СОЕДИНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
CONNECTION DEVICE

Изобретение относится к соединению трубопроводов, а конкретно - к стяжным штуцерным соединениям. Областью его применения являются преимущественно соединения трубопроводов с каналами в корпусе изделия в тех случаях, когда указанные трубопровод и корпус изготовлены из материалов с различающимися свойствами (например, сталей разных классов с отличающимися, в частности, величинами коэффициента линейного расширения) и работают в неизотермических условиях.
В различных областях техники неподвижное герметичное разъемное соединение полости какого-либо изделия с внешним трубопроводом создают с использованием приварного патрубка, в который выходит канал из соответствующей полости изделия. Однако выполнение приварного патрубка может быть связано со значительными затратами средств и труда из-за необходимости удовлетворить соответствующим нормативным требованиям по герметичности и т.п. Кроме того, некоторые высокоуглеродистые марки стали обладают плохой свариваемостью и не обеспечивают надежного соединения, особенно в неизотермических условиях работы. При использовании штуцерного соединения увеличение объема закрытого затвора, возможное в неизотермических условиях, уменьшает степень обжатия герметизирующей прокладки, что влечет уменьшение предельного давления среды в полости изделия, соответствующего разгерметизации соединения.
Известно соединительное устройство между выходящим наружу каналом в изделии и внешним трубопроводом в виде совокупности двух штуцерных соединений: ввертного с гнездом на наружной поверхности изделия и стяжного с ниппелем внешнего трубопровода посредством накидной гайки [см., например, Крайнев А.Ф. Идеология конструирования. - М.: Машиностроение-1, 2003. - 384 с: схема 24.1 на с.201]. При этом ввертное соединение характеризуется наличием конической самоуплотняющейся резьбы на штуцере и сопряженного с ним гнезда. Степень герметичности, обеспечиваемая указанной резьбой, не всегда достаточна, а выполнение участков с конической резьбой на штуцере и в гнезде сложнее по сравнению с выполнением там же цилиндрической резьбы.
Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности соединения канала в изделии и внешнего трубопровода, упрощении изготовления, облегчении монтажа и уменьшении стоимости эксплуатации соединительного устройства. При осуществлении изобретения могут быть получены, в частности, следующие технические результаты:
во-первых, исключение повреждений герметизирующей прокладки в гнезде и гарантированное обеспечение заданной степени ее обжатия при монтаже соединительного устройства на изделии;
во-вторых, уменьшение момента затяжки в процессе подсоединения внешнего трубопровода к соединительному устройству.
В частном случае выполнения кольцевой герметизирующей прокладки может быть расширена номенклатура материалов для изготовления элементов соединительного устройства (в частности, расширен диапазон коэффициентов линейного расширения этих материалов), допускаемых для применения в неизотермических условиях работы.
Как решение задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается соединительное устройство, включающее патрубок, на сопрягаемом с внешним трубопроводом конце которого выполнен участок с наружной резьбой под накидную гайку, и сопрягаемое с другим концом патрубка гнездо на наружной поверхности изделия, отличающееся от прототипа следующим.
Указанное гнездо выполнено монотонно сужающимся внутрь изделия и образовано цилиндрическими ступенями, причем между смежными ступенями выполнены заплечики, а на поверхности наибольшей по диаметру наружной ступени гнезда выполнен нарезной участок с цилиндрической резьбой. Сопрягаемый с гнездом конец патрубка выполнен монотонно сужающимся внутрь изделия и образован цилиндрическими ступенями, причем между смежными ступенями выполнены заплечики, а наибольшая по диаметру ступень выполнена в виде фиксирующего бурта. У этого бурта противолежащая к указанному концу патрубка поверхность предназначена для сопряжения в осевом направлении с торцом нажимной втулки, охватывающей патрубок с возможностью ее вращения относительно геометрической оси патрубка и осевого смещения относительно фиксирующего бурта.
На внешней поверхности нажимной втулки со стороны фиксирующего бурта выполнен нарезной участок с цилиндрической резьбой, ответной к резьбе наружной ступени гнезда, а ступени гнезда, меньшие по диаметру его наружной ступени, и ступени патрубка, меньшие по диаметру фиксирующего бурта, выполнены с возможностью образования закрытого затвора для кольцевой герметизирующей прокладки, а также с возможностью обжатия последней, при ввинчивании нажимной втулки в наружную ступень гнезда до упора фиксирующего бурта в заплечик между наружной и смежной с последней ступенями гнезда.
Патрубок выполнен из двух частей, соединенных посредством сварки по их торцовому стыку и выполненных с возможностью установки нажимной втулки перед началом сварки по крайней мере на одной из этих частей без охвата этой втулкой области сварки.
В частном случае целесообразно кольцевую герметизирующую прокладку выполнять с использованием элементов из терморасширенного графита. Преимуществами таких прокладок, как известно, являются термостойкость и экологическая чистота, а также высокие пластичность и упругость, что обеспечивает, в частности, снижение (по сравнению с металлическими прокладками) усилий затяжки и требований к уплотнительным поверхностям.
Для обеспечения вращения нажимной втулки с помощью торцового ключа с соответствующим шестигранным отверстием в частном выполнении на внешней поверхности нажимной втулки со стороны ее торца, противоположного фиксирующему бурту на патрубке, может быть выполнен шестигранный участок с гарантированным превышением диаметра вписанной в этот участок окружности над диаметром участка патрубка с наружной резьбой под накидную гайку.
Соединительное устройство (в частном выполнении для случая сквозного канала в корпусе изделия) поясняется чертежами:
Фиг.1 - соединительное устройство (осевой разрез);
Фиг.2 - гнездо в корпусе изделия (осевой разрез);
Фиг.3 - патрубок (осевой разрез);
Фиг.4 - нажимная втулка (осевой разрез).
Через корпус 1 изделия проходит сквозной канал 2, выходящий наружу через гнездо, монотонно сужающееся внутрь изделия (в сторону канала 2). Гнездо соединительного устройства образовано тремя цилиндрическими ступенями: наружной 3 (относительно корпуса 1 и канала 2), средней 4 и малой 5. Между смежными ступенями выполнены заплечики. На поверхности наибольшей по диаметру наружной ступени 3 выполнен нарезной участок с цилиндрической резьбой. Патрубок выполнен в виде неразъемного соединения двух частей из одного и того же материала: затворной 6 и ниппельной 7. Затворная часть 6 предназначена для образования закрытого затвора при сопряжении с гнездом в корпусе 1 изделия. Ниппельная часть 7 предназначена для сопряжения с внешним трубопроводом. Части 6 и 7 патрубка по стыку их торцов 8 соединены посредством сварки.
Сопрягаемый с гнездом конец затворной части 6 патрубка, монотонно сужающийся внутрь изделия, образован тремя цилиндрическими ступенями: малой 9, средней 10 и наибольшей по диаметру третьей в виде фиксирующего бурта 11. Между смежными ступенями выполнены заплечики. Противолежащая к указанному концу патрубка поверхность фиксирующего бурта 11 предназначена для сопряжения в осевом направлении с торцом нажимной втулки 12. Последняя охватывает патрубок с возможностью ее вращения относительно геометрической оси патрубка и осевого смещения относительно фиксирующего бурта 11. В данном случае затворная часть 6 патрубка и нажимная втулка 12 выполнены с возможностью установки последней (до сварки обеих указанных частей патрубка) на затворной части 6 между фиксирующим буртом 11 и ее торцом, сопрягаемым с торцом ниппельной части 7, при этом - без охвата области сварки стыка 8. В другом частном случае ниппельная часть 7 соединительного патрубка и нажимная втулка 12 могут быть выполнены с возможностью соответствующей установки последней на ниппельной части 7. В самом же общем случае части 6 и 7 патрубка и нажимную втулку 12 выполняют с возможностью установки последней по крайней мере на одной из частей 6 и 7 без охвата области сварки стыка 8.
При сопряжении гнезда и затворной части 6 патрубка малая 9 и средняя 10 ступени последней, меньшие по диаметру фиксирующего бурта 11, а также малая 5 и средняя 4 ступени гнезда, меньшие по диаметру его наружной ступени 3, образуют закрытый затвор для кольцевой герметизирующей прокладки 13. В состав элементов закрытого затвора входят средняя ступень 4 гнезда и малая ступень 9 затворной части 6, а также заплечики между малой 5 и средней 4 ступенями гнезда и - между малой 9 и средней 10 ступенями затворной части 6.
На внешней поверхности нажимной втулки 12 от ее торца, сопрягаемого с фиксирующим буртом 11, выполнен нарезной участок 14 с цилиндрической резьбой, ответной к резьбе наружной ступени 3 гнезда. А на поверхности от противоположного торца нажимной втулки 12, направленного к внешнему трубопроводу, выполнен (в данном случае) шестигранный участок 15, предназначенный для сопряжения с шестигранным отверстием соответствующего торцового ключа. Конец ниппельной части 7, сопрягаемый с ниппелем 16 внешнего трубопровода, снабжен наружной цилиндрической резьбой под накидную гайку 17, а также, например, гнездом для ниппеля 16. Участок 15 выполнен с гарантированным превышением диаметра вписанной в этот участок окружности над диаметром участка патрубка с наружной резьбой под накидную гайку 17. Для предотвращения углового смещения патрубка при вращении нажимной втулки 12 могут быть выполнены лыски на внешней поверхности патрубка вне охвата нажимной втулкой 12 (на чертежах не показаны) с возможностью удержания патрубка гаечным ключом. В иных частных случаях возможно снабдить патрубок шестигранной поверхностью под соответствующий ключ на внешней поверхности патрубка (аналогично лыскам) или на внутренней поверхности канала ниппельной части 7.
Гнездо с кольцевой герметизирующей прокладкой 13 и патрубок с нажимной втулкой 12 составляют соединительное устройство между каналом 2 в корпусе 1 изделия и внешним трубопроводом, оканчивающимся ниппелем 16.
После изготовления элементов соединительного устройства нажимную втулку 12 устанавливают на затворную часть 6 патрубка (охватывая последнюю со стороны ее торца, сопрягаемого с ниппельной частью 7) торцом нажимной втулки 12, прилегающим к нарезному участку 14, в сторону фиксирующего бурта 11. Затем стыкуют торцами затворную 6 и ниппельную части 7 патрубка. Освободив область сварки стыка 8 от нажимной втулки 12 сдвигом последней к фиксирующему бурту 11, сваривают обе части патрубка, получая совокупность элементов, обеспечивающих два стяжных соединения (в том числе штуцерное для внешнего трубопровода).
Для монтажа соединительного устройства на изделии вводят прокладку 13 и конец затворной части 6 патрубка в гнездо. При этом малая 9 ступень затворной части 6 патрубка входит соответственно в малую 5 и среднюю 4 ступени гнезда, а средняя 10 ступени затворной части 6 - только в среднюю ступень 4 гнезда с образованием закрытого затвора для кольцевой герметизирующей прокладки 13. Проведя торцовый ключ вдоль ниппельной части 7 патрубка, охватывают им шестигранный участок 15 нажимной втулки 12 и, продвинув последнюю до нарезного участка наружной ступени 3 гнезда, начинают вращением торцового ключа ввинчивать нажимную втулку 12 в наружную ступень 3. При этом нажимная втулка 12, упираясь в фиксирующий бурт 11 патрубка, продвигает последний поступательно внутрь гнезда изделия в сторону канала 2, обжимая прокладку 13 без создания в ней напряжений сдвига и тем самым не повреждая прокладку 13 даже при достаточно больших моментах затяжки соединения. В процессе ввинчивания нажимной втулки 12 прокладка 13 будет обжата в требуемой степени после упора фиксирующего бурта 11 в заплечик между наружной ступенями 3 гнезда и смежной с последней средней ступенью 4. После этого с помощью накидной гайки 17 образуют соединение ниппельной части 7 патрубка с ниппелем 16 внешнего трубопровода.
В процессе эксплуатации изделия плотность и герметичность соединения изделия с патрубком будет обеспечивать герметизирующая прокладка 13. При использовании (в частном выполнении) прокладки 13 с элементами из терморасширенного графита она компенсирует (за счет термостойкости и высоких пластичности и упругости) изменение объема закрытого затвора, обусловленные изменением теплового состояния соединения, в случае изготовления корпуса 1 изделия, патрубка и внешнего трубопровода из материалов с различными величинами коэффициента линейного расширения. При этом надежность соединения с такой прокладкой 13 сохранится на протяжении всего срока службы изделия, не требуя переборки при замене трубопровода и, таким образом, снижая эксплуатационные расходы на прокладки.
Патрубок и ниппель 16 внешнего трубопровода могут быть изготовлены из сталей одного класса (отличающегося, в общем случае, от класса стали корпуса 1 изделия). В процессе эксплуатации они (вместе с накидной гайкой 18) при изменении теплового состояния соединения изменяют свои геометрические размеры в равной мере (из-за одинаковой величины коэффициента линейного расширения) и поэтому могут быть уплотнены кольцевой прокладкой из резины (на чертежах не показана). Такое соединение не требует больших моментов затяжки для уплотнения, что обеспечивает легкость монтажа внешнего трубопровода.