МУФТА
COUPLING

Настоящее изобретение относится к муфте и, в особенности, хотя и не всецело, к муфте, которая применяется для соединения каналов для текучей среды в нефтяных и газовых трубопроводах.
При отборе нефти и газа из устья подводной морской скважины, необходимо соединить два канала для текучей среды. В международной публикации WO 2007/017677 описана муфта наиболее подходящей для этих целей конструкции, а ее содержимое включено в данный документ посредством ссылки. Данная муфта содержит охватываемую и охватывающую полумуфты. Охватывающая полумуфта содержит стыковочный элемент, который вставляется в гнездо на охватывающей полумуфте. Обычно стыковочный элемент и гнездо имеют круглое поперечное сечение, а две эти детали соединяются благодаря их относительному перемещению вдоль первой продольной оси узла. Как в охватываемой, так и в охватывающей детали имеются отверстия. При соединении муфты происходит совмещение данных отверстий, образуя тем самым проточный канал для протекания текучей среды через муфту. Текучая среда удерживается внутри проточного канала благодаря уплотнительным кольцам, установленным по обеим сторонам от места сопряжения двух сквозных отверстий, а также между гнездом и стыковочным элементом.
В международной публикации WO 2007/017677 непреднамеренное разъединение муфты исключается благодаря применению срезного штифта, который вставлен сквозь отверстие на каждой стороне гнезда и совмещенное отверстие в стыковочном элементе. Штифт проходит под прямыми углами по отношению к первой продольной оси. Если прилагается усилие, направленное на размыкание охватываемой и охватывающей полумуфт, то срезной штифт препятствует этому. Чтобы обеспечить возможность установки штифта, отверстия под него обязательно должны быть больше самого штифта. Поэтому при размыкании и смыкании охватываемой и охватывающей полумуфт имеет место их некоторое смещение. Если усилие, направленное на размыкание охватывающей и охватываемой полумуфт, превышает заранее заданное значение, то срезной штифт обламывается на какой-либо стороне стыковочного элемента, что позволяет произвести разъединение муфты. Данное усилие определяется как сила разрыва муфты, и оно предназначено для предотвращения повреждения оборудования или трубопровода. Также описаны другие размыкающие механизмы, работающие по тому же принципу, где срезной штифт должен обламываться на каждой стороне стыковочного элемента.
В то время как муфта, описанная в WO 2007/017677, представляет собой отвечающую требованиям выполненную с возможностью раскрепления муфту, выяснилось, что при размыкании муфты возможны ложные срабатывания, стыковочный элемент может застрять в гнезде при выходе из него, а также возможно неточное определение уставки силы разрыва. К примеру, если в конструкции предусмотрено более одного срезного компонента, то, как правило, один из них разрушается при меньшем усилии по сравнению со вторым. В результате, в первую очередь разрушается более слабый компонент, и вся нагрузка переносится на соседний компонент. Таким образом, отмечается тенденция поочередного разрушения данных компонентов. Данное так называемое ложное срабатывание затрудняет точный расчет силы разрыва для муфты. Более того, поскольку раскрепление части стыковочного элемента происходит перед раскреплением другой части, его выход из гнезда может происходить под углом к продольной оси узла, что может стать причиной защемления стыковочного элемента в гнезде.
Данное изобретение ставит своей целью попытку устранить по меньшей мере один из вышеуказанных недостатков. Еще одной целью изобретения является создание муфты, которая имела бы более точную уставку силы разрыва. Еще одной целью является создание муфты, в которой снижена вероятность защемления при вынимании.
В соответствии с настоящим изобретением предложены муфта и соответствующий способ, как указано в прилагаемых пунктах формулы изобретения. Другие признаки изобретения раскрываются в зависимых пунктах его формулы, а также в последующем описании.
В соответствии с приведенными вариантами выполнения изобретения предложена муфта, содержащая первую полумуфту и вторую полумуфту. Первая полумуфта выполнена с возможностью соединения со второй полумуфтой путем относительного перемещения вдоль оси муфты. При использовании осевую растягивающую нагрузку муфты несет натяжной компонент. Чтобы разъединить муфту, не снимая при этом натяжной компонент, необходимо приложить растягивающее усилие, достаточное для разрыва натяжного компонента. Таким образом, натяжной компонент выполнен с возможностью разрыва на две части вдоль линии одиночного излома.
Соответственно, натяжной компонент связывает две указанные части вместе. Соответственно, натяжной компонент расположен с возможностью прохождения между указанными двумя частями вдоль по существу линейной траектории. Натяжной компонент может иметь зону разрыва. Данная зона должна разрываться под воздействием заданного растягивающего усилия. Таким образом, натяжной компонент разделяется на две части, если линия разлома проходит через него под углом к оси удлинения. Как только натяжной компонент разламывается на две части, он не может больше нести осевую растягивающую нагрузку. Предпочтительно, натяжной компонент может находиться в предварительно напряженном состоянии. К примеру, предварительное напряжение натяжного компонента можно обеспечить путем его натяжения. Натяжение может быть создано путем перемещения стопора с обеспечением уменьшения длины натяжного компонента между двумя частями. В приведенных вариантах выполнения изобретения натяжной компонент расположен параллельно оси соединения первой и второй частей.
В одном из примерных вариантов выполнения муфта содержит охватываемую и охватывающую полумуфты. На охватываемой полумуфте имеется стыковочный элемент, а на охватывающей - гнездо. В охватываемой полумуфте имеется проточный канал, выход которого расположен на окружной поверхности стыковочного элемента. В охватывающей полумуфте имеется проточный канал, выход которого расположен на окружной поверхности гнезда. Соединение муфты происходит при вставке стыковочного элемента в гнездо. Натяжной компонент крепит стыковочный элемент к гнезду. Предпочтительно, направление оси натяжного компонента совпадает с направлением оси соединения стыковочного элемента и гнезда. Также предпочтительно, охватываемая полумуфта имеет выступ, который ограничивает удлинитель стыковочного элемента. Удлинитель стыковочного элемента имеет меньшую площадь поперечного сечения по сравнению со стыковочным элементом. В гнезде имеется поясок, который ограничивает удлинитель гнезда, площадь поперечного сечения которого также меньше площади гнезда.
В альтернативном варианте выполнения изобретения муфта содержит охватываемую полумуфту, имеющую стыковочный элемент и запорный клапан. Запорный клапан установлен с возможностью перемещения на стыковочном элементе. В охватываемой полумуфте имеется проточный канал, выходящий на окружную поверхность стыковочного элемента. Запорный клапан может перемещаться между двумя положениями. При нахождении в одном положении проточный канал перекрыт, при нахождении во втором положении - открыт. Охватываемая полумуфта входит в соединение со второй полумуфтой путем относительного перемещения стыковочного элемента и второй полумуфты. Охватываемая полумуфта имеет средство раскрепляемой блокировки запорного клапана относительно второй полумуфты. Предпочтительно, указанное средство содержит болты, которые блокируют вторую деталь, если запорный клапан находится не в закрытом положении. Болты можно вывести из соединения путем их совмещения с полостью, выполненной в детали, которая заблокирована по отношению к стыковочному элементу. В данном случае муфта дополнительно содержит обойму, которая предназначена для ограничения перемещения охватываемой полумуфты относительно второй полумуфты, когда муфта соединена. Обойма не ограничивает перемещение запорного клапана относительно второй детали в направлении соединения.
Дополнительно муфта может содержать две охватываемые полумуфты, на каждой из которых установлен запорный клапан, выполненный с возможностью перемещения. Каждый запорный клапан может содержать средство блокировки другого запорного клапана, если он сам находится в открытом положении. В данном случае муфта содержит обойму, которая ограничивает перемещение двух запорных клапанов во всех направлениях, кроме линейного относительного перемещения в направлении соединения. Таким образом, обойма принимает на себя силы расстыковки, возникающие не в направлении соединения. Каждая из двух охватываемых соединительных полумуфт может иметь отдельную обойму. Как вариант, обойма может быть частью одной из соединительных полумуфт. В этом случае обойма составляет неотъемлемую часть одного из запорных клапанов.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложен способ соединения первой и второй полумуфт. Способ включает обеспечение восприятия осевых напряжений растяжения, действующих на муфту, одним натяжным компонентом.
Предпочтительно способ включает предварительное напряжение натяжного компонента. В этом способе прикладывают растягивающее усилие к первой и второй полумуфте с обеспечением разрушения натяжного компонента и последующего разъединения первой и второй полумуфт.
При необходимости в предложенном способе с возможностью отсоединения присоединяют запорный клапан, установленный с возможностью перемещения на первой охватываемой детали, ко второй, охватывающей, детали. Способ также может включать отсоединение запорного клапана, когда он находится в закрытом положении. Более того, способ включает раскрепляемое соединение запорного клапана первой охватываемой полумуфты с запорным клапаном второй охватываемой полумуфты. В этом случае способ включает отсоединение обоих запорных клапанов, когда оба они закрыты.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложена муфта, содержащая охватываемую полумуфту со стыковочным элементом и запорным клапаном. Запорный клапан установлен с возможностью перемещения на стыковочном элементе. В охватываемой полумуфте имеется проточный канал, оканчивающийся на окружной поверхности стыковочного элемента. Запорный клапан перемещается между двумя крайними положениями. При нахождении клапана в одном положении проточный канал перекрыт, а во втором - открыт. Охватываемая полумуфта соединяется со второй полумуфтой путем их относительного перемещения относительно друг друга. Охватываемая полумуфта содержит средство раскрепляемой блокировки запорного клапана относительно второй полумуфты, если запорный клапан находится не в закрытом положении.
В данном аспекте можно избежать разъединения двух полумуфт с помощью ограничительных средств. Как вариант, в качестве ограничительного средства может выступать один натяжной компонент, однако могут использоваться и другие ограничительные средства.
Предпочтительно, средство раскрепляемой блокировки запорного клапана содержит болты, которые блокируют деталь, если запорный клапан находится не в закрытом положении. Болты можно вывести с соединения путем их совмещения с полостью, выполненной в детали, которая заблокирована по отношению к стыковочному элементу.
При необходимости муфта может содержать две охватываемые полумуфты, каждая из которых содержит запорный клапан, установленный с возможностью перемещения на ней. Каждый запорный клапан может быть снабжен средством блокировки другого запорного клапана, если он сам находится в открытом положении. В данном случае муфта также содержит обойму, которая, при соединении, ограничивает перемещение двух полумуфт во всех направлениях, кроме линейного перемещения в направлении соединения. Таким образом, обойма принимает на себя разделяющие силы расстыковки, возникающие в направлении, отличном от направления соединения.
Для облегчения понимания сущности данного изобретения, а также для демонстрации того, как можно реализовать варианты его выполнения, далее приводятся ссылки на примеры в виде сопутствующих схематических чертежей, на которых:
Фиг.1 изображает продольный разрез муфты, выполненной в соответствии с первым вариантом выполнения, в соединенном положении;
Фиг.2-4 изображают разрезы муфты в разных положениях во время разъединения;
Фиг.5 изображает боковую проекцию муфты, показанной на Фиг.4;
Фиг.6 изображает разрез муфты, выполненной в соответствии со вторым вариантом выполнения, в соединенном положении;
Фиг.7 изображает разрез охватываемой полумуфты, выполненной в соответствии со вторым вариантом выполнения;
Фиг.8 изображает частичный разрез полумуфты, показанной на Фиг.7;
Фиг.9 и 10 изображают виды в аксонометрии узла из двух охватываемых полумуфт;
Фиг.11 изображает вид в аксонометрии с частичным разрезом муфты, выполненной в соответствии со вторым вариантом выполнения;
Фиг.12 изображает вид в аксонометрии муфты, показанной на Фиг.11;
Фиг.13-17 изображают виды, иллюстрирующие процесс разъединения муфты, выполненной в соответствии со вторым вариантом выполнения;
Фиг.18 изображает альтернативные виды в разрезе стыковочного элемента и охватываемой полумуфты, которые применяются в муфте, выполненной в соответствии со вторым вариантом выполнения;
Фиг.19 изображает муфту, выполненную в соответствии с третьим вариантом выполнения изобретения;
Фиг.20 изображает вид в аксонометрии с разрезом муфты, выполненной в соответствии с третьим вариантом выполнения, в разъединенном положении;
Фиг.21 изображает вид в аксонометрии с разрезом муфты, изображенной на Фиг.20, в исходном, соединенном положении;
Фиг.22-26 изображают виды в аксонометрии с разрезом муфты, изображенной на Фиг.20 и 21, на различных этапах размыкания и разъединения.
На Фиг.1 показан первый вариант выполнения муфты 100. Здесь муфта 100 показана в соединенном положении. Муфта содержит охватываемую полумуфту 110, имеющую стыковочный элемент 112 и сквозное отверстие 114, которое проходит от его тыльного конца 116 к окружной поверхности стыковочного элемента 112. Муфта 100 также содержит охватывающую полумуфту 120 с гнездом 122. Когда муфта 100 находится в соединенном положении, сквозные отверстия совмещены с образованием проточного канала. Внутри канала текучая среда удерживается благодаря уплотнениям. Здесь уплотнения показаны как пара двойных уплотнительных колец 130, расположенных между стыковочным элементом 112 и гнездом 122, по паре на каждой стороне от места соприкосновения двух сквозных отверстий 114 и 124. Уплотнения установлены как можно дальше от конца стыковочного элемента и на чертежах обозначены номерами 130а и 130b позиций. Соответственно, уплотнения 130 расположены с возможностью уравновешивания и установлены в кольцевые пазы на стыковочном элементе 112. Следует понимать, что уплотнения 130 могут быть также установлены и в гнезде 122; либо конструкция муфты 100 может быть таковой, чтобы суммарное замыкающее усилие достигалось при расположении уплотнения 130 как можно ближе к входу в гнездо на гнезде 122, а другого уплотнения - на стыковочном элементе 112.
Также на Фиг.1 изображен натяжной компонент 140, который представляет собой единую деталь, проходящую в плоскости, параллельной оси соединения стыковочного элемента и гнезда. Натяжной компонент 140 связывает стыковочный элемент с гнездом, когда они соединены. При работе натяжной компонент, таким образом, принимает все осевое растяжение, действующее на муфту. Следовательно, для разъединения муфты 100 путем вывода стыковочного элемента 112 из гнезда 122 необходимо либо снять натяжной компонент 140, либо приложить такое осевое усилие при выводе стыковочного элемента из гнезда, которое достаточно для разрушения натяжного компонента.
Преимущество состоит в том, что, так как натяжной компонент 140 является единой деталью, то это позволяет легко отрегулировать точное усилие разрыва путем подбора свойств зоны разрыва 142, которая имеется в натяжном компоненте 140. Кроме того, так как стыковочный элемент и гнездо оказываются разъединены при выходе из строя одного компонента, вероятность того, что стыковочный элемент застрянет в гнезде, снижается.
Предпочтительно, чтобы натяжной компонент 140 находился под предварительным напряжением. Например, натяжной компонент 140 на Фиг.1 показан в виде стержня или прутка, прикрепленного к концу 118 стыковочного элемента. Когда муфта соединена, натяжной компонент 140 проходит сквозь отверстие в основании 128 гнезда. На конце натяжного компонента имеется резьба, с помощью которой на нем крепится стопор, например гайка 144. Таким образом, гайка 124 стопорит перемещение натяжного компонента относительно гнезда, с обеспечением его разлома для разъединения муфты. Очевидно, что при необходимости гайку можно снять вручную для того, чтобы разъединить муфту, не разрушая натяжного компонента. Предварительное напряжение натяжного компонента 140 обеспечивается путем затягивания гайки. Таким образом, натяжной компонент находится под напряжением, достаточным для удержания охватываемой и охватывающей деталей в соединенном состоянии. В отличие от конструкции, где применяются срезные штифты, никакого перемещения не происходит. Более того, подвергая натяжной компонент действию разных усилий предварительного напряжения, к примеру, путем затягивания гайки, можно добиться разных значений для усилия разрыва. Следовательно, если муфта 100 погружена глубоко под водой, то соответственно можно отрегулировать и предварительное напряжение натяжного компонента.
На Фиг.1 также показана охватываемая полумуфта с удлинителем 150 стыковочного элемента. Удлинитель 150 стыковочного элемента представляет собой удлинитель с меньшей площадью поперечного сечения по сравнению со стыковочным элементом 112. На конце удлинителя стыковочного элемента установлено дополнительное уплотнение 132, которое образует герметичное соединение между удлинителем 150 стыковочного элемента и гнездом 122. Когда муфта соединена, стыковочный элемент упирается в поясок 129, выполненный в гнезде 122. Поясок 129 делит гнездо 122 на первую часть, расположенную ближе к входу в гнездо, и вторую часть, площадь поперечного сечения которой меньше, чем у первой части гнезда. Удлинитель 150 стыковочного элемента показан на Фиг.1 в виде трубчатой детали, закрепленной на наконечнике стыковочного элемента 122. Удлинитель 150 может являться отдельной деталью либо неотъемлемой частью конструкции. Так как удлинитель стыковочного элемента полый, то для натяжного компонента 140 обеспечивается дополнительное рабочее пространство, что позволяет установить в муфту 100 более длинный натяжной компонент 140. Размер удлинителя 150 подбирается таким образом, чтобы длина охватываемой полумуфты равнялась длине первой секции гнезда. Следовательно, по мере выхода охватываемой полумуфты 110 из охватывающей полумуфты 120, ось стыковочного элемента 112 параллельна оси гнезда до тех пор, пока последнее уплотнение 130b, расположенное ближе к концу стыковочного элемента, не выйдет из гнезда. Например, если не применяется удлинитель, то как только стыковочный элемент выходит из гнезда на расстояние, при котором уплотнение 130а покидает гнездо, то стыковочный элемент может свободно перемещаться внутри гнезда, а его ось уже не совпадает по направлению с осью гнезда. Напротив, благодаря тому, что размер удлинителя подобран таким образом, что дополнительное уплотнение 132 сохраняет герметичность до тех пор, пока последнее из уплотнений 130b не покинет гнездо, стыковочный элемент не может отклониться от своей оси до тех пор, пока почти полностью не покинет гнездо. Так как площадь поперечного сечения удлинителя меньше площади поперечного сечения самого стыковочного элемента, то его заклинивание в первой секции гнезда не представляет проблем.
При использовании охватываемая и охватывающая полумуфты соединяются путем ввода охватываемой полумуфты в охватывающую полумуфту и затягивания гайки 144 на конце натяжного компонента 140. После этого текучая среда может протекать по каналам (не показаны), присоединенным к концам охватываемой и охватывающей полумуфт. Разъединить муфту можно, приложив усилие к концам охватываемой и охватывающей полумуфт, направленное на их разрыв. Если усилие превышает силу разрыва натяжного компонента, то он разрушается как показано на Фиг.2. Как следствие, охватываемая и охватывающая полумуфты начинают разъединяться. На Фиг.2 показан процесс выхода стыковочного элемента в момент как раз перед тем, как первые уплотнения 130а начинают выходить из гнезда. До этого момента охватываемая полумуфта опиралась в гнезде на три уплотнения - 130а 130b и 132. По этой причине охватываемая полумуфта удерживается в параллельной плоскости по отношению к гнезду. По мере того как охватываемая полумуфта продолжает выходить из соединения, заклиниванию стыковочного элемента в гнезде препятствует наличие еще двух точек соприкосновения в виде второго уплотнения 130b и дополнительного уплотнения 132.
На Фиг.3 показан стыковочный элемент в тот момент, когда из гнезда начинают выходить уплотнения 130b. В этот момент стыковочный элемент может отклониться от продольной оси относительно гнезда, и здесь уже возможно его заклинивание, так как в соприкосновении с гнездом находится только одно уплотнение. Однако, так как размер удлинителя 150 стыковочного элемента подобран таким образом, чтобы дополнительное уплотнение обеспечивало герметичность гнезда до момента выхода из соединения уплотнений 130b, расстояние, на которое перемещается охватываемая полумуфта при наличии в гнезде только одной опоры, значительно сокращается. Таким образом, вероятность заклинивания снижается. Следует понимать, что длина удлинителя стыковочного элемента может быть немного больше или меньше оптимального значения, но при этом вероятность заклинивания все равно снижается благодаря сокращению расстояния, на которое охватываемая полумуфта перемещается при разъединении, имея в качестве опоры только одно уплотнение.
Как только охватываемая полумуфта выходит из соединения так, что удлинитель перестает упираться в поясок 129 гнезда 122, заклинивание больше не представляет проблемы благодаря разнице диаметров первой секции гнезда и удлинителя 150. Следовательно, разница диаметров удлинителя 150 и первой секции 122 должна быть достаточной для предотвращения заклинивания. Выяснилось, что достаточной является разница поперечных сечений как минимум в 1-2%, но желательно - 3-5%; эти значения гарантируют, что удлинитель 150 не заклинит в первой секции гнезда 122.
На Фиг.5 показан дополнительный вид муфты 100. Здесь виден кольцеобразный фланец 146, который выступает в наружном направлении от охватываемой полумуфты между уплотнением 130а и концом детали. Кольцеобразный фланец 146 выступает от охватываемой полумуфты не по всей ее окружности, а в некоторой области по окружности охватываемой полумуфты фланец отсутствует либо его высота уменьшена. Фланец 146 может выполнять роль стопора при соединении охватываемой и охватывающей муфт как показано на Фиг.1. Возвращаясь к Фиг.5, следует отметить, что охватывающая полумуфта имеет выступ 147, образованный на входе в гнездо 122. Выступ имеет высоту, позволяющую при соединении муфты вводить в гнездо стыковочный элемент соответствующего сечения, без учета размеров фланца 146. Как следствие, муфту нельзя соединить полностью до тех пор, пока охватываемая деталь не провернута до правильного положения в гнезде 122. При эксплуатации взаимодействие выступа 147 и паза в кольцеобразном фланце 146 обеспечивает муфте 100 жесткость на скручивание.
Муфта 100 особенно подходит для применения в ситуациях, где сила разрыва, воздействующая на муфту, прилагается к ней намеренно. Например, в ситуациях, где трубопровод может пострадать при перемещении айсбергов, текучая среда из трубопровода может быть удалена, а муфта разъединена для предотвращения повреждения трубопровода и других чувствительных компонентов. Напротив, если на трубопроводе случился непредвиденный инцидент, например подводный оползень, предпочтительно, чтобы муфта разъединилась, при этом текучая среда остается в трубопроводе, и ограничивается ее выброс в окружающую среду.
Как следствие, на Фиг.6 показан второй вариант выполнения муфты 200. Здесь соединены первая охватываемая полумуфта 210а и вторая охватываемая полумуфта 210b. Каждая соединительная полумуфта имеет поршень 211 и запорный клапан 212. Охватывающий узел 220 образован запорным клапаном 212 каждой охватываемой полумуфты и обоймой 221, удерживающей два запорных клапана вместе с возможностью раскрепления.
Натяжной компонент 240 соединяет поршень 221 первой соединительной полумуфты с поршнем 221 второй полумуфты. При эксплуатации натяжной компонент 240, таким образом, несет всю осевую нагрузку, воздействующую на муфту 200. Как следствие, после соединения муфты и регулировки натяжного компонента 240, муфту 200 нельзя разъединить, пока не будет разрушен натяжной компонент 240. Более того, как поясняется далее, две охватываемые полумуфты 210 нельзя разделить до тех пор, пока не будут закрыты оба запорных клапана 212. Соответственно, ограничивается утечка текучей среды в окружающую среду даже в случае, если муфта 200 разъединяется при наполненном трубопроводе.
Натяжной компонент 240 содержит шток или стержень, проходящий через отверстие одной из деталей, как описано выше. Соответственно, натяжной компонент 240 можно зафиксировать так, как описано выше, с помощью стопора, размещенного на выступающей стороне. Например, можно затянуть гайку (не показана на чертеже) на конце натяжного компонента 240 с резьбой. Таким образом, натяжной компонент 240 можно предварительно нагрузить, как описано выше.
Муфта 200 содержит первую охватываемую полумуфту 210а и вторую охватываемую полумуфту 210b. Каждая соединительная муфта 210 снабжена поршнем 211, что более подробно изображено на Фиг.7. Соответственно, поршень 211 показан на чертежах как цилиндрический шток. Поршень 211 имеет тыльный конец 213 и стыковочный конец 214. Здесь оба эти конца отделены круглым фланцем 215, выступающим по окружности поршня 211. Поршень 211 имеет проточный канал 216, проходящий от торцевой поверхности тыльного конца 213 к окружной поверхности стыковочного конца 214. Канал 216 показан в виде двух глухих отверстий. Одно из глухих отверстий проходит вдоль оси стыковочного элемента 211, а второе проходит под углом к оси стыковочного элемента, оканчиваясь на его окружной поверхности. Из последующего описания понятно, что точный путь проточного канала не особенно важен, так как сам канал оканчивается на указанной окружной поверхности.
Каждая соединительная полумуфта 210а, 210b содержит запорный клапан 212. Запорный клапан содержит компонент, имеющий гнездо 222 для приема стыковочного элемента 214 охватываемой полумуфты. Гнездо 222 схематически показано в виде цилиндрического отверстия. Запорный клапан 212 имеет выходное отверстие 224, которое образует проточный канал между окружной поверхностью гнезда 222 и внешней поверхностью запорного клапана 212. Запорный клапан 212 установлен на охватываемую полумуфту 210 с возможностью перемещения. В охватываемой полумуфте имеются ограничители перемещения запорного клапана. Соответственно, кольцеобразный фланец 215 образует стопор на одной стороне стыковочного элемента 212. Второй стопор установлен ближе к наконечнику стыковочного элемента. Второй стопор показан здесь в виде пластины 225, прикрепленной к наконечнику стыковочного элемента с соблюдением некоторого зазора, выдерживаемого за счет штока 226, который расположен параллельно оси стыковочного элемента 211. Как следствие, запорный клапан 212 выполнен с возможностью перемещения вдоль стыковочного элемента 211 между двумя ограничителями. Если запорный клапан 212 упирается в стопор 225 на наконечнике стыковочного элемента, выходное отверстие 224 перекрывается концом стыковочного элемента и проточный канал 215 перекрыт внутренней поверхностью гнезда 222. Если запорный клапан упирается в другой ограничитель, выходное отверстие совмещено с проточным каналом 216 в охватываемой полумуфте.
Для обеспечения удержания текучей среды между гнездом и стыковочным элементом установлены уплотнения. Например, кольцевая уплотнительная область 230, включающая в себя пару кольцевых уплотнений, установлена в кольцевой выемке стыковочного элемента на каждой стороне выхода проточного канала. Еще одна кольцевая уплотнительная область 232 расположена ближе к наконечнику стыковочного элемента для герметизации закрытого выходного отверстия 224.
Охватываемая полумуфта снабжена средством стабилизации запорного клапана 212, назначение которого - предотвратить его поворот на стыковочном элементе 211. Соответственно, имеется по меньшей мере один внеосевой шток с одной стороны от осевой линии поршня. Стабилизирующий шток неподвижен относительно поршня 211. Стабилизирующий шток взаимодействует с запорным клапаном, входя в соответствующее отверстие на нем, внутри которого шток может свободно перемещаться. На Фиг.8 средство стабилизации запорного клапана 212 изображено в виде двух внеосевых стабилизирующих штоков 260. Стабилизирующие штоки 260 закреплены на пластине 225, которая выполняет роль стопора. Стабилизирующие штоки 260 установлены по каждой стороне относительно оси поршня, параллельно ей. Как следствие, внеосевые стабилизирующие штоки 260 предотвращают поворот запорного клапана 212 вокруг поршня 211.
Чтобы соединить с помощью муфты два трубопровода, нужно взять две охватываемые полумуфты, описанные выше, и расположить одну на другой в зеркальном положении по отношению друг к другу, как показано на Фиг.9. После сборки и фиксации выходные отверстия 224 на каждой детали должны сообщаться. Следовательно, если детали идентичны, то выходное отверстие должно располагаться в средней части охватываемой полумуфты. Как показано на Фиг.8, по периметру выходного отверстия предусмотрена зона уплотнения. Соответственно, зона уплотнения изображена в виде пары кольцевых уплотнений 262. Когда две охватываемые полумуфты 210 установлены в зеркальном положении относительно друг друга, зоны уплотнения обеспечивают герметичность между двумя выходными отверстиями 224.
Чтобы предотвратить разъединение двух деталей относительно направления, отличного от того, которое параллельно оси стыковочного элемента, к обеим полумуфтам присоединен фиксатор. На Фиг.10 фиксатор изображен в виде обоймы 270. Обойма 270 на Фиг.10 показана в виде двух частей - 271 и 272, но обе эти части могут быть выполнены как одна деталь. Каждая часть обоймы - 271 и 272 - скрепляет разные стороны охватываемых полумуфт 210 вместе. Каждая из частей 271 и 272 принимает на себя нагрузку благодаря тому, что в поперечном сечении она имеет L-образную форму. Если обойма состоит из двух отдельных частей, то для предотвращения их срыва с боков муфты на них имеется наклонный выступ. Таким образом, охватываемые полумуфты 210 имеют шейки, диаметр которых меньше диаметра обоймы ближе к ее краю. Следовательно, две части обоймы можно скользящим движением установить в фиксированное положение. Чтобы снизить вероятность заклинивания частей обоймы при их установке в пазы, желательно придать им коническую форму таким образом, чтобы они подклинивали друг друга.
Каждая охватываемая полумуфта содержит выполненное с возможностью раскрепления блокирующее средство, с помощью которого осуществляется блокировка запорных клапанов первой и второй охватываемых полумуфт, которая может быть снята, с целью предотвращения относительного перемещения вдоль оси стыковочного элемента при открытых выходных отверстиях. На Фиг.11 показаны выполненные с возможностью раскрепления блокирующие средства, снабженные болтами 280, которые проходят из отверстия одного запорного клапана в отверстие другого запорного клапана. Если запорный клапан по отношению к стыковочному элементу находится в таком положении, что выходное отверстие закрыто, болты освобождают, так что они могут выйти из отверстия одного из запорных клапанов. Соответственно, отверстия могут сообщаться с одним из отверстий для ввода стабилизирующих штоков 260. Таким образом, путем создания полости 282 для приема болта 280 только в месте, соответствующем закрытому положению выходного отверстия 224, болты 280 удерживаются в заблокированном положении до тех пор, пока полость 282 не совместится с ними. В этой точке они могут войти в полость, и следовательно, выйти из отверстия другого клапана. Следует учесть, что на Фиг.8 стабилизирующие штоки 260 охватываемой полумуфты имеют полости для прохождения болтов 280 ближе к тыльному концу, в то время как приспособление 284 служит для удержания болтов другой охватываемой полумуфты.
Как показано на Фиг.12, натяжной компонент 240 соединен с одним стыковочным элементом посредством втулки 242. Втулка 242 жестко закреплена на стыковочном элементе. Натяжной компонент 240 соединен с другим стыковочным элементом посредством стопорной пластины 225. После сборки натяжной компонент 240, который установлен и закреплен на одной из полумуфт, проходит через отверстие в другой полумуфте. Таким образом, натяжной компонент можно предварительно нагрузить, как описано выше.
На Фиг.13 показана муфта 200 в соединенном положении, где натяжной компонент 240 только что разрушился растягивающим усилием, которое было приложено к муфте с целью вытянуть охватываемые полумуфты. Так как запорные клапаны находятся в открытом положении, болты 280 блокируют их, удерживая запорные клапаны 212 вместе. Таким образом, при дальнейшем воздействии растягивающего усилия на две охватываемые полумуфты, стыковочные элементы 211 выходят из гнезд 222. На Фиг.14 показана муфта 200, где одна из охватываемых полумуфт перекрыта. Здесь стыковочный элемент 211 вышел из гнезда 222 настолько, что запорный клапан 212 переместился относительно стыковочного элемента 211 и перекрыл канал 216 и выходное отверстие 224. Однако, как показано на Фиг.15, хотя болты 280, связанные с закрытым запорным клапаном 212, могут свободно выходить из отверстия в другом запорном клапане вследствие их совмещения с полостью 282, но так как второй запорный клапан 212 остался в открытом положении, то оба клапана удерживаются в соединенном состоянии.
При дальнейшем воздействии растягивающего усилия второй стыковочный элемент 211 выходит из соответствующего ему гнезда 222. Как показано на Фиг.16, как только оба запорных клапана 212 переходят в закрытое положение, все болты могут выйти из соответствующих им отверстий в другом запорном клапане. Перемещение болтов облегчается тем, что они имеют закругленную форму, вследствие чего при перемещении запорных клапанов относительно друг друга возникает сдвигающее усилие, благодаря которому болты 280 выходят из отверстия в другом клапане. Так как стопоры 225 упираются в концы запорных клапанов 212, мешая их дальнейшему перемещению относительно стыковочного элемента 211, то при дальнейшем воздействии усилия запорные клапаны начинают перемещаться относительно друг друга. Вследствие наличия трения между обоймой 220 и охватываемыми полумуфтами обойма остается на одной из деталей. Как вариант, обойма выполнена с возможностью перемещения относительно обеих деталей и останется частично соединенной с одной или другой деталью, либо может отсоединиться от обеих деталей.
Как следствие, предлагается муфта 200, которая может разъединяться под действием заданного усилия, которое определяется исключительно характеристиками натяжного компонента. Более того, разъединение возможно производить при ограниченном выбросе текучей среды в окружающую среду даже в случае, если муфта разрушилась под давлением.
На Фиг.18а показано поперечное сечение поршня, описанного выше. На Фиг.18b и 18с показаны альтернативные конфигурации проточных каналов, которые также можно использовать. На Фиг.18b показан проточный канал 216 с коленом, расположенным под углом 30°, назначение которого - снизить возмущения в потоке жидкой среды. На Фиг.18с показан канал 216, имеющий целиком спрямленный профиль.
Недостатком применения каналов 216, расположенных под углом к оси стыковочного элемента, являются повышенные напряжения, воздействующие на обойму при необходимости остановить два запорных клапана, когда они разъединяются. Следовательно, возможно, понадобится изготовить обойму из одной цельной детали, полностью охватывающей два запорных клапана. Как показано на Фиг.1, в данном случае возможно, чтобы запорный клапан на одной из охватываемых полумуфт составлял единое целое с обоймой.
Описанные здесь варианты выполнения предложенной муфты могут разъединяться без разрушения компонентов, путем раскрепления натяжного компонента и разъединения соединительных полумуфт так, что их можно вновь соединить в другое время; это также позволяет соединять муфту на месте проведения работ. Однако, так как основное назначение муфт состоит в создании своего рода предохранителей, которые должны разъединяться при возникновении экстренной ситуации и при этом перекрывать трубопровод, не прибегая его резке, также возможно устанавливать детали муфты уже в соединенном положении и скрепленные натяжным компонентом. Трубопровод может соединяться с помощью таких муфт уже по месту проведения работ, путем подсоединения труб к соответствующим концам муфты. Это позволяет точно отрегулировать натяжной компонент в производственных условиях. Здесь муфта предназначена находиться в соединенном состоянии до момента ее разъединения при возникновении экстренной ситуации. Как только муфта разъединяется, трубы автоматически перекрываются, чтобы предотвратить значительную утечку нефти в окружающую среду. Затем трубы можно опорожнить, удалить поврежденные детали муфты и заменить их новыми.
Еще один вариант выполнения изобретения изображен на Фиг.20-26.
На Фиг.20 изображена муфта 300, включающая в себя первую и вторую полумуфты. Первая полумуфта 310 оказывается соединенной со второй полумуфтой 320 путем относительного перемещения вдоль направления соединения. Имеется компонент 330, работающий на растяжение, для соединения первой и второй полумуфт, находящихся в соединенном положении, для противодействия разъединению. Работающий на растяжение компонент представляет собой единую деталь и размещен с возможностью выдерживать разделяющие усилия, действующие на первую и вторую полумуфты. В данном случае, при соединении, работающий на растяжение компонент устанавливается, при соединении, вдоль направления соединения.
И хотя в данном случае третий вариант выполнения описан с применением одного работающего на растяжение компонента, следует учитывать, что даже с применением других ограничительных средств (например, штифтового соединения), третий вариант выполнения обеспечивает лучшее соединение, так как проточные каналы внутри первой и второй полумуфт автоматически перекрываются при разъединении муфты.
Первая полумуфта содержит поршень 312 и манжету 314. Поршень 312 своим тыльным концом соединен с проточным каналом. Внутри поршня 312 выполнен проточный канал 316. В данном случае проточный канал целиком спрямлен, представляя собой круглое отверстие, идущее от тыльного конца поршня. Проточный канал имеет колено, расположенное так, что его выход расположен на окружной поверхности поршня. Наличие колена необязательно, но оно позволяет уменьшить размеры конструкции. Однако важным является то, что выход проточного канала расположен на окружной поверхности поршня 312. На каждой стороне выхода проточного канала на окружной поверхности предусмотрены уплотнения, предназначенные обеспечить герметичность манжеты 314. На Фиг.20 первая полумуфта изображена в закрытом положении. В данном случае выход указанного канала на окружной поверхности полностью герметизируется манжетой 314. Предусмотрено средство, предотвращающее дальнейший выход поршня 312 из манжеты 314. Здесь оно показано в виде продолговатой детали, которая взаимодействует с выступом манжеты. Следует учитывать, что в закрытом положении утечка текучей среды из канала предотвращена. Более того, так как оба уплотнения на каждой стороне выхода проточного канала на окружной поверхности крепятся к манжете либо поршню, то поршень сбалансирован, а следовательно, между ним и манжетой не возникает суммарного запирающего или отпирающего усилия. Однако в зависимости от требований для конкретной ситуации уплотнения можно установить по-другому, так, чтобы обеспечить наличие суммарного запирающего или отпирающего усилия.
Один конец манжеты 314 первой полумуфты имеет отверстие, в котором подвижно установлен поршень. Соответственно, именно это отверстие перекрывается поршнем. Противоположный конец первой полумуфты имеет гнездо для приема второй полумуфты. Соответственно, вторая полумуфта вставляется в гнездо, продольная ось которого совпадает с направлением перемещения поршня относительно манжеты. Манжета 314 имеет среднюю секцию. Данная секция обеспечивает наличие проточного канала между двумя разнесенными отверстиями на внутренних окружных поверхностях канала и гнезда, внутри которых могут перемещаться поршень и вторая полумуфта. Таким образом, если поршень перемещается относительно манжеты в открытое положение, отверстия на окружных поверхностях совмещаются, образуя надежный канал для текучей среды, герметичность которого обеспечивается уплотнениями. Дальнейшее перемещение поршня предотвращается благодаря стопору. Стопор изображен в виде выступов 318 на манжете, в которые упирается тыльный конец поршня. Предпочтительно, чтобы поршень был снабжен фиксирующим средством. В качестве фиксирующего средства выступают вырезы, куда входит стопор, тем самым обеспечивая жесткость конструкции на скручивание и способствуя правильному совмещению поршня и манжеты.
На тыльном конце поршня имеется средство подсоединения работающего на растяжение компонента, в качестве которого, соответственно, выступает резьбовое соединение, например глухое отверстие с резьбой.
Вторая полумуфта снабжена стыковочным элементом 340 и втулкой 350. Втулка выполнена с возможностью перемещения вдоль стыковочного элемента межу открытым и закрытым положениями. В закрытом положении втулка перекрывает отверстие в проточный канал второй полумуфты, который выходит на окружную поверхность стыковочного элемента. Здесь уплотнения установлены по обеим сторонам отверстия на окружной поверхности и закреплены либо на стыковочном элементе 340, либо на втулке 350. Таким образом, если втулка 350 находится в закрытом положении, усилия сбалансированы, то есть не возникает ни отпирающего, ни запирающего усилия. Однако в зависимости от конкретных требований одно из уплотнений можно расположить по-другому - на стыковочном элементе или манжете, что позволит обеспечить наличие суммарного отпирающего или запирающего усилия. Втулка выполнена с возможностью перемещения по стыковочному элементу в продольном направлении. В открытом положении втулка 350 не препятствует прохождению текучей среды из выхода канала на окружной поверхности стыковочного элемента. Предусмотрено средство, препятствующее втулке перемещаться дальше, за пределы закрытого или открытого положения. Оно изображено в виде выступов и продолговатой детали. Проточный канал во второй полумуфте может иметь любую форму. На рисунке показано, что желательная его форма - это прямой круглый канал, совмещенный с осью стыковочного элемента и имеющий колено, позволяющее ему выходить на окружную поверхность детали.
Размер стыковочного элемента подобран таким образом, чтобы он совпадал с размером гнезда при относительном перемещении первой и второй полумуфт в направлении соединения. Предпочтительно, чтобы уплотнения, закрывающие отверстие на окружной поверхности стыковочного элемента, были выполнены на самом элементе, что позволит обеспечить герметичность как по отношению к втулке, так и по отношению к гнезду. Таким образом, если стыковочный элемент полностью вставлен в гнездо, то гнездо и стыковочный элемент герметизируются, и образуется проточный канал, соединяющий канал в стыковочном элементе и канал в средней секции манжеты первой полумуфты. Опять же, дальнейшему введению стыковочного элемента в гнездо препятствуют стопоры 318, также соответствующий тыльный конец стыковочного элемента снабжен специальными шлицами или канавками для введения стопоров 318; они служат для обеспечения жесткости на скручивание.
Когда стыковочный элемент вставляется в гнездо, размер втулки подбирается таким образом, чтобы упираться в гнездо. Поэтому следует учитывать, что при вводе стыковочного элемента в гнездо, втулка перемещается в открытое положение. В муфте предусмотрено средство блокировки втулки на гнезде. Средство, блокирующее две детали, автоматически размыкается при воздействии на узел разъединяющего усилия, но только в том случае, если втулка возвращается в закрытое положение относительно стыковочного элемента. Это средство показано в виде расширяемого кольца, состоящего из набора кольцевых сегментов. Кольцевые сегменты расположены в кольцевом выступе втулки и гнезда. Таким образом, при соединении втулку и гнездо нельзя разъединить, если кольцо не расширится до большего радиуса или если не сместить каждый сегмент от центральной оси. Такому перемещению препятствует зажим, закрепленный на стыковочном элементе.
На тыльном конце стыковочного элемента имеется средство соединения с натяжным компонентом. Кроме того, оно может быть резьбовым соединением, например глухим отверстием с резьбой.
Работающий на растяжение компонент выполнен в виде натяжного узла 330, состоящего из первой и второй втулок 332 и 334, которые крепятся к тыльному концу стыковочного элемента и поршня. Между двумя втулками устанавливается работающий на растяжение компонент 338. Соответственно, две втулки соединены регулировочной деталью. Регулировочная деталь 336 регулирует положение двух втулок и применяется для их соединения с соответствующими концами соединительных полумуфт. Например, муфты имеют внешнюю резьбу для ввинчивания в глухие резьбовые отверстия. Чтобы избежать вращения втулок, передающих вращающее усилие натяжному компоненту, данный компонент в каждой втулке фиксируется с помощью универсального соединения, например шарового или шарнирного. Следует учитывать, что соединение должно удерживать работающий на растяжение компонент 338 в боковом положении относительно втулок, а также направления соединения. В данном случае регулировочная деталь может быть вращающейся. Как следствие, предпочтительно, чтобы регулировочная деталь имела внутреннее отверстие с резьбой, куда должны ввинчиваться втулки, имеющие наружную резьбу. Таким образом, при вращении регулировочной детали вращаются и втулки. Как только втулки входят во взаимодействие с резьбой в глухих отверстиях, поворот или вращение регулировочной детали приводит к тому, что втулки вывинчиваются из нее и ввинчиваются в глухие отверстия. Таким образом, натяжной узел может соединяться с первой и второй полумуфтами благодаря вращению регулировочной детали. Как описано далее, манжета первой полумуфты имеет отверстие для обеспечения доступа инструмента к регулировочной детали с целью обслуживания. Более того, натяжной компонент 338 может быть предварительно нагружен путем затягивания регулировочной детали в различной степени. Таким образом, возможно точно и многократно устанавливать предварительное натяжение компонента, исходя из количества оборотов.
Что касается Фиг.21, то муфта 300 изображена здесь в начальном соединенном положении. Следует учитывать, что данное положение регулируется на заводе-изготовителе, и оно зависит от того, в каком виде муфта будет поставляться на место работ. Важным является то, что первая и вторая полумуфты поставляются в соединенном состоянии. В данном случае поршень первой полумуфты смещен относительно манжеты в направлении соединения до открытого состояния. Таким образом, между поршнем и средней секцией обеспечивается проточный канал. С другого конца вставляется работающий на растяжение узел 330, который изначально не закрепляется в манжете. После этого стыковочный элемент второй полумуфты вставляется в гнездо. Вследствие соприкосновения втулки и гнезда при соединении манжета второй полумуфты перемещается в открытое положение. Таким образом, во второй полумуфте проточный канал также сообщается с каналом в манжете первой полумуфты, и при этом образуется проточный канал между двумя полумуфтами. Применяется средство блокировки втулки по отношению к гнезду. Затем закрепляется и работающий на растяжение компонент. В данном случае работающий на растяжение компонент соединяется с концами стыковочного элемента второй полумуфты и поршня первой полумуфты. Работающий на растяжение компонент устанавливается параллельно продольной оси относительного перемещения, между стыковочным элементом и манжетой первой полумуфты. Наиболее подходящим способом подсоединения работающего на растяжение компонента является создание отверстия в манжете первой полумуфты, которое позволяет вращаться подвижному компоненту работающего на растяжение компонента. Вследствие этого детали, имеющие резьбу, также начинают вращаться и таким образом входят в зацепление с резьбовыми отверстиями и тыльными концами соответствующих компонентов. Теперь муфту можно применять для соединения труб по месту проведения работ. При эксплуатации муфта выполняет роль предохранителя, который разъединяется, если на две скрепленные им трубы действует разъединяющее усилие. Важным является то, что, как здесь описано, муфта разъединяется без необходимости обрезки труб и значительных выбросов текучей среды из труб в окружающую среду.
При эксплуатации и как показано на Фиг.22-26, работающий на растяжение компонент рассчитан на разрушение при воздействии на него установленной силы разрыва. Как только это происходит (показано на Фиг.22), поршень либо стыковочный элемент выходит из соединения или перемещается относительно манжеты. На Фиг.22 показано, что первым движение начал поршень, хотя порядок выхода элементов из соединения не важен. Как только уплотнение пройдет мимо отверстия на окружной поверхности манжеты, текучая среда заполняет полость, в которой размещен работающий на растяжение компонент (или то, что от него осталось). Как следствие, на конец поршня воздействует сила, возникшая при перепаде давлений, заставляя его переместиться в закрытое положение. Так как поршень упирается в манжету, дальнейшее приложение разъединяющего усилия к трубе, закрепленной в первой полумуфте, приводит к тому, что стыковочный элемент и манжета перемещаются как одно целое. Последовательно, по мере того как уплотнение пропускает текучую среду в полость, где размещается работающий на растяжение компонент, перепад давлений воздействует на стыковочный элемент, вынуждая его покинуть гнездо. Так как втулка блокирована относительно гнезда, разъединяющее усилие, воздействующее на трубы, приводит к выходу стыковочного элемента из гнезда. При перемещении на достаточное расстояние втулка перекрывает поршень; средство ее блокировки относительно гнезда автоматически раскрепляется; и как следствие, первая и вторая полумуфты разъединяются.
После разделения две трубы можно освободить от текучей среды в контролируемых условиях, снять первую и вторую полумуфты разъединенной муфты с концов труб и установить новую, соединенную муфту на их место. Как следствие, одним из преимуществ является то, что предложена муфта, которую можно установить на трубопроводы либо другие линии транспортировки текучей среды и которая обеспечивает функцию автоматического разъединения при превышении установленного усилия разрыва труб. Таким образом, можно защитить от повреждения ответственное оборудование, при этом не требуется резать сам трубопровод, когда концы труб открываются и происходит утечка текучей среды в атмосферу.
Хотя в документе представлены и описаны предпочтительные варианты выполнения изобретения, следует учитывать, что специалист может внести в конструкцию изменения, не выходя за пределы сути и объема изобретения, определенных в формуле изобретения.