Муфта соединительная электросварная

Предлагаемая полезная модель относится к соединениям или фитингам для труб, касается муфты соединительной электросварной, которая может быть использована для соединения и ремонта пластмассовых трубопроводов высокого давления до 3,2 МПа включительно и выше, преимущественно диаметром 500-2000 мм, в том числе для соединения питьевых трубопроводов и газопроводов.
Известна универсальная конусная муфта (RU 148064 U1, кл. F16L 55/17, опубл. 27.11.2014 г.), предназначенная для ремонта трубопроводов, в частности, для ремонта дефектных участков и дефектов сварных швов трубопроводов без остановки перекачки продукта (нефти, газа или воды), а также для усиления сварных швов на стадии строительства трубопроводов. Муфта содержит цилиндрическую внутреннюю поверхность, соответствующую диаметру трубопровода, и металлическую обечайку, выполненную с возможностью установки своей внутренней поверхностью на соответствующую ей внешнюю поверхность муфты. Внешняя поверхность муфты и внутренняя поверхность металлической обечайки выполнены коническими. Муфта состоит из соединяемых между собой двух полумуфт, каждая из которых содержит выступы и пазы, ответные соответственно пазам и выступам другой полумуфты. Муфта выполнена из отвержденного композиционного материала, работающего на сжатие, выбранного из группы: стеклопластик, углепластик, базальтопластик. Металлическая обечайка выполнена из двух полуобечаек, соединенных между собой сварными швами. Длина металлической обечайки меньше длины муфты на 100-200 мм. В рабочем состоянии концы муфты выступают по отношению к концам металлической обечайки. Указанная муфта обеспечивает повышение эксплуатационной надежности отремонтированного трубопровода и доведение его до уровня бездефектного за счет того, что выступы и пазы, выполненные на полумуфтах, и конические внешняя поверхность муфты и внутренняя поверхность металлической обечайки обеспечивают исключение зазоров между муфтой и металлической обечайкой, между трубопроводом и муфтой.
Недостатком указанной муфты является сложность изготовления из-за наличия множества элементов, которые необходимо соединять между собой, необходимость использования стягивающих элементов, а так же вес, вследствие использования металлической обечайки.
Известна муфта для ремонта трубопровода (RU 130034 U1, кл. F16L 55/18, F16L 55/175, опубл. 10.07.2013 г.), использующаяся при ремонте эксплуатирующихся трубопроводов с дефектами, преимущественно трещиноподобными, в частности эксплуатирующихся газопроводов, нефтепроводов, которая содержит две полуобечайки, соединенные между собой по продольным участкам склеиванием или болтовыми соединениями. Каждая полуобечайка выполнена трехслойной, причем внутренний слой выполнен из углепластика, а наружные слои из стеклопластика. Обеспечивается снижение пожароопасности и повышение технологичности процесса ремонта трубопровода.
Недостатком указанной муфты является наличие механических болтовых соединений, вследствие чего трубопровод не представляет единую монолитную конструкцию. Наличие механических болтовых соединений это всегда слабое место - так как необходимо их постоянно подтягивать, так как резьбовое соединение со временем ослабляется, но это не всегда возможно - так как трубопроводы могут быть труднодоступны и находиться под землей или под водой. Склеивание данной муфты на объекте также не всегда возможно, а выполнить его без нарушения технологии - на строительном объекте почти невыполнимая задача. К тому же клеевое соединение обладает меньшей прочностью, чем монолитное соединение.
Самым частым дефектом соединения при помощи муфт с закладными электронагревателями согласно ГОСТ Р 54792-2011 «Дефекты в сварных соединениях термопластов» при сварке является замыкание витков спирали ввиду неплотного прилегания муфты к свариваемой трубе непосредственно при сварке.
Использование в качестве армирования металла приводит к коррозии, повреждению самой муфты при сварке и впоследствии распространению трещин как на самой муфте, так и на трубопроводе, а также увеличивает вес изделия. Кроме этого, коэффициент линейного термического расширения у металлов в 10-20 раз выше, чем у углепластика.
Использование в качестве элемента упрочнения ленточного бандажа имеет недостатки в виду неравномерного распределения давления на муфту и только частично перекрывает зону нагрева электроспирали вследствие чего, как правило, и возникают дефекты сварки - короткое замыкание между витками спирали.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемой полезной модели является муфта соединительная электросварная, защищенная патентом RU 200106 U1, кл. F16L 47/00, опубл. 06.10.2020 г., принятая за ближайший аналог (прототип).
Муфта по прототипу содержит корпус, выполненный в виде цилиндрической втулки с технологическими отверстиями, две электроспирали, выполненные из металлической проволоки и установленные внутри корпуса. При этом электроспирали содержат две намотки, каждая из которых состоит из близко расположенных витков проволоки, последовательно соединенные между собой и выполненные друг от друга на расстоянии и с отступом от краев. При этом отступы от краев корпуса и расстояние между намотками электроспирали, а также расстояние между электроспиралями образуют холодные зоны. Металлические контакты для подключения сварочного аппарата установлены в технологических отверстиях и соединены с концами электроспирали. Армирующий слой выполнен из композиционного материала и расположен над электроспиралью между контактами для подключения сварочного аппарата. Использование указанной муфты обеспечивает повышение качества и надежности соединения трубопроводов, в том числе армированных трубопроводов высокого давления до 3,2 МПа включительно и выше. Наличие контактов для подключения сварочного аппарата с двух сторон корпуса позволяет использовать два сварочных аппарата одновременно для двухкратного ускорения процесса сварки соединения.
Однако муфта по прототипу не лишена недостатков. Для сварки муфт больших диаметров (500-2000 мм) с использованием спиралей, состоящих из двух намоток соединенных между собой проволокой, требуется более высокая мощность сварочного оборудования и, соответственно, небезопасное для человека напряжение (свыше 48 В). Кроме этого, муфту по прототипу так же невозможно использовать при раструбном соединении трубопроводов, когда одна часть муфты приваривается к трубе на поверхности или в цеховых условиях, затем собранное изделие укладывается в траншею, а гладкий конец трубы вставляется в сформированный с помощью муфты раструб и соединение сваривается.
В задачу полезной модели положено усовершенствование муфты соединительной электросварной.
Техническим результатом от использования муфты соединительной электросварной является расширение арсенала технических средств, повышение безопасности и сокращение времени производственных работ.
Это достигается тем, что в муфте соединительной электросварной, содержащей корпус, выполненный в виде цилиндрической втулки с технологическими отверстиями, две электроспирали, установленные внутри корпуса с отступами от края и на расстоянии друг от друга, образующими холодную зону, металлические контакты для подключения сварочного аппарата, установленные в четырех технологических отверстиях и соединенные с концами электроспиралей, армирующий слой, выполненный из композиционного материала и расположенный между технологическими отверстиями, каждая электроспираль выполнена в виде отдельной намотки из близко расположенных витков проволоки; корпус выполнен диаметром 500-2000 мм; электроспирали выполнены из медной или нихромовой проволоки; контакты выполнены в виде штырей цилиндрической формы диаметром 4,0 мм или 4,7 мм из меди или из латуни; в качестве композиционного материала армирующего слоя используется арамидное волокно, или углеволокно, или стекловолокно, или их смесь, для связи волокон используется эпоксидная смола; армирующий слой выполнен толщиной 0,4-30 мм; корпус выполнен из пластмассы - полиэтилена марок ПЭ100, ПЭ100-RC, полиамида, полиэтилена повышенной термостойкости марки PE-RT или из полипропилена марки PP-RCT; коэффициент линейного термического расширения у армирующего слоя в 30-100 раз ниже, чем у полимерного материала, из которого выполнен корпус.
На фиг. 1 представлен общий вид муфты соединительной электросварной.
На фиг. 2 представлен вид сверху муфты соединительной электросварной.
На фиг. 3 представлен продольный разрез муфты соединительной электросварной.
Конструктивно муфта соединительная электросварная на фиг. 1-3 содержит:
1 - корпус;
2 - электроспирали;
3 - контакты для подключения сварочного аппарата;
4 - армирующий слой.
Корпус 1 выполнен в виде цилиндрической втулки, например, из пластмассы - полиэтилена марок ПЭ100, ПЭ100-RC, из полиамида или из полиэтилена повышенной термостойкости марки PE-RT, или из полипропилена марки PP-RCT. Сверху в корпусе 1 выполнены четыре технологических отверстия.
Внутри корпуса 1 с отступом от краев и на расстоянии друг от друга установлены электроспирали 2. Каждая электроспираль 2 выполнена в виде отдельной намотки из близко расположенных витков металлической проволоки. Отступы от краев и расстояние между электроспиралями 2 образуют холодную зону.
Электроспирали 2 могут быть выполнены, например, из медной или нихромовой проволоки.
Контакты для подключения сварочного аппарата 3 установлены в технологических отверстиях корпуса 1 и соединены с концами электроспиралей 2.
Контакты для подключения сварочного аппарата 3 выполнены в виде штырей цилиндрической формы диаметром 4,0 мм или 4,7 мм, например, из меди или из латуни.
Армирующий слой 4 выполнен из композиционного материала и расположен над электроспиралью 2 между контактами для подключения сварочного аппарата.
В качестве композиционного материала используется, например, арамидное волокно, или карбон (углеволокно), или стекловолокно, или смесь указанных материалов.
Для связи волокон используется эпоксидная смола.
Армирующий слой 4 выполнен толщиной 0,4-30 мм.
Сборку предлагаемой полезной модели осуществляют следующим образом.
Изготавливают корпус 1 с четырьмя технологическими отверстиями, выполненными сверху на одной стороне корпуса 1, по два с каждой стороны, на термопласт автомате методом литья под давлением для диаметра до 225 мм включительно или методом экструзии для диаметров свыше 225 мм с последующей механической обработкой корпуса муфты. Электроспирали 2 устанавливают внутри корпуса 1 с отступом от краев путем намотки металлической проволоки, например, медной или нихромовой. При этом электроспирали 2 выполняют в виде намоток из близко расположенных витков металлической проволоки, на расстоянии друг от друга. Отступы от краев и расстояние между электроспиралями 2 образуют холодную зону. Контакты для подключения сварочного аппарата 3 выполняют в виде штырей цилиндрической формы, например, диаметром 4,0 мм или 4,7 мм из меди или латуни. В технологические отверстия корпуса 1 устанавливают контакты для подключения сварочного аппарата 3. Соединяют концы электроспиралей 2 с контактами для подключения сварочного аппарата 3. Затем на внешнюю поверхность корпуса 1 между контактами для подключения сварочного аппарата 3 наносят армирующий слой 4. Армирующий слой 4 выполняют из композитного материла, методом перекрестной намотки для муфт диаметром до 225 мм включительно, или сеткой с ромбовидными ячейками для диаметров свыше 225 мм. В качестве композитного материала используют, например, арамидное волокно, или карбон (углеволокно), или стекловолокно, или смесь указанных веществ. Количество исходных компонентов выбирают в зависимости от требуемых характеристик конечного продукта. Для связи волокон используют связующий материал - эпоксидную смолу. Армирующий слой 4 выполняют толщиной 0,4-30 мм в зависимости от характеристик соединяемого трубопровода - его диаметра и рабочего давления.
На корпус 1 наклеивают термонаклейку - средство визуального контроля процесса сварки, которая меняет цвет, когда произведен нагрев муфты до заданной температуры и произведена сварка.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
Предлагаемую конструкцию муфты соединительной электросварной используют преимущественно на трубопроводах, диаметром 500-2000 мм. В корпус 1 с двух сторон устанавливают трубы, которые необходимо соединить. Сварочный аппарат подключают к контактам для подключения сварочного аппарата 3. Со сварочного аппарата подают напряжение на электроспирали 2, установленные внутри корпуса 1. В процессе сварки корпус 1 с помощью электроспиралей 2 нагревается, вследствие чего снижается его кольцевая жесткость SN. Армирующий слой 4, нанесенный на внешнюю поверхность корпуса 1 над электроспиралями 2 между контактами для подключения сварочного аппарата 3, препятствует расширению корпуса 1 наружу, его деформации, а также предотвращает перемещение электроспиралей 2. При этом за счет наличия «холодных зон» в виде отступов от краев корпуса 1 и расстояния между намотками электроспиралей 2 расплавленная пластмасса не вытекает наружу за пределы корпуса 1, а поступает внутрь корпуса 1, обволакивает поверхности свариваемых труб по всей окружности, тем самым устраняя зазоры между трубами и корпусом 1, создает необходимое давление для соединения труб между собой (для сварки необходимо одновременно достичь требуемого давления и температуры).
Выполнение армирующего слоя 4 из композитного материала исключает коррозию и повреждение корпуса 1 и ведет к равномерному прижатию всей зоны нагрева к трубе и соответственно превосходно сваривается с трубой, способствует наиболее плотному прилеганию муфты к свариваемой трубе, проведению сварки без дефектов. Это связано с тем, что коэффициент линейного термического расширения у армирующего слоя 4 в 30-100 раз ниже, чем у полимерных материалов, из которого выполнен корпус 1. Характеристики полимерных материалов, используемых при изготовлении муфты соединительной электросварной, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики полимерных материалов, используемых в муфте соединительной электросварной
Материал
Средний коэффициент линейного расширения, 10<sup>5</sup> K<sup>-1</sup>
Модуль упругости при растяжении, ГПа
Предел прочности при растяжении, МПа
Полиэтилен высокой плотности
17-55
0,55-0,65
13-30
Полипропилен
11-18
0,8-1,18
24-39
Полиамид ПА12
12-30
1,2-1,6
45-55
Стеклопластик
0,8-2,5
69
1920
Карбон (углепластик)
0,08-0,12
120-130
780-1800
Также наличие армирующего слоя 4 позволяет сваривать пластмассовые армированные трубы высокого давления, произведенные из того же материала, что и сам корпус 1 без снижения рабочего давления трубопровода, что позволяет распространить технологию сварки с использованием муфт с электроспиралью на трубопроводы высокого давления до 3,2 МПа и выше, для которых использование технологии электромуфтовой сварки ранее не было возможным.
При соединении данной муфтой пластмассовых трубопроводов с внутренним слоем, армированным синтетическими нитями или стекловолокном не происходит выход армирующего слоя трубы на поверхность и его последующая коррозия, в отличие от соединения путем сварки встык, в результате которой внутренний армирующий слой выходит на поверхность, что приводит к коррозии армирующего слоя при контакте с внешней средой. Полимерные трубопроводы высокого давления с внутренним армирующим слоем из металла без снижения прочностных характеристик трубопровода возможно сварить только с использованием данной муфты, так как для них на данный момент не доступны существующие технологии сварки и применяется только соединение с помощью механических муфт.
Соединение с помощью данной муфты не приводит к уменьшению проходного сечения трубопровода в отличие от других методов соединения и выдерживает давление не менее чем на 25% выше чем сам трубопровод.
Так же данная муфта может применяться для упрочнения стыкового соединения армированной пластмассовой трубы. Помимо сварки встык для сварки армированного трубопровода используется электросварная армированная муфта. Сразу 2 преимущества - защита от внешней агрессивной среды армирующего слоя и дополнительное упрочнение соединения. В результате чего соединение становится самой сильной частью трубопровода.
Также предлагаемая конструкция муфты делает возможным ее использование при раструбном соединении трубопроводов, когда для ускорения производственных работ подают напряжение на электроспираль 2, установленную с одной стороны корпуса 1, и осуществляют нагрев сначала одной части муфты, приваривая ее к трубе на поверхности или в цеховых условиях, а затем собранное изделие укладывают в траншею, гладкий конец другой трубы вставляют в сформированный с помощью муфты раструб, подают напряжение на электроспираль 2, установленную с другой стороны корпуса 1, и соединение сваривают.
Использование двух электроспиралей, выполненных в виде отдельных намоток из близко расположенных витков проволоки, позволяет применять для сварки оборудование невысокой мощности и безопасное для человека напряжение (до 48 вольт), что обеспечивает повышение безопасности выполняемых работ.
Ниже представлены примеры конкретного осуществления предлагаемой полезной модели.
Пример 1.
Сварка трубопровода высокого давления до 3,2 МПа, диаметром 500 мм с помощью муфты соединительной электросварной по прототипу.
Для сварки использовали муфту соединительную электросварную с корпусом из полиэтилена марки ПЭ100, с армирующим слоем из арамидного волокна, толщиной 8 мм. В траншее в корпус 1 муфты с двух сторон устанавливали соединяемые трубы. Сварочный аппарат подключали к контактам для подключения сварочного аппарата 3 и подавали напряжение 96 В на электроспирали 2, содержащие две намотки, каждая из которых состоит из близко расположенных витков проволоки, соединенные между собой проволокой, установленные с двух сторон внутри корпуса 1 с отступом от края на расстоянии друг от друга. Сварку осуществляли в течение 28 мин. Общее время производственных работ составило 187 мин.
Пример 2.
Сварка трубопровода высокого давления до 3,2 МПа, диаметром 500 мм с помощью муфты соединительной электросварной предлагаемой конструкции.
Для сварки использовали муфту соединительную электросварную с корпусом из полиэтилена марки ПЭ100, с армирующим слоем из арамидного волокна, толщиной 8 мм. В производственном цеху сваривали одну часть муфты с одной из соединяемых труб, подавая напряжение 40 В на электроспираль 2, установленную с одной стороны корпуса 1. Собранное изделие укладывали в траншею, гладкий конец другой трубы вставляли в сформированный с помощью муфты раструб, подавали напряжение 40 В на электроспираль 2, установленную с другой стороны корпуса 1. Сварку осуществляли в течение 24 минут. Общее время производственных работ составило 80 минут.
Представленные примеры показывают, что предлагаемая конструкции муфты соединительной электросварной позволяет применять для сварки оборудование невысокой мощности, сокращает время производственных работ.