УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗКИ И ЗАМЕНЫ УЧАСТКОВ ТРУБ В ТРУБОПРОВОДАХ
DEVICE FOR CUTTING AND CHANGING OF PIPES SECTIONS IN PIPELINES

Предлагаемое изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для резки и замены участков труб в трубопроводах.
Известно устройство для резки труб [1], принятое за аналог. Оно содержит кинематически связанные с приводом возвратно-поступательного перемещения два ножа, имеющие вырезы с режущими кромками, расположенными под углом одна к другой. Вершины углов выреза каждого из ножей взаимно смещены относительно оси устройства, а режущие кромки каждого клина расположены под прямым углом одна к другой; при этом одна из них - плоская, а другая наклонена к оси устройства под углом α. При работе ножи от привода перемещаются навстречу друг другу, центрируют трубу и разрезают ее. Затем ножи возвращаются в исходное положение.
Достоинство аналога - равномерное нагружение ножей, ровная линия реза, перпендикулярная оси трубы. Недостаток - невозможность продольного реза трубы. Известно также устройство для вырезки поврежденных участков труб действующих магистральных трубопроводов [2], также принятое за аналог. Устройство содержит привод, тележку с колесами, на которой установлена фреза, связанная с приводом и колесами тележки через механическую передачу и охватывающую трубу цепь с роликами. Привод передает крутящий момент на механизм резания - фрезу через центральное колесо внутреннего зацепления, сателлит и внутреннюю шестерню. Устройство устанавливается на разрезаемую трубу ходовыми колесами и закрепляется с помощью цепи через амортизатор и механизм натяжения. После включения привода ходовые колеса перемещают механизм резания. Фрезу подводят вручную с помощью винтового механизма и заглубляют ее до полного перерезания трубы. Привод останавливается и устройство переносят на новое место.
Достоинство этого аналога - малые габариты, жесткость подачи фрезы, ровный слой реза, высокая производительность резания. Недостаток - необходимость раскапывания траншеи по все длине заменяемого участка трубопровода, особенно если трасса проходит под оживленными улицами, строениями, железными и автомобильными дорогами.
Известно другое устройство для замены подземного трубопровода [3], также принятое за аналог. В отличие от предыдущих аналогов, устройство используется для бестраншейной замены участков трубопровода из хрупких материалов (керамика, чугун, асбоцемент и т.п.) при ремонте и реконструкции подземных коммуникаций. Это устройство содержит оголовок цилиндрической формы с гнездом для размещения переднего конца нового трубопровода, приспособление для разрушения старого трубопровода, выполненное в виде фрезерной головки и шнекового механизма, размещаемого в старом трубопроводе. Своей передней частью оголовок охватывает старый трубопровод. При вращении фрезерная головка разрушает старый трубопровод и его обломки вместе с прилегающим грунтом транспортируются шнеком в приемный приямок. По мере разрушения старого трубопровода оголовок перемещают вперед, затягивая в грунт новый трубопровод.
Достоинство этого устройства - при бестраншейной замене трубопровода не происходит загрязнения грунтового массива и грунтовых вод.
Недостатки - громоздкость, большая энергоемкость дробления старого трубопровода, ненадежность транспортирования его обломков шнековым механизмом.
Известно также устройство для замены подземного трубопровода [4], принятое за прототип. Оно содержит ударный механизм в оголовке с гнездом для размещения переднего конца нового трубопровода и приспособление для разрушения старого трубопровода, в котором имеется емкость, соединенная с ударным механизмом и размещенная между ним и конусным оголовком.
Достоинство этого устройства состоит в повышении надежности работы по сравнению с аналогами, а также в возможности замены подземного трубопровода без раскапывания траншеи с поверхности. Недостатком является то, что как и у аналогов, у прототипа необходимо разрушать полностью старый трубопровод из хрупких материалов при большом сопротивлении разрушению и перемещению обломков. Разрушать стальной старый трубопровод с вязкой структурой прототип вообще не способен.
Задачей настоящего изобретения является исключение недостатков аналогов при использовании их преимуществ.
1
2
3
1
2
3
3
3
Эта задача достигается тем, что в устройстве для резки и замены участков труб в трубопроводах, содержащем корпус, узел закрепления тяги или троса и приспособление для разрушения старого трубопровода, предусмотрено оснащение корпуса передней ступенью, переходником и задней ступенью для размещения на ее торцевом конце переднего конца нового трубопровода, а приспособление для разрушения старого трубопровода выполнено в виде резака с заостренным лезвием, наклоненным в сторону рабочего перемещения устройства и установленным на передней ступени и переходнике корпуса. Наружный диаметр D старого трубопровода, наружный диаметр D задней ступени, диаметр переднего конца нового трубопровода D и наружный диаметр D передней ступени корпуса связаны соотношением: D≥D=D>D. Наружный диаметр D передней ступени, высота Н от вершины резака до передней ступени и наружный диаметр D старого трубопровода связаны соотношением D+Н>D. Угол наклона α лезвия резака выбран в пределах α=12÷43°, а угол приострения β лезвия резака выбран в пределах β=25÷48°.
Таким образом, предлагаемое устройство оснащено ступенчатым корпусом, задняя часть которого имеет наружный диаметр, равный диаметру заменяемого трубопровода, а передняя часть образует ступеньку - уступ для неподвижного закрепления резака с заостренным лезвием, вершина которого расположена в плоскости, проходящей через ось задней части с наклоном в направлении движения. Задний край устройства соединен с новым трубопроводом, а на переднем конце расположено крепление тягового устройства, например штанги или троса, продернутых через старый трубопровод.
Перечень фигур чертежей.
На фиг.1 показано предлагаемое устройство для резки и замены участков труб в трубопроводах. На фиг.2 - то же, в продольном сечении, проходящем через его ось. На фиг.3, 4 и 5 показаны поперечные сечения А-А, Б-Б и В-В, раскрывающие стадии вхождения предлагаемого устройства в полость старого трубопровода. На фиг.6, 7 и 8 показана схема возникновения вспарывающей силы в зависимости от угла наклона лезвия резака к оси устройства. На фиг.9, 10 и 11 показана схема разложения вспарывающей силы на боковых гранях острого клина лезвия 10 резака 9 в сечении Г-Г (фиг.2).
Устройство (фиг.1, 2) состоит из передней ступени 1, переходника 2 и задней ступени 3. На передней ступени 1 установлен узел крепления тягового устройства 4, например, в виде серьги 5 и валика 6, вставленного через пару боковых отверстий 7 в начале передней ступени 1.
1
1
2
2
1
На торцевом конце задней ступени 3, выполненной в виде трубы с наружным диаметром D, равным или несколько большим наружного диаметра старого трубопровода D(D≥D), закреплен любым известным способом, например сваркой, передний конец нового трубопровода 8, наружный диаметр D которого равен диаметру задней ступени (D=D).
3
3
1
Передняя ступень 1 имеет наружный размер по диаметру D, меньший, чем диаметр задней ступени (D<D), и соединена с последней при помощи жесткого переходника 2, соответствующего по размерам концу ступени 1 и началу ступени 3.
1
2
3
Ось передней ступени 1 расположена эксцентрично оси ступени 3 на величину Δ (фиг.2). Наружные линии контакта поверхности передней ступени 1 переходника 2 задней ступени 3 и нового трубопровода 8 располагаются на внутренней поверхности старого трубопровода. На уступе ступени, образуемом разницей диаметров D и D, а также на переходе между ними на поверхности переходника 2 установлен, например, при помощи сварки резак 9 с заостренным лезвием 10, наклоненным в сторону рабочего перемещения и выступающим над поверхностью ступени, с условием D+Н>В. Такой резак в форме, напоминающей акулий плавник, обеспечивает при перемещении устройства внутри старого трубопровода местное вспарывающее воздействие вдоль образующей поверхности старого трубопровода, вначале приподнимая его верхнюю часть на некоторую высоту h (фиг.4), затем разрывая ее изнутри подобно ножу для открывания металлических консервных банок (фиг.5).
1
2
2
3
3
Изменение угла наклона α лезвия 10 позволяет в широких пределах изменить разрывающие усилие F, возникающее на вершине лезвия по оси его симметрии. Например, при одинаковом усилии N, возникающем на вершине клиновидного лезвия резака в направлении натяжения тягового устройства или троса и его внедрении в стенку старого трубопровода, разрывающее усилие F (фиг.2) при угле наклона α=10° (фиг.6) более чем в 5 раз превышает усилие N по известному правилу параллелограмма уравновешивающих сил на клине Fα=5,88 N (фиг.6). При увеличении угла α величина разрывающего усилия значительно уменьшается. При α=30° Fα=2N (фиг.7), а при α=50° Fα=1,3N (фиг.8).
Значительное влияние на усилие, разрывающее старый трубопровод, оказывает также угол приострения β клиновидного лезвия 10, на гранях которого по тому же известному правилу параллелограмма уравновешивающих сил на клине при приложении разрывающего усилия F на гранях остроугольного клина с углом β развиваются усилия F′ и F″, кратно превышающие разрывающее усилие F (фиг.9, 10, 11).
Например, разрывающее усилие F, прилагаемое по оси клина, раскладывается на пару разрывающих тело одинаковых уравновешивающих сил F′ и F″ перпендикулярно граням клина, каждая из которых, в зависимости от угла приострения β, может быть значительно больше или меньше F.
β1
β1
2
β1
β2
3
β3
β3
Так, при β=20° каждая из разрывающих сил F′ и F″ почти втрое больше осевой силы F. F′=F″=2,88F (фиг.9). При β=40° эти боковые разрывающие силы F′=F″=1,46F (фиг.10); а при β=60° силы F′=F″=F (фиг.11).
При росте угла наклона α лезвия 10 свыше 43° деформации разрыва стенки старого трубопровода начинают заменяться деформациями смятия, для осуществления которых требуется приложение гораздо больших усилий.
При росте угла приострения β лезвия 10 боковые разрывающие силы F′ и F″ на гранях клина кратно уменьшаются, однако при этом значительно возрастают прочностные свойства и стойкость самого клина.
В зависимости от толщины и диаметра трубы старого трубопровода угол наклона α заостренного лезвия резака 9 относительно оси передней ступени, а также угол приострения β лезвия 10 (фиг.2, 6, 7, 8) резака 9 (фиг.9, 10, 11) в поперечном сечении в каждом конкретном случае применения подбираются экспериментально.
Эксперименты показали, что оптимальным вариантом для угла наклона α лезвия 10 является интервал α=12÷43°, а для угла приострения β лезвия 10 - интервал β=25÷48°. При необходимости, поверхности клиновидного лезвия могут армироваться любыми износостойкими покрытиями, наносимыми любым известным способом.
Работает устройство следующим образом.
Через заменяемый участок трубопровода прокладывают тягу или трос и закрепляют на устройстве. При создании тягового усилия от силового привода, например от трактора или лебедки, устройство для резки входит в соприкосновение с торцом старого трубопровода, вспарывает его верхнюю стенку наподобие консервного ножа (фиг.1) и одновременно протаскивает за собой новый трубопровод без изменения диаметра, поскольку получающийся после реза увеличенный размер периметра старого трубопровода позволяет это сделать. Работа продолжается до проходки всего заменяемого участка.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №912404, кл. B23D 21/00 от 15.03.1982 г.
2. Авторское свидетельство №902991, кл. B23D 21/00 от 07.02.1982 г.
3. Патент ФРГ №3620026, кл. Е21В 7/26.
4. Патент РФ №2062941, кл. F16L 55/18 от 27.06.1996.