УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ
PIPELINE CONNECTION DEVICE

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для создания предварительно нагруженного соединения двух труб. В частности, изобретение относится к устройству и способу для предварительно нагруженного соединения двух труб восходящего трубопровода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как хорошо известно специалистам в данной области, предварительное нагружение соединений восходящих трубопроводов или труб ограничивает колебания в натяжении этих соединений, что увеличивает срок службы сборки.
В US 2008/0149390 описано устройство для предварительно нагруженного соединения восходящего трубопровода, в которой смещение между запорным профилем и обращенным к нему и входящим с ним в зацепление профилем подвижного в радиальном направлении запорного элемента заставляет две трубы прижиматься друг к другу, создавая предварительное нагружение.
В US 4708513 описано устройство для соединения трубчатых элементов, обеспечивающее предварительное нагружение в соединениях. С помощью инструмента гнездовой и штыревой концы двух трубчатых элементов прижимают друг к другу с предварительным нагружением и навинчивают резьбовое запорное кольцо до введения его в зацепление с валиком штыревого элемента, фиксируя штыревой и гнездовой концы друг относительно друга, после чего предварительное нагружение снимается.
Известны несколько способов выполнения предварительно нагруженных соединений восходящих трубопроводов или других трубчатых элементов. Однако многие из этих решений имеют недостатки, касающиеся износа, усталости материалов, допусков на размеры, процесса соединения и пр. Поэтому целью изобретения является создание соединительного устройства, лишенного недостатков, присущих известным устройствам.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту изобретения, предложено устройство для соединения обращенных друг к другу концов двух труб, содержащее наружную резьбу, расположенную на первой трубе. Устройство также содержит
- вторую трубу, несущую подвижный в радиальном направлении запорный элементе наружными запорными профилями,
- соединительную втулку, имеющую внутреннюю резьбу для навинчивания на указанную наружную резьбу и внутренние запорные профили для зацепления с указанными наружными запорными профилями,
причем соединительная втулка может перемещаться в первом осевом направлении к первой трубе путем вращения по указанной наружной резьбе при нахождении своих внутренних профилей в промежуточном зацеплении с указанными наружными профилями до тех пор, пока это перемещение не будет ограничено упирающимися поверхностями внутренних и наружных профилей после выборки возможных осевых зазоров в результате этого первого осевого перемещения;
- а по меньшей мере одна из упирающихся поверхностей имеет наклон, обеспечивающий натягивание соединительной втулки в осевом направлении, противоположном первому осевому направлению, когда наружные запорные профили перемещаются в радиальном направлении наружу из положения промежуточного зацепления в положение дальнейшего зацепления с внутренними запорными профилями.
Такое устройство позволяет выбирать все зазоры, обусловленные допусками на изготовление, путем осевого перемещения соединительной втулки при ее вращении по наружной резьбе. В частности, осевые зазоры могут иметь место из-за разброса размеров концевых частей разных труб. При перемещении концов труб друг к другу путем вращения соединительной втулки эти зазоры ликвидируются. При перемещении наружных запорных профилей на заданное расстояние в радиальном направлении, из положения промежуточного зацепления в положение дальнейшего зацепления, наклонные поверхности профиля обеспечивают подтягивание соединительной муфты, создавая ее заданное предварительное нагружение. Поскольку заданное радиальное расстояние известно, то величина предварительного нагружения будет тоже известна или задана.
Путем выбора указанного радиального расстояния, угла наклона профиля и/или размеров (длины и площади поперечного сечения) соединительной втулки можно соответственно регулировать величину предварительного нагружения.
При промежуточном зацеплении положение наружных и внутренних профилей друг относительно друга таково, что их радиальные выступы перекрывают друг друга в радиальном направлении. При этом возможен некоторый люфт в осевом направлении.
Для облегчения перемещения наружных профилей в радиальном направлении наружу устройство может содержать расклинивающий элемент, заставляющий запорный элемент перемещаться в радиальном направлении наружу в результате осевого перемещения по внутренней поверхности запорного элемента. Расклинивающий элемент вводится в зазор между запорным элементом и телом трубы.
Расклинивающий элемент предпочтительно имеет обращенную наружу поверхность, разделенную на множество осевых поверхностей, параллельных продольной оси второй трубы и расположенных на разных расстояниях от этой оси, а между осевыми поверхностями находится переходная поверхность (поверхности), которая предпочтительно расположена наклонно к указанной продольной оси. Обращенная внутрь поверхность запорного элемента может быть выполнена соответственно. При перемещении расклинивающего элемента в осевом направлении он заставляет запорный элемент двигаться в радиальном направлении наружу, когда переходные поверхности скользят одна по другой. Когда же осевые поверхности скользят друг по другу, радиального движения запорного элемента не происходит. Так как осевые поверхности параллельны продольной оси второй трубы, расклинивающий элемент не выскальзывает из зазора между запорным элементом и второй трубой.
Осевые поверхности могут быть строго плоскими или иметь кривизну, центр которой лежит, например, на продольной оси трубы. Однако в любом случае осевые поверхности по существу параллельны продольной оси трубы, несущей запорный элемент.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения величина перемещения в радиальном направлении наружу из положения промежуточного зацепления в положение дальнейшего зацепления по существу равна разности радиальных расстояний от двух соседних осевых поверхностей до продольной оси второй трубы, несущей запорный элемент. Эти две соседние поверхности предпочтительно расположены на наибольшем расстоянии от указанной продольной оси.
Обращенные друг к другу концы труб имеют штыревую часть и гнездовую часть, выполненные горячим формованием. Поэтому устройство согласно первому аспекту изобретения позволяет использовать трубы, диаметр которых на их концах увеличен лишь незначительно. В отличие от многих известных решений, концы труб можно изготавливать и подгонять без использования сварки. Благодаря незначительному увеличению диаметра формование концов можно осуществлять из материала самой трубы или отрезка трубы.
В еще одном варианте осуществления изобретения наружная резьба, расположенная на первой трубе, выполнена на наружной поверхности резьбового элемента, несомого первой трубой, Этот резьбовой элемент может быть закреплен в фиксированном положении на первой трубе с возможностью съема.
Согласно второму аспекту изобретения, предложен способ создания предварительно нагруженного соединения между двумя концами соосных, обращенных друг к другу труб, из которых первая труба имеет наружную резьбу. В этом способе
(а) на указанную наружную резьбу навинчивают соединительную втулку и устанавливают концы труб в такое положение друг относительно друга, что внутренние запорные профили соединительной втулки находятся на одном уровне в наружными запорными профилями запорного элемента, несомого второй трубой;
(б) перемещают наружные запорные профили в радиальном направлении наружу в положение промежуточного зацепления с внутренними запорными профилями;
(в) перемещают соединительную втулку в первом осевом направлении к первой трубе путем вращения соединительной втулки по указанной наружной резьбе до тех пор, пока это осевое перемещение не будет ограничено упирающимися поверхностями внутренних и наружных профилей после выборки возможных осевых зазоров в результате этого первого осевого перемещения;
(г) перемещают наружные запорные профили дальше в радиальном направлении наружу до тех пор, пока не будет достигнуто дальнейшее зацепление между наружными и внутренними запорными профилями, в результате чего на внутренний запорный профиль соединительной втулки действует сила во втором осевом направлении, противоположном первому осевому направлению, благодаря наклону по меньшей мере одной из указанных упирающихся поверхностей.
При этом согласно указанному способу соединительную втулку можно навинчивать на наружную резьбу другого элемента и затем прикреплять этот элемент с наружной резьбой к первой трубе.
Операцию (г) способа можно выполнять путем осевого перемещения расклинивающего элемента (37) по внутренней поверхности запорного элемента.
Согласно предпочтительному варианту осуществления устройства или способу согласно изобретению, запорный элемент может представлять собой элемент, способный перемещать обращенные наружу наружные профили с введением их в зацепление с внутренними профилями. Такими элементами являются, например, разрезные кольца, собачки и пр.
Внутренние профили могут быть соединены с соединительной втулкой не непосредственно. Например, они могут быть выполнены на отдельном элементе, прикрепленном к соединительной втулке.
Чтобы получить хороший результат от предварительного нагружения, соединительная втулка предпочтительно должна быть относительно длинной и тонкой. В этом случае она будет более растяжимой по сравнению с концами труб. Однако втулка должна иметь такие размеры, чтобы выдерживать значительные силы, возникающие в предварительно нагруженном соединении. Кроме того, трубы в области между резьбой и профилями должны быть более жесткими, чем соединительная втулка.
В описании обоих аспектов изобретения выражение «дальнейшее зацепление» может быть заменено на «заданное дальнейшее зацепление» для тех вариантов, где перемещение из положения промежуточного зацепления в положение дальнейшего зацепления происходит на заданное расстояние.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее подробно описан пример осуществления изобретения, поясняющий работу, признаки и преимущества изобретения. В описании даны ссылки на чертежи, на которых:
фиг.1 изображает в разрезе два обращенных друг к другу конца труб восходящего трубопровода, снабженных устройством согласно изобретению;
фиг.2 изображает концы труб восходящего трубопровода, показанные на фиг.1, в положении, когда они прилегают друг к другу, но еще не соединены;
фиг.3 изображает концы труб восходящего трубопровода, показанные на фиг.1, в процессе их соединения;
фиг.4 изображает концы труб восходящего трубопровода, показанные на фиг.1, когда они соединены с предварительным нагружением;
фиг.5 изображает фрагмент устройства до предварительного нагружения;
фиг.6 изображает фрагмент, показанный на фиг.5, после предварительного нагружения и
фиг.7 изображает в разрезе предложенное ранее решение, на основе которого создано решение согласно фиг.1.
В данном примере описан процесс соединения двух труб 11,13 восходящего трубопровода посредством устройства согласно изобретению. На фиг.1 показана нижняя часть верхней трубы 11 восходящего трубопровода и верхняя часть нижней трубы 13 восходящего трубопровода. Нижняя труба 13 имеет штыревую часть 13а, предназначенную для вставки в соответствующую гнездовую часть 11а верхней трубы 11. Перед тем как подвести эти части друг к другу, на нижнюю трубу 13 навинчивают соединительную втулку 15. С этой целью нижняя труба 13 имеет наружную резьбу 17, а соединительная втулка 15 имеет соответствующую внутреннюю резьбу 19.
На фиг.2 показаны верхняя и нижняя трубы 11, 13 восходящего трубопровода, примыкающие друг к другу. В этом положении обращенные вниз первая и вторая поверхности 21, 23 верхней трубы 11 или одна из них упирается соответственно в обращенные вверх первую и/или вторую поверхности 25, 27 нижней трубы 13, а уплотнительный элемент 29, расположенный на штыревой части 13а, создает уплотнение по внутренней поверхности гнездовой части 11а.
На верхней трубе 11 установлен подвижный в радиальном направлении и охватывающий ее запорный элемент в виде разрезного кольца 31. Разрезное кольцо 31 имеет обращенные наружу запорные профили 33 для зацепления с обращенными внутрь запорными профилями 35 соединительной втулки 15. Но в положении, показанном на фиг.2, профили 33 и 35 не находятся в зацеплении и соединительную втулку 15 можно свободно перемещать осевом направлении по разрезному кольцу 31. Профили 33, 35 могли бы быть выполнены и в виде резьбы. Однако для данного варианта осуществления изобретения предпочтительно иметь профили без определенного шага резьбы.
Согласно фиг.3, расклинивающий элемент в виде расклинивающего кольца 37 перемещают в осевом направлении в зазор между наружной поверхностью верхней трубы 11 и внутренней поверхностью разрезного кольца 31. В результате этого осевого перемещения разрезное кольцо 31 раздвигается в радиальном направлении наружу настолько, что выступы его запорных профилей 33 входят во впадины обращенных к нему запорных профилей 35 соединительной втулки 15. Однако плотного зацепления не достигается, т.е. наружные профили 33 разрезного кольца 31 входят в промежуточное зацепление с внутренними профилями 35 соединительной втулки.
После этого соединительную втулку 15 вращают по наружной резьбе 17 нижней трубы 13 восходящего трубопровода так, что она перемещается в осевом направлении к нижней трубе 13 (вниз на фиг.3). Это вращение продолжают до тех пор, пока не будет выбран зазор между верхней и нижней трубами 11, 13 и разрезное кольцо 31 не переместится вниз до упора в заплечик 39 на верхней трубе 11, обращенный вверх. Таким образом, в результате вращения соединительной втулки 15 все зазоры исчезают. По окончании этого вращения запорные профили 35 соединительной втулки 15 будут прикладывать к запорным профилям 33 разрезного кольца 31 направленную вниз силу. Как показано на фиг.5, где положение запорных профилей друг относительно друга видно лучше, между профилями 33, 35 еще остается некоторый боковой или радиальный зазор, а обращенные вверх поверхности запорных профилей 33 разрезного кольца 31 упираются в обращенные вниз поверхности запорных профилей 35 соединительной втулки 15.
Для завершения предварительно нагруженного соединения верхней и нижней труб 11, 13 восходящего трубопровода расклинивающий элемент в виде расклинивающего кольца 37 продвигают дальше вниз в его конечное положение, показанное на фиг.4. Это перемещение расклинивающего кольца 37 приводит к дальнейшему раздвиганию разрезного кольца 31 в радиальном направлении наружу, что хорошо видно на фиг.6. Таким образом, запорные профили 33, 35 разрезного кольца 31 и соединительной втулки 15, соответственно, входят в дальнейшее зацепление.
Как показано на фиг.5 и фиг.6, обращенные вверх поверхности запорных профилей 33 разрезного кольца 31, упирающиеся в обращенные вниз поверхности запорных профилей 35 соединительной втулки 15, имеют наклон, благодаря которому при вхождении в дальнейшее зацепление запорные профили 33 разрезного кольца 31 действуют на соединительную втулку 15 с силой, направленной по оси вверх, так как разрезное кольцо 31 раздвигается в радиальном направлении наружу. Таким образом, при конечном перемещении расклинивающего кольца 37 вниз соединительная втулка 15, навинченная на нижнюю трубу 13 восходящего трубопровода, предварительно нагружается. Так образуется предварительно нагруженное соединение двух труб 11, 13 восходящего трубопровода.
Разумеется, перемещение из положения промежуточного зацепления в положение дальнейшего зацепления наружного и внутреннего профилей 33, 35 может иметь место и до того, как будет выполнено последнее возможное перемещение расклинивающего элемента или расклинивающего кольца 35. Например, можно не до конца выполнить перемещение в положение дальнейшего зацепления, оставив возможность выполнить одно дополнительное расклинивающее перемещение, позволяющее создать большее нагружение соединения или выполнить его за два хода.
На фиг.5 и фиг.6 хорошо видно, что упирающиеся поверхности расклинивающего кольца 37 и разрезного кольца 31 (запорного элемента) разделены на четыре осевые, или проходящие параллельно оси, поверхности 41 разного диаметра и расположенные между ними переходные поверхности в виде трех скошенных поверхностей 43. Для упрощения цифровыми позициями обозначены только поверхности 41, 43 расклинивающего кольца. Однако, как видно на фиг.5 и фиг.6, обе упирающиеся поверхности имеют осевые поверхности и скошенные поверхности. Нижняя скошенная поверхность 43' расклинивающего кольца 37 образует его тонкий нижний край, позволяющий вставлять кольцо 37 в зазор между разрезным кольцом 31 и верхней трубой 11 восходящего трубопровода.
Увеличение диаметра каждой осевой поверхности 41 соответствует ступенчатому перемещению разрезного кольца 31 в радиальном направлении наружу в результате ступенчатого перемещения расклинивающего кольца 37 в зазоре между разрезным кольцом 31 и верхней трубой 11. Таким образом, предварительное нагружение соединительной втулки 15 зависит от увеличения диаметра и наклона упирающихся поверхностей запорных профилей 33, 35. На фиг.5 и фиг.6 эти наклонные поверхности обозначены позициями 33а и 35а. Возможная разность диаметров двух соседних осевых поверхностей 41 может быть равна 1 мм. Эта разность может быть больше или меньше в зависимости от требуемого предварительного нагружения и от размера и характера устройства для соединения труб и самих труб восходящего трубопровода.
Расклинивающий элемент может иметь только одну осевую поверхность 41. В этом случае при его перемещении наружные запорные профили 33 будут переходить из промежуточного зацепления в дальнейшее зацепление. Однако при наличии двух или нескольких осевых поверхностей 41 перемещение в положение промежуточного зацепления осуществить легче.
Переходная поверхность (поверхности) может быть выполнена только на запорном элементе.
Осевые поверхности 41 и переходные поверхности 43 не обязательно должны быть в виде кольца или части кольца. Например, расклинивающий элемент 37 может представлять собой несколько отдельных клиньев, распределенных по наружной поверхности верхней трубы 11 восходящего трубопровода. Главное требование к этому элементу заключается в том, чтобы он обеспечивал перемещение запорного элемента 31 в радиальном направлении наружу. Возможны и другие средства, заставляющие запорные элементы двигаться наружу.
Преимущество, обусловленное наличием расклинивающего элемента, состоит в том, что можно получить большую направленную радиально силу при приложения к расклинивающему элементу 37 сравнительно небольшой осевой силы. То есть, инструмент, осуществляющий расклинивающее движение, не должен быть несообразно большим. В некоторых случаях предварительное нагружение можно выполнить даже вручную.
Запорный элемент тоже может иметь другую форму, например он может быть выполнен в виде множества собачек с запорными профилями. Такие собачки могут входить в зацепление с соединительной втулкой в заданных положениях. Таким образом, запорные профили соединительной втулки не должны входить в зацепление по всей окружности.
Возможен вариант, в котором расклинивающий элемент 37 не имеет осевых поверхностей, например имеет скошенную поверхность. Однако в этом случае существует риск выскальзывания расклинивающего элемента 37 из зазора между запорным элементом 31 и трубой 11. Кроме того, величина радиального перемещения наружных запорных профилей 33 будет зависеть от величины осевого перемещения расклинивающего элемента 37. Поэтому вариант, представленный на фиг.5 и фиг.6, имеет существенные преимущества.
Преимущество устройства согласно изобретению, например представленного на чертежах, состоит в том, что его наибольший наружный диаметр мал в сравнении с диаметрами известных устройств. Кроме того, диаметр резьбы 17 нижней трубы восходящего трубопровода и диаметр гнездовой части 11а его верхней трубы 11 лишь немного больше диаметра основной части труб 11, 13. Поэтому концы труб 11, 13 восходящего трубопровода можно изготавливать путем горячего формования и исключить сварку, что дает множество преимуществ, а именно, позволяет, во-первых, избежать опасности нарушения сварных соединений и, во-вторых, удешевить процесс изготовления.
Разумеется, одна труба восходящего трубопровода, нижняя 13 или верхняя 11, имеет на одном конце гнездовую часть 11а, а на другом конце штыревую часть 13а и резьбу 17.
Другое преимущество устройства согласно изобретению заключается в том, что, поскольку его конфигурация компенсирует влияние отклонений в размерах труб, к ним можно предъявлять менее жесткие требования в отношении допусков на изготовление. Поэтому стоимость изготовления труб может быть снижена.
Еще одним преимуществом является то, что до выполнения соединения труб нет необходимости в их предварительном нагружении путем прижатия друг к другу. Такой способ соединения потребовал бы использования тяжелого и громоздкого оборудования, которое не требуется для соединительного устройства согласно изобретению.
Наибольшему износу и истиранию подвержены те элементы устройства, которые перемещаются под действием больших сил. В устройстве, описанном выше со ссылками на чертежи, такими элементами являются расклинивающий элемент или расклинивающее кольцо 37 и запорный элемент или разрезное кольцо 31, а также соединительная втулка 15. Выгодной особенностью изобретения является то, что все эти элементы можно быстро заменить. Благодаря этому трубы 11, 13 восходящего трубопровода могут работать длительное время, не требуя замены, так как указанные выше изнашиваемые элементы можно заменить быстро и с малыми затратами.
При выполнения соединения предпочтительно использовать инструмент, позволяющий регулировать силу при вращении соединительной втулки 15 по резьбе 17. На верхнем конце расклинивающего элемента или расклинивающего кольца 37 выполнена канавка 45 для сцепления с инструментом, заставляющим расклинивающее кольцо 37 двигаться вниз или вверх вдоль оси или трубы 11 восходящего трубопровода (см. фиг.1).
Расклинивающий элемент 37 тоже может иметь другую конфигурацию, например может быть выполнен в виде собачек или кольца, разрезанного на две или несколько частей.
На фиг.7 показано предложенное ранее устройство для соединения труб, на основе которого создано устройство согласно изобретению. Здесь запорный элемент 31' расположен на трубе 13' восходящего трубопровода, имеющей штыревую часть 13а'.
Вместо резьбы 17, выполненной в устройстве согласно фиг.1-4, на трубе 11' восходящего трубопровода размещен профилированный элемент 17а' с наружными профилями 17'. Профилированный элемент 17а', не являющийся частью трубы 11', может быть неподвижно закреплен на ней при помощи второго расклинивающего элемента 37а'. Таким образом, в устройстве, показанном на фиг.7, оба наружных запорных профиля 33' и 17' можно легко заменить в случае повреждения или сильного износа.
Устройство согласно фиг.7 очень похоже на устройство, показанное на фи.1-4. Однако при наличии профилей 17' вместо резьбы 17 трубы 11', 13' восходящего трубопровода нельзя притянуть друг к другу до того, как будет выполнено предварительное нагружение. Поэтому разброс размеров приведет к различной величине предварительного нагружения, так как этот разброс не компенсируется.
В варианте, показанном на фиг.7, обращенные друг к другу вторые поверхности 23', 27' двух труб 11', 13' скошены.
В еще одном варианте, не показанном на чертежах, профили 17' на профилированном элементе 17а', показанном на фиг.7, заменены резьбой. В этом случае резьбу можно легко заменить путем замены профилированного элемента 17а'.