружных покрытий труб после соединения;
- высокая коррозионная стойкость труб в соединении;
- повышение плотности соединения при увеличении давления в трубопроводе;
- высокая производительность сборки трубопроводов;
- защищенность от повреждений внутренних уплотняющих поверхностей труб при их хранении, транспортировке и сборке трубопроводов в сложных условиях.
Важным преимуществом предложенной конструкции устройства является и то, что все детали соединения изготавливаются и частично собираются в стационарных цеховых условиях, включая конусные участки труб. Это обеспечит минимальное время сборки, точность и качество соединения труб в сложных погодных условиях на открытом воздухе, на эстакадах, в стесненных туннелях и отсеках судов, а также под водой и даже в космосе. Предполагается, что после разработки чертежей, изготовления опытных образцов и проведения всех необходимых испытаний, уточнения типоразмерного ряда, окончательного выбора материалов деталей устройства, отработки всей технологической цепочки обработки сопрягаемых конусных поверхностей, сборки штуцерного механического соединения и монтажа трубопровода будет сформулирована и подана новая заявка с потенциальным Инвестором на оформление международного патента.