СОЕДИНЕНИЕ ЭМАЛИРОВАННЫХ ТРУБ

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре, в частности к соединениям труб с внутренним эмалевым покрытиям путем сварки, и может быть использована при сооружении трубопроводов, предназначенных для транспортировки энергоносителей в жидком, газообразном состоянии, материалов в виде пульпы, содержащих абразивы, зольные осадки, глинозем и другие высококоррозионные среды, перерабатываемые в химической, металлургической, нефтегазовой и других областях промышленности.
Известно устройство для защиты внутреннего сварного шва трубопровода (Патент РФ на полезную модель №52967), которое содержит втулку, несущую на себе установочные выступы, кольцевые упоры, - втулка выполнена разъемной по ширине и имеет внешнее и внутреннее твердоплавкое эмалевое покрытие, а кольцевые упоры сформированы по краям внешней стороны тела втулки, при этом толщина (t) втулки составляет 0,07-0,15 ее ширины (S), которая связана с наружным диаметром (D) втулки соотношением: S=(0,15-0,30)D, причем высота кольцевого упора (h) равна 1,0-1,5 толщины внешнего эмалевого покрытия втулки (t'), а полость, образованная внешней поверхностью втулки и упорами, наполнена материалом легкоплавкой силикатной эмали, вместе с этим установочные выступы выполнены из коррозионностойкой стали, два из которых расположены по краям разъема втулки и являются фиксаторами стопорного элемента для упруго-напряженного смыкания втулки.
Однако опыт использования этого устройства выявил его существенный недостаток. При сочленении втулки с торцами труб по их периметру образуется полость шириной, равной толщине установочных выступов. Указанная полость хотя и заполняется эмалевым шликером, но он не обеспечивает защиту от прогара тела втулки от сварочной дуги, что нарушает целостность внутреннего эмалевого покрытия труб в зоне сварки.
Кроме того при формировании сварного шва в его структуре образуются неметаллические включения от прямого контакта оплавленного электрода и металла труб со шликером. Этот фактор негативно влияет на эксплуатационную стойкость изделий, сооружений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является соединение эмалированных труб (Патент РФ на изобретение №2227241), содержащее две трубы с эмалевым покрытием, установленную коаксиально внутри труб разъемную втулку с внутренним и внешним эмалевым покрытием марочного состава эмалевого покрытия труб, связующее антикоррозионного покрытия в виде лекоплавкой эмали. Радиальный выступ втулки выполнен по периметру ее среднего сечения, причем ширина (l) и высота (h) радиального выступа, а также длина (L) втулки и толщина (t) ее стенки соотносятся к толщине (S) стенки труб соответственно как 1/S=(0,1-0,3), h/S=(0,3-0,6), L/S=(2-5), t/S=(0,12-0,3 5).
Практика использования известного соединения труб с втулкой, как элемента стыковочного соединения, при сварке эмалированных труб также выявила ряд недостатков. При выполнении разреза втулки нарушается сплошность радиального выступа по его периметру. Поэтому в процессе сварки труб в месте разъема втулки возможен «прогар» ее стенки и истечение расплавленного эмалевого шликера в зазор стыка труб. Возникают проблемы зажигания дуги сварки при контакте электрода с эмалированной поверхностью радиального выступа, а при формировании коренного сварочного шва в его структуре образуются неметаллические включения, природа которых связана с оксидным составом эмали. Кроме того технические требования производства труб допускают эллипсность, минусовые и плюсовые отклонения от заданного диаметра, что усиливает негативное влияние на условие монтажа элементов стыковочного узла, процесса сварки и в конечном итоге на качество сварного соединения и антикоррозионного эмалевого покрытия на внутренней поверхности труб в зоне сварного соединения.
В настоящей заявке на полезную модель поставлена задача минимизировать недостатки известного соединения эмалированных труб и в конечном итоге повысить качество сварного соединения, его коррозионную стойкость за счет формирования надежного эмалевого покрытия совместимого с эмалевым покрытием труб в зоне термического влияния при их сварке.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом соединении, содержащем две трубы с эмалевым покрытием, установленную коаксиально внутри труб разъемную втулку с внутренним и внешним эмалевым покрытием марочного состава эмалевого покрытия труб, связующее антикоррозионного покрытия из легкоплавкой эмали, радиальный выступ втулки, выполненный по периметру ее среднего сечения, причем ширина (1) и высота (h) радиального выступа, а также длина (L) втулки и толщина (t) ее стенки соотносятся к толщине (S) стенки труб соответственно как 1/S=(0,1-0,3), h/S=(0,3-0,6), L/S=(2-5), t/S=(0,12-0,35).
Причинно-следственная связь указанных параметров с качественными характеристиками соединения эмалированных труб с толщиной стенки (S) 10 мм для стали марки 09Г2С приведены в таблицах 1, 2, 3, 4. Данные получены при создании технического решения (Патент РФ на изобретение №2227241) и многолетним опытом промышленного использования в трубопроводных системах.
В предлагаемой полезной модели разъем втулки выполнен в виде разреза смежных стенок до У-i толщины радиального выступа, при этом линии разрезов смещены относительно друг друга по дуге окружности (Lg) на величину (0,05-0,15) наружного диаметра втулки (Он), а участок между разрезами разделен по плоскости среднего сечения радиального выступа и стенки втулки, который со стороны внутреннего диаметра втулки перекрыт лентой из эластичного покровного материала.
g
H
g
H
Соотношение длины дуги участка раздела втулки между линиями разреза стенок к наружному диаметру втулки установлено опытным путем и связано с фактом отклонений геометрических форм и размерных величин при производстве труб. Соблюдение заявленных соотношений размеров элементов конструкций втулки гарантирует компенсацию плюсовых и минусовых допусков, соответствующих минимальному и максимальному допустимому отклонению размера внутреннего диаметра свариваемых труб конкретного типоразмера. При величине отношения L/D менее 0,05 возникают трудности по размещению втулки при соединении труб с разнополюсными допусками, конкретно, в трубе с плюсовым допуском на размер. При отношении L/D на величины более 0,15 увеличивается вероятность «свободной посадки» втулки в соединяемые трубы и при монтаже соединения не используются упруго-деформационные свойства втулки, которые в других случаях обеспечивают плотное облегание поверхностей контакта с внутренними стенками труб, создавая замкнутую полость для формирования антикоррозионного эмалевого покрытия сварного соединения.
Заявленный разрез втулки с разделением радиального выступа по плоскости сечения позволяет сохранять сплошность по его периметру. При сварке соединения труб формируется ровный сплошной шов без локальных «прожогов» стенок втулки. При нагреве соединения эмалированных труб в процессе сварки расплав шликера антикоррозионного покрытия равномерным слоем заполняет полость между внутренним диаметром свариваемых труб и внешним диаметром стенок втулки, которая ограничена плоскостью контакта торцов труб и радиального выступа, а с другой стороны контактом утолщения на наружных краях стенок втулок, выполненных в форме полусферы овалов, эллипса или шара. Участок несплошности по линии разреза втулки ограничен (перекрыт) эластичным покровным материалом со стороны внутренних стенок втулки.
В качестве эластичного покровного материала используют стеклоткань, эмалевую ткань или ткань на основе эмалевого волокна.
В предлагаемом соединении эмалированных труб радиальный выступ втулки выполнен без эмалевого покрытия. При сварке устраняются причины задержки дуги зажигания между электродом и металлической поверхностью радиального выступа по его периметру, а также причины образования в матрице сварного шва неметаллических включений, связанных с оксидным составом эмалевого покрытия втулки.
На Фиг.1 изображен общий вид соединения с частичным поперечным разрезом. Соединение содержит свариваемые трубы 1, 2 с внутренним эмалевым покрытием 3; втулку 4 с внутренним и внешним эмалевым покрытием 5 марочного состава эмалей труб; стенки 6; неэмалированный радиальный выступ 7 втулки; разъем 8 втулки; полость 9, наполненную шликером антикоррозионного покрытия; эластичный покровный материал 10.
На Фиг.2 изображены втулки с частичным поперечным разрезом с исполнением наружных кромок стенок с утолщением.
g
H
На Фиг.1, 2 обозначены: S - толщина стенок труб, t - толщина стенки втулки, L - длина втулки, l - ширина радиального выступа втулки, h - высота радиального выступа втулки, L - длина дуги разъема по плоскости среднего сечения втулки, D - наружный диаметр втулки.
g
g
H
Сборка соединения осуществляется следующим образом. Под конкретный внутренний диаметр соединяемых труб изготавливается втулка с учетом соблюдения заявленных взаимосвязанных размерных соотношений элементов ее конструкции. Втулку за исключением радиального выступа 7 эмалируют по всей поверхности маркой эмали, использованной для эмалирования труб. С учетом допусков на толщины стенок и внутреннего диаметра соединяемых труб осуществляют разрез смежных стенок втулки и разъем ее по плоскости среднего сечения на длину дуги окружности (L) между разрезами в пределах соотношения L=(0,05- 0,15) D. Разъем втулки со стороны внутреннего диаметра по поверхности стенок перекрывают (заклеивают) эластичным покровным материалом (например, лентой стеклоткани). По общепринятой технологии эмалирования металлических изделий на внешнюю поверхность стенок 6 втулки 4 и на внутреннюю поверхность концов соединяемых труб на расстоянии половины длины втулки наносят шликер (в виде пасты или тестообразной массы) антикоррозионного покрытия (эмали). Втулку размещают сначала в одной из труб с произвольной фиксацией ее разъема по периметру трубы.
После размещения втулки во второй трубе ее стенки за счет упругой деформации прижаты к стенкам трубы. При этом за счет формирования сферического профиля кромок стенок, перекрытия разъема втулки покровным эластичным материалом, между внутренней поверхностью труб и внешней поверхности втулки образована замкнутая полость, заполненная шликером. Соединение подготовлено к сварке стыка эмалированных труб.
При формировании корневого сварочного шва (на Фиг.1 не приведен), кроме торцов стенок труб происходит расплавление металла верхней не эмалированной части радиального выступа 7. От тепловой энергии сварного процесса происходит прогрев и размягчение эмалевого покрытия труб и втулки, расплавления шликера антикоррозионного покрытия 9. В процессе остывания сварного соединения происходит формирование прочного плотного и пластичного антикоррозионного эмалевого покрытия по всей длине и поверхности соприкосновения втулки и сварных труб. Втулка через радиальный выступ и трубы соединены сварочным швом «чистым» от неметаллических оксидных включений, что значительно повышает эксплуатационную стойкость соединения эмалированных труб.
Заявленное соединение успешно прошло испытание при сварке эмалированных труб диаметром 325-351 мм. По результатам испытания подготовлена техническая документация (Технические требования на соединительные разъемные втулки, Технологическая инструкция по подготовке и монтажу) по применению соединения в строительстве магистральных и промысловых трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием, согласованная с проектными, строительными и надзорными организациями. Получен заказ на промышленную партию элементов конструкции соединения для сварки труб с внутренним эмалевым покрытием.
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель №52967
2. Патент РФ на изобретение №2227241
Таблица 1.
Качественные характеристики металла шва соединения труб в зависимости от значения 1/S
Отношение l/S.
Механические свойства
σ<sub>b</sub>, Мпа/мм<sup>2</sup>
σ<sub>τ</sub>, Мпа/мм<sup>2</sup>
δ, % не менее.
KCV, Дж/см<sup>2</sup>
0,08
450
310
18
40,4
0,10
460
315
20
39,6
0,20
470
320
20
39,4
0,30
460
315
20
39,3
0,35
430
305
19
38,7
Таблица 2.
Качественные характеристики металла шва соединения труб в зависимости от значения h/S
Высота выступа реборды р, мм
Отношение h/S
Непровар корня шва, мм
Качество шва
Заключение
2,0
0,2
0,3
Слабое усиление пары
Вырезать
3,0
0,3
0,4
Удовл.
Годен
4,0
0,4
0,5
Удовя.
Годен
6,0
0,6
0,7
Удовл.
Годен
7,0
0,7
1,1
Подрезы, раковины
Исправить
Таблица 3.
Качественные характеристики металла шва соединения труб в зависимости от значения L/S
Величина L/S
Внешний вид
Прочность при. обратном ударе бойка, Дж
Модуль упругости Е, ГПа
Твердость по Бринелю, кгс/мм<sup>2</sup>
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
1,0
Поры, прожоги
2.5
53,0
585,0
2,23·10<sup>3</sup>
2,0
Ровная
4.0
60.0
635,0
2,39·10<sup>3</sup>
3,0
поверхность
4,5
65,0
646,0
2.41·10<sup>3</sup>
4,0
без кратеров,
5,0
68,0
628,0
2,40·10<sup>3</sup>
5,0
пори включений
4,0
65,0
632,0
2.40·10<sup>3</sup>
6,0
Неоплавление монтажного шликера
2,0
46,0
523,0
2,21·10<sup>3</sup>
Таблица 4.
Качественные характеристики металла шва соединения труб в зависимости от значения t/S
Величина t/S
Истираемость, мг/см<sup>3</sup>
Диэлектрическая сплошность, кВ
Коэффициент соотношения емкостей при 2 кГц и 20 кГц
Термостойкость, 350°С/26°C, циклов
Кислотостойкость, г/м2·час
Пропускная способность трубопровода с использованием втулки относительно бел покрытия
0,69
0,32
0,7
0,6
4
0,07
1,59
0,12
0,24
1,0
0,8
5
0,05
1,5
0,35
0,22
1,2
0.8,
5
0,05
1,5
0,20
0,22
1,2
0,9
<sup>7</sup>
0,04
1,4
0,25
0,23
1,4
0,9
7
0,04
1,2
0,35
0,23
1,3
0,8
6
0,05
1,1
0,40
0,28
1,0
0,7
4
0,06
0,9