МЕТАЛЛОРУКАВ

Заявляемый металлорукав относится к изготовлению гибких металлорукавов, используемых, в частности, для транспортировки газовых сред под давлением с большими скоростями в условиях высоких температур и агрессивных сред, например, в металлургии для подачи кислорода в кислородный конвертор.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому объекту является выбранный в качестве прототипа металлорукав, который содержит состыкованный со штуцером сильфон и коаксиально размещенные на их наружной поверхности наружную металлическую оплетку и стакан. Металлическая (проволочная) оплетка со стаканами жестко закреплена на фланцах. Герметичность соединения обеспечивается сильфоном, который надежно защищен от внешних повреждений оплеткой. Соединение работает как трубный шарнир. (Патент Российской Федерации №2133399 на изобретение «Подвижное соединение выхлопного трубопровода», МПК F16L 27/10, публикация-20.07.1999).
У заявляемого объекта и прототипа совпадают следующие существенные признаки. Оба устройства содержат состыкованный со штуцером сильфон и коаксиально закрепленную на их наружной поверхности наружную металлическую оплетку.
Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата при использовании прототипа препятствуют следующие причины. При высоких скоростях прохождения газообразных продуктов через гибкий металлорукав на вершинах гофрах сильфона из-за турбулентности потока и резонансных колебаний в камерах, образованных внутренними поверхностями сильфона, возникают значительные вибрации и пневмоудары. Вибрации гофров генерируют мощные звуковые колебания (до 100 дб), что приводит к повышению уровня шума выше приемлемых значений. Одним из важных аспектов при разработке конструкции гибкого металлорукава является целостность соединения его элементов. Значительные вибрации и пневмоудары приводят к снижению срока службы гибкого металлорукова за счет нарушения целостности соединений в местах стыковки сильфона, штуцера и наружной металлической оплетки.
В основу заявляемого объекта поставлена задача создать такой гибкий металлорукав, в котором усовершенствование путем введения новых элементов позволило бы при использовании заявляемого объекта обеспечить достижение технического результата, заключающегося в снижении уровня шума при использовании гибкого металлорукова и в повышении срока службы металлорукова.
Заявляемый металлорукав содержит состыкованный со штуцером, например, сварным швом, сильфон и коаксиально закрепленную на их наружной поверхности, например, сварным швом, наружную металлическую оплетку. Отличительной особенностью является то, что гибкий металлорукав снабжен плетеной вставкой, которая коаксиально установлена внутри сильфона и закреплена на внутренней поверхности штуцера, например, сварным швом.
В частных случаях использования металлорукав отличается тем, что:
- плетеная вставка выполнена с жесткостью, которая превышает жесткость наружной металлической оплетки;
- плетеная вставка закреплена на внутренней поверхности штуцера в растянутом до начала упругой деформации состоянии.
При использовании заявляемого объекта ожидается достижение технического результата, заключающегося в снижении уровня шума при использовании гибкого металлорукова и в повышении его срока службы.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом имеется следующая причинно-следственная связь. Снабжение металлорукова внутренней плетеной вставкой, которая коаксиально установлена внутри сильфона и закреплена на внутренней поверхности штуцера, обеспечивает формирование ламинарного (а не турбулентного) газового потока внутри металлорукова, что позволяет избежать резонансных колебаний в камерах, образованных внутренними поверхностями гофров сильфона металлорукава, уменьшить вибрации гофров сильфона и снизить уровень шума. Кроме того, предотвращается возможность возникновения пневмоударов внутри сильфона. Уменьшение вибрации гофров сильфона и предотвращение пневмоударов способствует повышению срока службы гибкого металлорукова за счет предотвращения вызываемого вибрацией нарушения целостности соединений в местах стыковки сильфона, штуцера и наружной металлической оплетки.
Выполнение в частном случае плетеной вставки с жесткостью, которая превышает жесткость наружной металлической оплетки, способствует уменьшению нагрузки на соединения в местах стыковки сильфона, штуцера и наружной металлической оплетки при многократных изгибах гибкого металлорукова, что также способствует повышению его строка службы.
Закрепление в частном случае плетеной вставки на внутренней поверхности штуцера в растянутом до начала упругой деформации состоянии также способствует повышению срока службы металлорукова так как, в ряде случаев, предотвращает свободное относительное перемещение прядей плетеной вставки под воздействием высокоскоростного потока газообразных продуктов, что приводило к стягиванию плетеной вставки к выходу, к уменьшению проходного сечения металлорукова на выходе и, как следствие, к пневмоударам.
На основании проведенных экспериментов сделан вывод, что для снижения звуковых колебаний без значительных потерь пропусной способности трубопровода, при скоростях прохождения газообразных продуктов до 50 м/с, коэффициент сопротивления внутренней плетеной вставки, например, из сетки, должен составлять не менее 0,8. Коэффициент сопротивления внутренней плетеной вставки из сетки можно определить по формуле:
2
Кс=2,81-4,29×Кп+1,2×(Кп)
где:
Кс - коэффициент сопротивления внутренней плетеной вставки из сетки;
Кп - коэффициент перфорации.
2
(Например, в металлорукаве Ду200 для внутренней плетеной вставки использована плетенка из 96 прядей по 16 проволочек диаметром 0,45 мм в каждой. Коэффициент перфорации Кп=0,28, Кс=2,81-4,29×0,28+1,2×0,28=1,71. Запас по коэффициенту сопротивления составляет 2,14 раза. Это позволяет варьировать размером ячейки плетеной вставки).
Кроме того, плетеная вставка совместно с сильфоном и наружной металлической оплеткой образуют слоистою конструкцию повышенной прочности, что способствует предотвращению нарушения целостности гибкого металлорукова в местах стыковки сильфона, штуцера и наружной металлической оплетки при многократных изгибах металлорукова.
Выполнение плетеной вставки с жесткостью, которая превышает жесткость наружной металлической оплетки, обеспечивает перераспределение нагрузки, которую испытывает металлорукав при многократных изгибах: повышение доли нагрузки на внутреннюю плетеную вставку и дальнейшее снижение доли нагрузки в местах стыковки сильфона, штуцера и наружной металлической оплетки.
При изготовлении внутренней плетеной вставки, в зависимости от назначения металлорукова, используют кислотостойкие и жаропрочные материалы. При использовании одинаковых материалов выполнить внутреннюю плетеную вставку с жесткостью, которая превышает жесткость наружной металлической оплетки, можно за счет уменьшения размера ячейки внутренней плетеной вставки по отношению к размеру ячейки наружной металлической оплетки. Экспериментально установлено, что оптимальным соотношением размеров ячеек является соотношение, при котором размер ячейки внутренней плетеной вставки составляет 0,6-0,9 размера ячейки наружной металлической оплетки. Известно также, что чем больше угол оплетки, тем больше жесткость оплетки. Экспериментально установлено, что оптимальным соотношением углов внутренней плетеной вставки и наружной металлической оплетки является соотношение в диапазоне 1,05-1,26. Если угол наружной металлической оплетки 95°, то угол внутренней плетеной вставки можно делать до 120°. Известно также, что чем больше диаметр проволоки, из которой сделана оплетка, тем больше жесткость оплетки. Экспериментально установлено, что оптимальным соотношением диаметров проволок внутренней плетеной вставки и наружной металлической оплетки является соотношение в диапазоне 1,11-1,33. Если диаметр проволоки наружной металлической оплетки равен 0,45 мм, то диаметр проволоки внутренней плетеной вставки из сетки можно увеличивать до 0,6 мм. При равных геометрических параметрах жесткость внутренней плетеной вставки по сравнению с жесткостью наружной металлической оплетки можно повысить за счет использования более жесткой проволоки, например, проволоки марки 12Х18Н10Т с титаном, которая на 10-20% жестче проволоки марки 12X18Н10.
Опытные испытания на растяжение плетеной вставки показали, что плетеная вставка диаметром, например, 145 мм растягивается до начала упругой деформации с 200 см до 236 см, при этом ее диаметр уменьшается до 95 мм, после чего при увеличении нагрузки не меняется. Это происходит потому, что выбираются все углы между прядями, от которых зависит формирование диаметра плетеной вставки, и дальнейшее растяжение возможно только за счет растяжения проволок этих прядей. Если плетеную вставку диаметром 125 мм закрепить в металлорукаве диаметром 145 мм, то, в ряде случаев, высокоскоростной поток газообразных продуктов за счет стягивания плетеной вставки по ходу своего движения может значительно уменьшить диаметр плетеной вставки по направлению к выходу их металлорукова. Поэтому, в ряде случаев, целесообразно для металлорукова диаметром, например, 145 мм брать плетеную вставку диаметром не 125 мм, а диаметром 160÷170 мм, растянуть ее до начала упругой деформации, и в таком растянутом состоянии закрепить внутри металлорукова на внутренней поверхности штуцера. Теперь при фиксированном положении прядей плетеной вставки высокоскоростной поток газообразных продуктов не сможет изменить взаимное расположение прядей и, следовательно, диаметр плетеной вставки останется постоянным по ее длине.
Сущность заявляемого объекта поясняется иллюстрирующими материалами, на которых изображено:
на фиг.1 - общий вид гибкого металлорукова;
на фиг.2 - вид А на фиг.1.
На чертежах проставлены следующие обозначения:
1 - сильфон;
2 - штуцер;
3 - разрезное кольцо;
4 - наружная металлическая оплетка;
5 - стакан;
6 - плетеная вставка;
7 - кольцо.
В конкретном примере выполнения заявляемый металлорукав имеет следующую конструкцию. На каждом конце металлорукова гибкий сильфон 1 состыкован со штуцером 2 с использованием разрезного кольца 3, которое установлено во впадине первого гофра со стороны торцевой стенки сильфона 1. Сварной шов выполнен на боковой поверхности штуцера 2 и разрезного кольца 3 по кромке прямолинейного участка гофра сильфона 1. На наружной поверхности состыкованных сильфона 1 и штуцера 2 коаксиально установлена наружная металлическая оплетка 4 и стакан 5. Штуцер 2, металлическая оплетка 4 и стакан 5 скреплены вместе единым сварным угловым швом. Металлорукав снабжен плетеной вставкой 6, которая коаксиально установлена внутри сильфона 1 и закреплена на внутренней поверхности штуцера 2 с использованием кольца 7. Плетеная вставка 6 выполнена подобно металлической оплетке 4. Штуцер 2, внутренняя плетеная вставка 6 и кольцо 7 скреплены вместе единым сварным угловым швом. Толщина стенки сильфона составляет порядка 0,2÷0,3 мм. Элементы конструкции выполнены из нержавеющей стали. Наружная металлическая оплетка выполнена с углом 95° из проволоки марки 12Х18Н10, диаметром 0,45 мм. Внутренняя плетеная вставка выполнена с углом 110° из проволоки марки 12Х18Н10Т, диаметром 0,45 мм, для внутренней плетеной вставки использована плетенка из 96 прядей по 16 проволочек диаметром 0,45 мм в каждой. Сборку металлорукава с каждого конца осуществляют следующим образом. Концы разрезного кольца 3 немного разводят вдоль его оси и "ввинчивают" его в первую от торца впадину гофра сильфона 1, после чего концы разрезного кольца сваривают. В стянутом положении на боковой поверхности штуцера 2 и разрезного кольца 3 по кромке зажатого участка гофра сильфона 1 аргонодуговой сваркой выполняют сварной шов. Затем на сильфон 1 и штуцер 2 надевают наружную металлическую оплетку 4 и стакан 5, которые соединяют между собой и со штуцером 2 аргонодуговой сваркой с получением углового сварного шва. Диаметр цилиндрической плетеной вставки 6 выбирают в зависимости от внутреннего диаметра сильфона 1, например, для металлорукова диаметром 145 мм диаметр плетеной вставки 6 составляет 125 мм. Плетеную вставку 6 протягивают через сильфон до выхода из штуцера 2. Внутрь плетеной вставки 6, удерживая выступающую ее часть, плотно вставляют кольцо 7, которое прижимает концевой участок плетеной вставки 6 к штуцеру 2. Выступающую за пределы кольца 7 часть плетеной вставки 6 удаляют. Кольцо 7, плетеную вставку 6 и штуцер 2 сваривают между собой аргонодуговой сваркой с получением углового сварного шва. В частном случае целесообразно для металлорукова диаметром, например, 145 мм брать плетеную вставку 6 диаметром не 125 мм, а диаметром 160÷170 мм, растянуть ее до начала упругой деформации перед вставлением кольца 7 и в таком растянутом состоянии закрепить внутри металлорукова на внутренней поверхности штуцера 2.
При использовании заявляемого металлорукова в металлургии для подачи кислорода в кислородный конвертор, кислород подавался через внутреннюю плетеную вставку 6, установленную внутри сильфона 1 металлорукова, со скоростью 50 м/с. Благодаря ламинарному (вместо турбулентного) течению газового потока внутри сильфона 1 уровень шума снизился со 100 дб до 45-50 дб. Многократные изгибающие нагрузки гибкого металлорукова при подаче кислорода в кислородный конвертор воспринимают совместно внутренняя плетеная вставка 6, сильфон 1 и наружная металлическая оплетка 4. Благодаря своей повышенной жесткости, внутренняя плетеная вставка 6 уменьшает изгибающие нагрузки в местах стыковки сильфона 1, штуцера 2 и наружной металлической оплетки 4. Срок службы такого многослойного металлорукова, имеющего наружную металлическую оплетку, сильфон и плетеную вставку, увеличился с 300 плавок до 1000 плавок.