КОМПОЗИТНАЯ КОНУСНАЯ МУФТА

Полезная модель относится к устройствам для ремонта трубопроводов, в частности, для ремонта дефектных участков и дефектов сварных швов трубопроводов без остановки перекачки продукта (воды, нефти, природного газа и других жидкостей и газов), а также для усиления сварных швов на стадии строительства трубопроводов.
Для ремонта трубопроводов применяют различные устройства, в том числе содержащие обечайку, состоящую из двух соединенных между собой частей, устанавливаемых в обхват дефектного участка трубопровода с зазором между внутренней поверхностью обечайки и наружной поверхностью трубы, который заполняют не отвержденным композиционным материалом (RU 113811 U1, 27.02.2012, RU 129593 U1, 27.06.2013, RU 2191317 С2, 20.10.2002, RU 2378560 С1, 10.01.2010, SK 1995 A3, 06.11.1996, GB 2210134 А, 01.06.1989). Данный метод ремонта носит название «Композитно-муфтовая технология», сокращенно КМТ.
КМТ имеет ряд недостатков, основными из которых являются:
1) вероятность неравномерного заполнения композиционным материалом пространства между трубой и обечайкой, что не обеспечивает гарантированного качества проведения ремонта, из-за воздушных пузырей, которые могут образовываться в процессе закачки жидкого композиционного материала, в том числе непосредственно над дефектом, что впоследствии может привести к выдавливанию металла в образовавшуюся полость и разгерметизации трубопровода;
2) сложность осуществления электродуговой сварки половин внешней металлической обечайки под водой, что ограничивает применение данного метода ремонта на подводных трубопроводах;
3) необходимость обеспечения активной защиты металлической обечайки от почвенной коррозии;
4) при сравнительно низкой стоимости материалов и комплектующих ремонтной конструкции, высокая стоимость организационно-технических мероприятий по ее установке, что делает ремонт в целом дорогостоящим.
Этих недостатков лишена полимерная муфта для ремонта труб с локальными коррозионными дефектами, состоящая из нескольких слоев стеклоленты, соединенных друг с другом клеевым слоем, и охватывающая трубопровод по окружности, причем муфта выполнена из двух отдельных, предварительно отформованных половин, снабженных по концам входящими друг в друга петлевыми блоками, зафиксированными между собой закладными осями, ориентированными параллельно оси трубопровода (RU 2219423 С2, 20.12.2003). Но у данной ремонтной конструкции есть другие существенные недостатки. Так, в связи с отсутствием металлической обечайки данная муфта не позволяет довести ремонтируемый участок до уровня бездефектного, поскольку того предварительного натяжения, которое обеспечивается сначала нагревом стеклопластиковой муфты, а затем ее усадки в результате остывания, недостаточно для набора стеклопластиком прочности, чтобы остановить развитие под муфтой дефекта вплоть до сквозного. Это обусловлено тем, что модуль упругости стеклопластика минимум в семь раз ниже модуля упругости стали. Кроме того, нагрев габаритной стеклопластиковой конструкции до температуры порядка 160°С в полевых условиях осуществлять достаточно трудно.
Из документа RU 2224169 С2, 20.02.2004, известна муфта для ремонта трубопровода, содержащая ленту из предварительно отформованного композиционного материала в виде двух полумуфт с волнообразным профилем по окружности и эластичную прокладку с волнообразным профилем, обращенным к ленте, и гладким профилем, обращенным к трубопроводу.
Основным недостатком такой муфты является применение в качестве эластичной прокладки резины технической со сроком службы 200000 часов, то есть около 23 лет. Действующая российская нормативно-техническая документация на строительство, эксплуатацию и ремонт магистральных трубопроводов требует, чтобы срок службы применяемых для этих целей материалов был не меньше 30 лет. Поэтому конструкция по документу RU 2224169 С2, 20.02.2004 не может рассматриваться, как средство для постоянного ремонта магистральных трубопроводов.
В документе US 2014048164 А1, 20.02.2014, описан способ ремонта трубопроводов, в соответствии с которым устанавливают один или более сжимающих ремней вокруг внешней периферийной поверхности трубы в зоне ремонта, наносят антикоррозийное покрытие поверх установленных сжимающих ремней и поверхности трубы в зоне ремонта труб и наматывают композитную наружную оболочку поверх антикоррозийного (грунтовочного) покрытия, нанесенного в зоне ремонта.
При таком способе ремонта не производится равномерного предварительного натяжения всей ремонтной конструкции и плотного обжатия дефектного участка трубопровода, поэтому обеспечение равномерной передачи радиальной нагрузки с дефектного участка на наружную оболочку муфты не имеет стопроцентной гарантии, что является существенным недостатком данной ремонтной конструкции.
Прототипом для предлагаемой полезной модели является муфта (RU 148064 U1, 14.07.2014), которая содержит устанавливаемую на трубопровод состоящую из двух полумуфт выполненную из отвержденного композиционного материала муфту с цилиндрической внутренней поверхностью, соответствующей диаметру трубопровода, и конической внешней поверхностью, поверх которой устанавливается предварительно соединенная с помощью электродуговой сварки из двух половин металлическая обечайка конусной формы, повторяющей внешнюю поверхность композитной муфты. Композиционная муфта работает на сжатие и обеспечивает полную передачу нагрузки с дефектного участка на металлическую обечайку.
Хотя решение, раскрытое в прототипе предлагаемой полезной модели, лишено двух наиболее важных вышеуказанных недостатков КМТ, 1) и 4), но два недостатка, присущих КМТ, у него осталось - это:
- сложность осуществления электродуговой сварки половин внешней металлической обечайки под водой, что ограничивает применение данного метода ремонта на подводных трубопроводах;
- необходимость обеспечения активной защиты металлической обечайки от почвенной коррозии.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационной надежности отремонтированного трубопровода за счет того, что устройство для ремонта трубопроводов содержит приклеиваемую на трубопровод муфту из отвержденного композиционного материала, выполненную в виде усеченного конуса с цилиндрическим каналом вдоль оси, диаметр которого равен наружному диаметру ремонтируемого трубопровода, и обечайку, внутренняя поверхность которой соответствует внешней поверхности муфты, причем обечайка выполнена из отвержденного композиционного материала.
Композиционный материал, из которого выполнены муфта и обечайка, выбран из группы: стеклопластик, углепластик, базальтопластик.
Муфта выполнена из композиционного материала с пределом прочности на сжатие, равным, по меньшей мере, 70 МПа, что соответствует требованиям АК «Транснефть» для композиционных материалов в отвержденном состоянии, применяемых для ремонта магистральных нефтепроводов по композитно-муфтовой технологии.
Обечайка выполнена из композиционного материала с модулем упругости, равным, по меньшей мере, 130 ГПа, что является максимально близким значением к модулю упругости трубных сталей.
Длина обечайки меньше длины муфты на величину, выбираемую в зависимости от диаметра ремонтируемого трубопровода из диапазона 50-200 мм.
В рабочем состоянии концы муфты выступают по отношению к концам обечайки.
Муфта и обечайка состоят, по меньшей мере, из двух частей, соединяемых между собой в процессе монтажа на трубопровод.
Части обечайки содержат на краях, которыми они соединяются друг с другом, петли, чередующиеся с пазами под ответные петли, причем петли снабжены внутренними втулками, части обечаек выполнены с возможностью соединения друг с другом посредством соединительных осей, продеваемых через указанные внутренние втулки, когда части обечаек совмещены так, что петли входят в ответные пазы, при этом соединительные оси имеют равную длине обечайки гладкую цилиндрическую часть диаметром, не превышающим внутренний диаметр втулок, и резьбовую часть, в рабочем состоянии выходящую за пределы обечайки не менее чем на 50-100 мм, на одном конце соединительные оси снабжены стопором, а на другом - гайкой, закручиваемой с тарированным усилием на резьбовую часть оси через шайбу, упираемую в торец муфты.
Стопор может быть выполнен в виде головки болта с шайбой.
В зависимости от материала, вида, условий эксплуатации и ресурса ремонтируемого трубопровода внутренние втулки, соединительные оси, шайбы и гайки выполняют из металла или композиционного материала, выбранного из группы: стеклопластик, углепластик, базальтопластик.
Внутренние втулки, соединительные оси, шайбы и гайки, выполненные из металла или композиционных материалов, используют в одной ремонтной конструкции в комбинации.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано устройство согласно полезной модели, смонтированное на участок трубопровода с дефектом, вид во фронтальной проекции с вырезом в районе дефекта;
на фиг. 2 - устройство согласно полезной модели без одной соединительной оси, вид в боковой проекции в разрезе.
Устройство для ремонта трубопроводов содержит устанавливаемую на трубопровод 1 муфту 2 с цилиндрической внутренней поверхностью, соответствующей диаметру трубопровода, и обечайку 3, выполненную с возможностью установки своей внутренней поверхностью на соответствующую ей внешнюю поверхность муфты. Муфта выполнена из отвержденного композиционного материала, работающего на сжатие и обеспечивающего передачу радиальной нагрузки с дефектного участка на обечайку, которая выполнена из композиционного материала с показателем модуля упругости, близким по значению к показателю для стали, то есть плохо растягивающегося. Полости 11 в обечайке заполняют в процессе ее изготовления материалом, из которого изготовлена муфта (например, стеклопластиком).
Внешняя поверхность муфты 2 и внутренняя поверхность обечайки 3 выполнены коническими. Вешняя поверхность обечайки может иметь различную форму, в частности, коническую. Муфта 2 (см. фиг. 1) состоит из соединяемых между собой в процессе монтажа на трубопровод 1 с дефектом 4, по меньшей мере, двух составных частей. В показанном варианте муфта состоит из двух частей 2-а и 2-б (см. фиг. 2). При ремонте трубопроводов большого диаметра, с целью оптимизации монтажных работ, детали ремонтной конструкции облегчаются. Для этого муфты и обечайки могут состоять из трех и более частей.
Обечайка 3 выполнена, по меньшей мере, из двух составных частей. В показанном варианте обечайка состоит из двух частей 3-а и 3-б, соединенных между собой осями 5 со стопорами, например, в виде головки болта, расположенными с одного конца осей. Оси 5 проходят через петли 9, внутри которых размещены втулки 10. Назначение втулок - исключить зазоры между внутренней поверхностью петель и осями, что может привести к возникновению изгибающих напряжений в петлях и появлению в них трещин. Стопор отделен от обечайки шайбой 6. Шайба 7 и гайка 8, надетые на другой конец оси 5, вместе с осью 5, помимо фиксирующей функции, играют роль приспособления 12 для натягивания обечайки на муфту и тарированного обжатия ремонтной конструкции вокруг дефектного участка трубопровода. Для этих целей шайба 7 выполнена усиленной, например, квадратной формы со скругленными углами.
Оси 5, шайбы 6 и 7, а также гайки 8 и втулки 10 могут быть выполнены из металла и/или композитных, а также полимерных материалов, в том числе в зависимости от условий и остаточного ресурса ремонтируемых участков трубопровода.
Муфта 2 имеет длину больше длины обечайки 3 для размещения по краям муфты временных средств, например, стяжных ремней с трещотками и/или ленточных хомутов для ее прижима и фиксации во время приклеивания к трубопроводу. По мере натягивания обечайки на муфту стяжные ремни с трещотками и/или ленточные хомуты поочередно удаляют.
Ремонт трубопровода, имеющего дефект, с использованием устройства согласно предлагаемой полезной модели осуществляют следующим образом.
На участке трубопровода 1, имеющего дефект 4, снимают изоляционное покрытие на величину, превышающую длину муфты 2. Поверхность трубопровода 1 очищают от остатков изоляции и коррозии. Полость дефекта 4 заполняют выравнивающим материалом, например, Этап пластилином. На очищенную поверхность трубопровода 1 наносят клеевой состав, например, Этап 45, и монтируют муфту 2. Составные части муфты 2 в процессе монтажа на трубопровод склеивают боковыми кромками. Две части 2-а и 2-б муфты стягивают между собой любым приспособлением, например, стяжным ремнем с трещоткой, фиксируют по торцам ленточными хомутами, например, скотчем, после чего ремни демонтируют. Составные части 3-а и 3-б обечайки соединяют осями 5 через шайбы 6 и 7 для образования цельной обечайки 3, на концы осей 5 накручивают гайки 8. После этого на наружную поверхность муфты 2 наносят клеевой состав, и обечайку 3 сдвигают по оси трубопровода 1 на муфту 2 так, чтобы шайбы 7 зашли за кромку муфты 2, после чего дальнейшее натягивание обечайки 3 на муфту 2 осуществляют посредством закручивания гаек 8 до полного совмещения внутренней поверхности обечайки 3 с внешней поверхностью муфты 2 и достижения значения расчетного усилия затяжки фиксирующих гаек, указанного фирмой-производителем в паспорте, составляемом на монтируемую ремонтную конструкцию, которое зависит от материала обечайки 3, а также вида и условий эксплуатации ремонтируемого трубопровода 1. Тарированное усилие затяжки достигается при помощи динамометрического гаечного ключа заданной длины. Стягивание составных частей обечайки 3 с тарированным усилием производится для предварительного натяжения собранной ремонтной конструкции и нормированного обжатия ею места ремонта с целью обеспечения герметичности и эффективной передачи радиальной нагрузки с ослабленного дефектного участка через муфту 2 на не уступающую по прочностным характеристикам бездефектной стальной трубе композитную обечайку 3 в течение всего срока эксплуатации трубопровода.
Таким образом, обечайку 3 фиксируют на муфте 2 посредством осей 5, продетых через снабженные закладными втулками 10 петли 9 на боковых краях составных частей обечайки, используя стопоры 5, шайбы 6, 7 и гайки 8.
Затем отремонтированный участок изолируют, например, лентой из термоусадочной пленки, внахлест на старую изоляцию.
Коррозионная стойкость, высокие прочностные характеристики, герметизирующие и диэлектрические свойства применяемых в данном устройстве материалов, коническая внешняя поверхность муфты и внутренняя поверхность обечайки вместе с клеевым составом обеспечивают исключение зазоров между муфтой и обечайкой, а также между трубопроводом и муфтой, что повышает эксплуатационную надежность отремонтированного трубопровода и доведение его до уровня бездефектного.
Устройство для ремонта трубопроводов согласно полезной модели не нуждается в каких-либо дополнительных приспособлениях для затягивания обечайки на композитную муфту и защиты обечайки от ее сползания с муфты в процессе эксплуатации. Эти функции выполняют соединительные оси, имеющие на концах резьбу, с соответствующими шайбами и гайками. По мере затягивания с тарированным усилием на предварительно смазанную клеящим составом наружную поверхность конусной композитной муфты, собранная из двух, или более, частей обечайка принимает свое конструкционное положение и передает возникающее при этом радиальное усилие на конусную муфту, которая, в свою очередь, будучи приклеенной на дефектный участок трубопровода, передает это усилие на него, тем самым осуществляется предварительное натяжение ремонтной конструкции и обжатие трубопровода с усилием, заданным расчетом, что в купе с коррозионной стойкостью, высокими прочностными характеристиками, герметизирующими и диэлектрическими свойствами применяемых в данном устройстве материалов, приводит отремонтированный участок в состояние бездефектной трубы на весь оставшийся срок эксплуатации трубопровода.
Полезная модель позволяет проводить ремонт трубопроводов не только на суше, но и под водой. Применение муфт в соответствии с полезной моделью оптимизирует время и стоимость ремонтных работ, поскольку не требуется использование сварки, а также подъемных и других механизмов, так как и муфта, и обечайка состоят из двух, или более частей, и выполнены в цеховых условиях из отвержденных композиционных материалов, которые в разы легче аналогичных деталей из металла. Кроме того, предлагаемое устройство не нуждается в применении активной защиты от почвенной коррозии, а именно в электрическом соединении с трубопроводом, станцией катодной защиты, или протектором, что необходимо делать в случае использования внешней металлической обечайки, как в прототипе, или при композитно-муфтовом ремонте.
Заявленный предприятиями-производителями срок службы композитов, используемых в производстве предлагаемой композитной конусной муфты, не менее 30 лет.