НЕРАЗЪЕМНАЯ КОНЦЕВАЯ АРМАТУРА ПОЛИМЕРНОГО АРМИРОВАННОГО РУКАВА С ВНУТРЕННИМ СТАЛЬНЫМ КАНАЛОМ

Изобретение относится к разъемным соединениям полимерных армированных трубопроводов (рукавов) и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства, в частности, в нефтегазовой промышленности.
Известна неразъемная концевая арматура рукава высокого давления, включающая ниппель, муфту, обеспечивающая заделку рукава за счет силового воздействия на муфту [Патент РФ №2355937, МПК F16L 33/207, 2009]. Муфта выполнена с кольцевыми выступами разной высоты для создания зон силовой заделки, герметизации и пониженного сжатия рукава. Для сборки на конце рукава удаляют внешний и внутренний резиновые слои, и при обжатии происходит деформация армировки и внутреннего слоя.
Недостатком конструкции является высокая трудоемкость изготовления и низкая надежность, обусловленная воздействием резьбы на наружную и внутреннюю поверхность рукава. Невозможно использовать данную арматуру для полимерного армированного трубопровода с внутренним стальным каналом.
Наиболее близкой является внутренняя заделка для трубных фитингов [Патент US №7194817 В2, F16L 35/00, B23Q 17/00, G01B 3/00, 2007], которая включает ниппель, муфту, переднее кольцо и заднее кольцо, причем конусы ниппеля, переднего кольца и заднего кольца выполнены под разными углами. Сборка осуществляется следующим образом: на трубку сначала надевается муфта, затем заднее кольцо, переднее кольцо и ниппель, при вкручивании ниппеля за счет силового воздействия на заднее и переднее кольца из-за разной конусности происходит деформация трубки в зоне контакте с передним и задним кольцами. Таким образом, происходит герметизация заделки.
Недостатком данной заделки является ненадежность в случае осевых нагрузок.
Задача изобретения - повышение надежности и герметичности соединения полимерного армированного трубопровода с внутренним стальным каналом при высоких давлениях и осевом нагружении.
Поставленная задача решается тем, что неразъемная концевая арматура полимерного армированного рукава с внутренним стальным каналом включает муфту, ниппель, переднее кольцо и заднее кольцо с коническими опорными поверхностями. Муфта содержит зону для обжатия, выполненную с внутренней цилиндрической или конической резьбовой или безрезьбовой поверхностью. Неразъемная концевая арматура полимерного армированного рукава с внутренним стальным каналом дополнительно может включать стальное или полимерное уплотнительное кольцо, устанавливаемое на внутренний стальной канал между муфтой и торцом наружного и внутреннего полимерных слоев и армировки. Давление обжатия муфты, определяется как
,
вн
где P - давление обжатия муфты, Па;
вн
D - диаметр рукава внешний, м;
D - диаметр рукава внутренний, м;
P - избыточное рабочее давление в рукаве, Па;
l - длина муфты, предназначенная для обжатия, м;
k - коэффициент запаса, учитывающий неравномерность распределения напряжений (1,015…1,040).
На фиг.1-4 представлена неразъемная концевая арматура полимерного армированного рукава с внутренним стальным каналом, где
1 - внутренний стальной канал;
2 - наружный полимерный слой;
3 - внутренний полимерный слой;
4 - армировка;
5 - ниппель;
6 - муфта;
7 - зона обжатия;
8 - переднее кольцо;
9 - заднее кольцо;
10 - накидная гайка.
На фиг.5 представлена неразъемная концевая арматура полимерного армированного рукава с внутренним стальным каналом с уплотнительным кольцом, где
1 - внутренний стальной канал;
2 - наружный полимерный слой;
3 - внутренний полимерный слой;
4 - армировка;
5 - ниппель;
6 - муфта;
7 - зона обжатия;
8 - переднее кольцо;
9 - заднее кольцо;
10 - накидная гайка;
11 - уплотнительное кольцо.
Сборка рукава с концевой арматурой осуществляется следующим образом. На конце рукава удаляют наружный и внутренний полимерные слои 2, 3 и армировку 4. На рукав устанавливается муфта 6, так чтобы зона обжатия 7 контактировала с наружным полимерным слоем 2. Затем на внутренний стальной канал 1 устанавливаются заднее кольцо 9, переднее кольцо 8, ниппель 5. На ниппель 5 предварительно устанавливается накидная гайка 10. Накидная гайка 10 необходима для подключения рукава к оборудованию или другому рукаву.
Ниппель 5, переднее кольцо 8 и заднее кольцо 9 выполнены с коническими опорными поверхностями. Конусы выполнены под разным углом. При вкручивании ниппеля 5 за счет разной конусности переднее кольцо 8 и заднее кольцо 9 обжимают внутренний стальной канал 1, за счет чего производится герметизация.
После сборки рукава и элементов арматуры производится обжатие муфты в зоне 7. При обжатии муфты происходит деформация наружного 2 и внутреннего 3 полимерных слоев и армировки 4. За счет соединения рукава и муфты 6 в зоне обжатия 7 данный рукав может быть грузонесущим, т.е. воспринимать осевые нагрузки. Осевая нагрузка от рукава передается муфте 6 и далее ниппелю 5.
Внутренняя поверхность муфты в зоне обжатия может быть выполнена цилиндрической без резьбы (фиг.1), цилиндрической с резьбой (фиг.2), конусной без резьбы (фиг.3) и конусной с резьбой (фиг.4). Конусная внутренняя поверхность муфты в зоне обжатия (фиг.3, 4) удобна при установке муфты 6 на рукав, а также после обжатия напряжения в рукаве распределяются равномерно - не образуется концентратор напряжений в рукаве при выходе рукава из муфты.
При обжатии муфты 6 в зоне обжатия 7 внутренней резьбой (фиг.2, 4) на поверхности рукава образуется профиль резьбы, таким образом, за счет создания резьбового профиля может обеспечиваться дополнительное соединение.
Также необходимо предотвратить попадание перекачиваемой жидкости на торец удаленных слоев 2, 3, 4, так как может произойти расслоение рукава, поэтому на внутренний стальной канал 1 между муфтой 6 и торцом наружного 2 и внутреннего 3 полимерных слоев и армировки 4 дополнительно может устанавливаться уплотнительное кольцо 11 (фиг.3), стальное или полимерное.
Обжатие муфты производится для повышения надежности соединения. Давление обжатия определяется из условия равновесия при отсутствии сдвига армировки во время нагружения внутренним давлением.
вн
вн
P·D·l-P·D·l=P·D·z.
вн
где P - давление обжатия муфты, Па;
вн
D - диаметр рукава внешний, м;
D - диаметр рукава внутренний, м;
P - избыточное рабочее давление в рукаве, Па;
l - длина муфты, предназначенная для обжатия (зона обжатия 7), м.
z - расстояние от муфты, где в рукаве максимальные напряжения при расширении от внутреннего давления, м.
.
В ходе лабораторных исследований, было выявлено, что z составляет 15-40 мм.
Следовательно, обжатие муфты производится под давлением, определяемым как
,
где k - коэффициент запаса, учитывающий неравномерность распределения напряжений (1,015…1,040).
Таким образом, заявляемая неразъемная концевая арматура позволяет осуществлять соединение с полимерным армированным рукавом с внутренним стальным каналом и является надежным и герметичным.
Источники информации:
1. Патент РФ №2355937, МПК F16L 33/207, 2009.
2. Патент US №7194817 В2, МПК F16L 35/00, B23Q 17/00, G01B 3/00, 2007.