СВАРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ С ВНУТРЕННИМ АНТИКОРРОЗИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ

Техническое решение относится к сварному неразъемному соединению труб, а именно к соединению труб с антикоррозионным внутренним покрытием для транспортировки химически активных жидкостей.
Известен Кольцевой сборник сварного гранта (патент ПМ РФ №71915, В23С 37/00, опубл. 27.03.2008) узла сварного соединения трубопровода, содержащий металлические трубы с нанесенным на их внутреннюю поверхность защитным покрытием и втулку, покрытую 1-2 мм слоем изоляционного антикоррозионного покрытия и размещенную внутри труб, при этом сварное соединение узла выполнено ручной и/или автоматической сваркой с получением сварного шва, площадь которого превышает площадь нормального сечения труб, а узел имеет кольцевые элементы, кольцевые неармированные и/или армированные резиновые уплотнения, термоизоляционный материал, герметизирующий материал, кольцевой упор или как минимум три упора, равноразмещенных в радиальной плоскости, служащие для установки центров масс, размещенная внутри труб втулка выполнена с цилиндрическим участком и сопряженными с ним развальцованными и/или механически обработанными лезвийным инструментом, коническими участками и размещена внутри труб таким образом, что кромки труб контактируют с кольцевым упором или упорами, защитное покрытие на внутренней поверхности труб нанесено на расстоянии от их торцов с образованием в зоне нанесения термоненагруженной зоны, кольцевой упор или упоры размещены на половине длины втулки и жестко зафиксированы на ее внешней поверхности, на внутренней поверхности цилиндрического и сопряженных с ним конических участков втулки нанесено защитное покрытие, кольцевые элементы жестко закреплены на внешней поверхности цилиндрического участка втулки, равно смещены от его торцов и установлены оппозитно друг другу, кольцевые неармированные и/или армированные резиновые уплотнения размещены на внешней поверхности втулки между нанесенным на внутреннюю поверхность труб защитным покрытием, торцами кольцевых элементов и коническими участками втулки и плотно контактируют с ними, термоизоляционный материал жестко закреплен на внешней поверхности цилиндрического участка втулки между торцами кольцевых элементов, герметизирующий материал нанесен на внешнюю поверхность упомянутых конических участков втулки.
Недостатками данного узла соединения являются низкая защищенность от коррозии из-за наличия упоров, жестко соединенных с поверхностью втулки, находящихся в зоне сварки, имеющих гораздо меньшие размеры, чем расстояние от них до резиновых уплотнений, и как следствие являющихся тепловым мостиком к поверхности втулки, разогревая ее высоких температур в зоне соединения с упорами, что часто приводит к нарушению целостности внутреннего антикоррозионного покрытия втулки и, как следствие всего соединения, и невозможность использования такого соединения при наличии в перекачиваемой жидкости твердого абразива (например: песок, шлак, твердые включения и т.п.), потому что внутренне антикоррозионное покрытие втулки находится в зоне сужения и на его торцовые области постоянно действует абразив, который быстро истирает покрытие, а так как втулка сужает проходное сечение трубы, то скорость потока внутри нее выше, чем в трубе и, согласно закона Бернулли, давление статическое ниже, что приводит к «схлопыванию» (перекрытию внутреннего сечения трубы) внутренней оболочки в зоне втулки.
Известен так же узел сварного соединения трубопровода (патент ПМ РФ №89656, F16L 13/02, опубл. 10.12.2009), содержащий свариваемые трубы с внутренним полимерным покрытием и устанавливаемую в них втулку также с внутренним полимерным покрытием, на наружной поверхности которой расположены эластичные уплотняющие манжеты и центрирующее кольцо, при этом втулка выполнена с центральной кольцевой проточкой, в которой расположена термоизоляционная прокладка, и двумя кольцевыми проточками, выполненными по разные стороны от центральной кольцевой проточки и предназначенными для установки в них эластичных уплотняющих манжет, при этом на центрирующем кольце выполнен кольцевой выступ, к которому подведены торцы свариваемых труб, центрирующее кольцо выполнено разрезным по образующей и установлено поверх термоизоляционной прокладки.
Недостатками данного узла соединения являются большие линейные размеры из-за наличия центрирующего разрезного металлического кольца, установленного поверх термоизоляционной прокладки и находящегося в зоне сварки, которое является тепловым мостом в линейном направлении, для исключения разрушения мест соединения внутренних полимерных покрытий втулки и труб длина втулки увеличивается как минимум в 1,5 раза, низкая надежность соединения полимерных покрытий втулки и труб низкотемпературными герметиками, и невозможность использования такого соединения при наличии в перекачиваемой жидкости твердого абразива, потому что внутренне полимерное покрытие втулки находится в зоне сужения и на его торцовые области постоянно действует абразив, который быстро истирает покрытие, а так как втулка сужает проходное сечение трубы, то скорость потока внутри нее выше, чем в трубе и, согласно закона Бернулли, давление статическое ниже, что приводит к «схлопыванию» (перекрытию внутреннего сечения трубы) внутренней оболочки в зоне втулки.
Наиболее близким к предлагаемому является неразъемное соединение труб с внутренним антикоррозионным покрытием (патент РФ №2395029, F16L 13/02, опубл. 20.07.2010), включающее соединенные сваркой встык трубы с антикоррозионным покрытием, которое удалено от торцов труб на расстояние термического воздействия сварки, и размещенную в них под стыком втулку из композитного материала, имеющую посередине длины наружную центральную кольцевую канавку с жаропрочной композицией и фиксаторы, причем симметрично от центрального кольца канавки выполнены канавки, заполняемые герметиком, отличающееся тем, что втулка выполнена из термопластичного материала с высокой адгезией к материалу труб, фиксаторы выполнены в виде цилиндрических выступов втулки, размещенных симметрично с двух концов между кольцевой канавкой и канавками, причем жаропрочной композицией заполнено все пространство между трубами, кольцевой канавкой и фиксаторами, которые выполнены с возможностью взаимодействия наружными торцами с торцами антикоррозионного покрытия, а наружной поверхностью - с внутренней поверхностью соответствующих труб с адгезией к ним под температурным воздействием сварки.
Недостатками данного неразъемного соединения являются низкая надежность соединения антикоррозионного покрытия труб и втулки низкотемпературными герметиками, и невозможность использования такого соединении при наличии в перекачиваемой жидкости твердого абразива, потому что втулка из относительно мягкого термопластичного материала находится в зоне сужения и на его торцовые области постоянно действует абразив, который быстро истирает материал втулки, которая также имеет различные коэффициенты термического и механического расширения относительно материала трубы, что приводит к быстрому выходу из строя места соединения фиксаторов втулки и внутренней поверхности трубы, значительно снижая надежность антикоррозионной защиты стыков труб.
Технической задачей предложенного технического решения является создание надежного и герметичного соединения стыков труб, не боящегося изменения температур и давления, с расширенными функциональными возможностями за счет получения единого антикоррозионного покрытия защищенного изнутри втулкой из износостойкого материала.
Техническая задача решается сварным соединением труб с внутренним антикоррозионным покрытием, включающим соединенные сваркой встык трубы с антикоррозионным покрытием, которое удалено от торцов труб, и размещенную в них под стыком втулку, защищающую от коррозии стык труб, имеющую снаружи посередине длины между фиксаторами жаропрочную композицию, причем симметрично по краям снаружи выполнены кольцевые полости, заполняемые герметиком, причем фиксаторы выполнены с возможностью взаимодействия с торцами антикоррозионного покрытия труб.
Новым является то, что втулка выполнена из износостойкого материала с раструбами по концам, покрытого снаружи антикоррозионным покрытием, аналогичным внутреннему покрытию труб, которое удалено от торцов труб на расстояние термического разрушения антикоррозионного покрытия, при этом кольцевые полости по концам втулки образованы раструбами и зафиксированными на удалении от них снаружи втулки эластичными уплотнениями, герметизирующими пространство между покрытиями, причем фиксаторы выполнены в виде шайб, установленных между соответствующими уплотнениями и жаропрочной композицией, а герметик - в виде клея-расплава, выполненного с возможностью герметичного соединения с антикоррозионными покрытиями труб и втулки под действием температуры плавления, причем снаружи жаропрочной композиции зафиксирована от продольного перемещения обечайка с наружными упорами, расположенными в средней части втулки и выполненными с возможностью взаимодействия со стыком труб.
Новым является так же то, что эластичное уплотнение может быть выполнено в виде самоуплотняющейся манжеты, не пропускающей от торца втулки внутрь.
На чертеже изображена схема стыка труб с продольным разрезом.
Предварительно трубы 1 и 1' с внутренним антикоррозионным покрытием 2 подвергаются исследованиям: их торцы соединяют сваркой 3 определяя зоны температур: зона разрушения внутреннего покрытия 4 и зона термического воздействия 5, достаточную для плавления клея-расплава 6 (например: Forbo HD-6880, Purmelt QR-4663, Terokal-1250, Protostik 6503 и т.п.). Эмпирическим путем выявлено, что длина L1 зоны термического разрушения 4 зависит от толщины труб 1 (например: для труб 1 толщиной от 5 мм до 20 мм длина L1 зоны 4 соответственно изменяется от 20 мм до 60 мм), как и длина L2 зоны термического воздействия 5 (например: для труб 1 толщиной от 5 мм до 20 мм длина L2 зона 5 соответственно изменяется от 20 мм до 40 мм). С соединяемых труб 1 и 1' удаляют покрытие на расстояние не менее длины L1 зоны 4.
Исходя из выявленных параметров изготавливается внутренняя втулка 7, состоящая из патрубка 8, изготавливаемого из износостойкого материала, покрытого снаружи антикоррозионным покрытием 9, аналогичным внутреннему покрытию 2 труб 1. В качестве износостойкого материала втулки 7 может применяться высокоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь, черный металл, покрытый защитным слоем (защитная эмаль, порошковое напыление и т.п.), или композитный материал (твердый пластик, карбон и т.п.). Причем длину L патрубка 8 выбирают не менее удвоенной сумме длин L1 и L2 зон 4 и 5:
L≥2·(L1+L2)
Затем на наружной поверхности втулки 7 последовательно устанавливают уплотнение 10, жаропрочную композицию 11 (асбест, пенобетон, базальтовая вата и т.п.) с обечайкой 12 снаружи между фиксаторами 13 и 13' и уплотнение 10'. Причем их размещают так, чтобы жаропрочная композиция 10 диаметром не более внутреннего диаметра труб 1 и 1', располагалась в середине втулки 7, после чего уплотнения 10 и 10' фиксируют пружинными кольцами 11 или клеем (на черт не показано). В качестве фиксаторов 13 и 13' используют шайбы, размещенные по краям жаропрочной композиции 11, причем длина композиции 11 с фиксаторами 13 и 13' на 1-3 мм меньше суммарной длины снятого покрытия соединяемых труб 1 и 1'. Все элементы на втулке 7 размещают так, чтобы жаропрочная композиция 10 с обечайкой 12 и фиксаторами 13 и 13' диаметром не более внутреннего диаметра труб 1 и 1', располагалась в середине втулки 7, после чего уплотнения 10 и 10' фиксируют пружинными кольцами 14 или клеем (на черт не показано). При этом обечайку 12 фиксируют от продольного перемещения снаружи жаропрочной композиции 11 (обжатием, клеем и т.п. или установкой между фиксаторами 13 и 13') так, что наружные упоры 15 (радиальные лепестки, штыри, тонкая шайба и т.п), жестко закрепленные на наружной поверхности обечайки 12, располагались строго в средней части втулки 7. Пружинные кольца 14 рекомендуется использовать в комплекте с уплотнениями в виде 10 и 10' самоуплотняющихся манжет (см. черт.), которые в свою очередь для улучшения изоляции рекомендуется использовать при сварке 3 труб 1 и 1' большого диаметра, для труб менее 100 мм установка из-за компактности рекомендуется использование уплотнительных колец (на черт. не показаны). После установки всех элементов на втулку 7 на концах патрубка 8 формируют раструбы 16, расширяющиеся к торцам патрубка 8 (для металлов - дорнированием или развальцовкой, для композитных материалов - внутренней формой после предварительного нагрева). Кольцевую полость 17 между раструбами 16 и соответствующими уплотнениями 10 и 10' заполняют герметиком - клеем-расплавом 6 в разогретом виде для надежного соединения с наружным покрытием 9 втулки 7, формируя клей-расплав 6 диаметром чуть меньшим внутреннего диаметра покрытия 2 (например: обрезая под нужный размер после отверждения или придавая нужный размер до отверждения холодной формой для исключения прилипания). Втулки 7 в сборе со всеми элементами могут изготавливаться в стационарных (цеховых) условиях и доставляться в готовом виде к месту соединения труб 1 и 1'.
Перед соединением труб 1 и 1' втулку 7 вставляют в трубу 1 до взаимодействия упоров 15 обечайки 12 изнутри с торцем трубы 1, затем торцы труб 1 и 1' стыкуют, одевая трубу 1' на втулку 7 до взаимодействия торца трубы 1' с упорами 15, При этом втулка 7 располагается равномерно относительно торцов труб 1 и 1'. Зазор между торцами труб 1 и 1' в 1-3 мм допустим для процесса сваривания. Затем торцы труб 1 и 1' соединяют сваркой 3, при этом жаропрочная композиция 11 защищает покрытия 2 и 9, от разрушения, а клей-расплав 6 плавится вместе с покрытием 2 труб 1 и 1' в зоне 5 и после остывания их герметично и надежно соединяет покрытия 2 и 9, а уплотнения 10 и 10' не допускают попадания излишков клея-расплава 6, получаемых при его плавлении и нагреве, в зону соединения сварки 3, где при сгорании клея-расплава 6 образовывались бы газы, затрудняющие и ухудшающие процесс сварки. При необходимости, особенно при сварке труб 1 и 1' в холодное время (при температуре окружающей среды ниже, +7°С), или после ультразвукового исследования (УЗИ) стыков при обнаружении плохого склеивания клея-расплава 6 с покрытием 2 одной из труб 1 или 1% зоны термического воздействия 5 подвергаются дополнительному нагреву (например: индукционным нагревом токами высокой частоты - ТВЧ) для получения качественного соединения покрытий 2 и 9 при помощи клея-расплава 6.
В результате получается герметичная защита стыка труб из покрытий 2 и 9 спаянных клеем-расплавом 6, защищенная изнутри износостойким материалом в виде патрубка 8 с раструбами 16 от воздействия, перекачиваемого по трубе вместе с жидкостью, абразива. Так как внутреннее покрытие 2 труб 1 и 1' и наружное покрытие 9 втулки 7 имеют одинаковые физические свойства, то их соединению не грозит разрушение от изменения температуры и/или давления перекачиваемой жидкости.
Предлагаемое сварное соединение труб с внутренним антикоррозионным покрытием надежно, герметично и не боится изменений давления и температуры и перекачки жидкости с твердыми абразивными включениями.