Сильфонное компенсационное устройство для бесканальной прокладки трубопровода
EXPANSION JOINT FOR CHANNELLESS PIPE LAYING

Изобретение относится к элементам трубопроводного транспорта и может быть использовано при сооружении систем трубопроводов в теплоэнергетике, нефтегазовой промышленности, строительстве и т.д. для компенсации осевых перемещений трубопроводов в процессе эксплуатации.
Известен сильфонный компенсатор для бесканальной прокладки (патент на изобретение RU 2431072 С1, МПК F16L 51/02, 10.10.2011), который содержит сильфонный компенсатор, расположенный внутри кожуха и снабженный направляющими, приваренными к патрубкам сильфонного компенсатора, ограничивающими угловые и радиальные перемещения компенсатора и не препятствующие осевым перемещениям патрубков относительно кожуха, и трубами с уплотняемой поверхностью, на которой расположены уплотнения. Данные уплотнения выполнены в виде воротниковых манжет, установленных по две с каждой стороны сильфона, воротниками направленными навстречу друг другу, с образованием между манжетами пространства, заполненного наполнителем, обладающего смазывающими свойствами, при этом воротниковые манжеты установлены преимущественно на расстоянии L, равном или большем величины хода компенсатора, причем манжеты, находящиеся в контакте с грунтом, снабжены грязесъемным воротником, прилегающим к уплотняемой поверхности трубы.
Известное устройство позволяет компенсировать осевые температурные деформации трубопроводов тепловых сетей, однако является нетехнологичным ввиду использования уплотнений, выполненных в виде воротниковых манжет. Уплотнения (манжеты) подвержены повышенному износу и разрушению в местах контакта вследствие воздействия на них сил трения и абразивных компонентов внешней среды, что снижает срок эксплуатации, надежность и долговечность. Кроме того, рассматриваемая конструкция характеризуется отсутствием возможности применения системы оперативного дистанционного контроля (ОДК) для мониторинга данного элемента трубопровода и отсутствием тепловой изоляции сильфонного компонента компенсатора, что негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках трубопровода.
Известно устройство для компенсации температурных удлинений трубопроводов тепловой сети (патент на полезную модель RU 63901, МПК F16L 51/02, 29.09.2006 г.), включающее осевой компенсационный элемент с жестко присоединенными к нему патрубками, предохранительный кожух, охватывающий осевой компенсационный элемент и частично патрубки, теплогидрозащитное покрытие, в котором на концах патрубков, ближайших к осевому компенсационному элементу, установлены центраторы, обеспечивающие соосность патрубков и зазор между осевым компенсационным элементом и предохранительным кожухом. Защитные покрытия, в данном устройстве, выполнены из пенополиуретана и полимерной оболочки и состоят из неподвижной центральной части и двух крайних подвижных частей, причем зазоры между неподвижной центральной частью и подвижными крайними частями заполнены эластичным теплоизолятором, а сверху закрыты компенсирующими муфтами.
Устройство предназначено для компенсации температурных удлинений трубопроводов, однако конструктивное решение по гидроизоляции зазоров между подвижной и неподвижными частями обладает низкими эксплуатационными свойствами, что приводит к проникновению влаги в слой изоляции и преждевременному выходу из строя всего узла. Кроме того, необходимость использования двух муфт в значительной степени снижает надежность всего устройства и повышает стоимость изделия.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является полезная модель на термогидроизолированный сильфонный компенсатор (RU 72038, МПК F16L 51/02, 27.03.2008 ). Данный компенсатор содержит стальной сильфон, жестко соединенный с металлическими патрубками, размещенный в стальном футляре, и нанесенную на них теплоизоляцию из пенополиуретана (ППУ), гидрозащитную трубу-оболочку из полиэтилена (ПЭ), вокруг стального патрубка (с одной или двух сторон стального сильфона) образован свободный от теплогидроизоляции кольцевой участок, на который нанесен слой теплоизоляции из минеральной ваты, защищенный с помощью термоусаживаемой муфты, жестко закрепленной к гидрозащитной трубе-оболочке со стороны сильфона клеевой лентой, а с другой стороны между муфтой и гидрозащитной трубой-оболочкой нанесена лента из нетвердеющего герметизирующего уплотнителя.
Использование известного компенсатора направлено на поглощение температурных компенсаций трубопровода, проходящих в осевом направлении, однако здесь, как и в предыдущих конструкциях, гидро- и теплоизоляция всего изделия напрямую зависит от работы уплотнительных узлов. На практике уплотнители являются слабым звеном конструкции и при длительной эксплуатации не способны обеспечить надежность от воздействия факторов внешней среды, например от проникновения грунтовых вод, а теплоизоляция, выполненная из минеральной ваты, при воздействии осевых нагрузок сминается и не выполняет необходимые функции.
Задачей, решаемой изобретением, является устранение недостатков аналогов, в том числе ближайшего, а именно улучшение эксплуатационных свойств устройства, повышение его надежности за счет придания конструкции возможности воспринимать осевые деформации без разрушения ее элементов, преимущественно без нарушения целостности теплоизоляции.
Под надежностью в данном случае понимается свойство заявленного устройства выполнять свои функции, сохраняя эксплуатационные показатели (обеспечение герметичности) в течение длительного времени (безотказность, долговечность) - см. Политехнический словарь. Гл. ред. И.И. Артоболевский, М.: «Советская энциклопедия», 1976 г., с. 306.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении надежности и долговечности всего устройства за счет увеличения уровня герметизации вследствие синхронизации восприятия (совместного восприятия) осевых нагрузок одновременно двумя элементами: внутренним подвижным стальным компенсатором и гидроизолирующим элементом, выполненным в виде полимерной трубы-оболочки.
Заявленная конструкция сильфонного компенсационного устройства, как и ближайший аналог, включает стальной сильфонный компенсатор, неразъемно связанный посредством патрубков с рабочей трубой и заключенный в жесткий стальной защитный корпус, соединенный с патрубками, гидрозащитную трубу-оболочку из полимерных материалов и слой теплоизоляции, размещенный в кольцевой полости под гидрозащитной полимерной трубой-оболочкой.
Существенными отличительными признаками заявленного изобретения, которые в совокупности с существенными признаками, общими с ближайшим аналогом, обеспечивают достижение указанного технического результата, являются следующие признаки: на гидрозащитной трубе-оболочке выполнен как минимум один податливый, относительно легко деформируемый в осевом направлении участок, образованный гофрированием части (двух или более частей) полимерной трубы-оболочки. Полимерная труба-оболочка может быть выполнена, например, в соответствии с ГОСТ 30732-2006, или ГОСТ Р 56730-2015, или СП 41-105-2002, или ТУ 5768-007-91076026-2015 и т.д. Гофрированный участок или гофрированные участки, если их более одного, выполненные на гидрозащитной трубе-оболочке, придают ей способность воспринимать осевые деформации без разрушения, причем восприятие деформаций происходит одновременно, т.е. синхронно (совместно) со стальным сильфонным компенсатором. При этом различные варианты конструкции заявленного устройства предполагают расположение гофрированного участка над стальным сильфонным компенсатором в средней части устройства, или ближе к одному из торцов, или, при наличии двух или более гофрированных участков, одновременно в нескольких местах, например в средней части и вблизи торца (торцов) устройства. Для обеспечения долговечности и надежности работы вышеуказанная гофрированная часть гидрозащитной трубы-оболочки отделена от внешней среды с помощью кожуха, расположенного снаружи поверх гофрированного участка или участков.
Существенными признаками, характеризующими изобретение в частных случаях его исполнения, являются следующие признаки:
- корпус полой гидрозащитной трубы-оболочки, имеющей преимущественно цилиндрическую форму, выполнен без нарушения сплошности стенок трубы-оболочки, т.е. без нарушения целостности в виде каких-либо вырезов, прорезей, отверстий и т.п. Как альтернативный вариант технического решения корпус гидрозащитной трубы-оболочки может состоять из двух или более частей, герметично соединенных между собой известным способом, например сваркой встык, с образованием цельной конструкции, также выполненной без нарушения сплошности (целостности) стенок полученной трубы-оболочки (без вырезов, прорезей, отверстий и т.п.);
- слой теплоизоляции имеет зону, заполненную теплоизоляцией из эластичного материала (например, из вспененного каучука), расположенную под гофрами гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки, что не препятствует движениям под действием осевых деформаций гофрированному участку или гофрированным участкам, выполненным на гидрозащитной трубе-оболочке, и стального сильфонного компенсатора;
- защитный стальной корпус сильфонного компенсатора выполнен состоящим из двух частей, прикрепленных к патрубкам, имеющих возможность осевого перемещения относительно друг друга.
Гофрированный участок гидрозащитной трубы-оболочки придает ей способность сжиматься или растягиваться одновременно со стальным сильфонным компенсатором осевых перемещений, за счет чего обеспечивается повышение надежности и обеспечение долговечности всего изделия, кроме того, сохраняется целостность герметизации вследствие синхронного (совместного) восприятия осевых нагрузок одновременно двумя элементами: внутренним подвижным стальным компенсатором и податливым гидроизолирующим элементом гидрозащитной трубой-оболочкой, выполненной в виде полимерной трубы с гофрированным участком.
Дополнительно указанный технический результат усиливается за счет выполнения теплоизоляции из эластичного материала (например, вспененного каучука), что не препятствует изменению формы гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки, при этом изменение формы гофрированного участка трубы-оболочки вследствие эластичности теплоизоляции не приводит к ее необратимым деформациям вследствие свойств материала теплоизоляции.
Вторая часть гидрозащитной трубы-оболочки - обычная трубчатая оболочка. Для обеспечения большей надежности работы, т.е. для сохранения герметичности, гофрированный участок части гидрозащитной трубы-оболочки может быть закрыт снаружи от воздействия внешней среды при помощи кольцевого защитного кожуха, располагаемого поверх гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки и прикрепленного к ней. Кожух защищает гофрированный участок трубы-оболочки от внешних воздействий: от загрязнений, механических повреждений и т.п.
Возможность обратимой деформации слоя теплоизоляции в осевом направлении и обеспечение «непрерывности» слоя теплоизоляции (без смятия, образования пустот) согласно изобретению реализована посредством нанесения комбинированной теплоизоляции, а именно в заявленном сильфонном компенсационном устройстве имеются участки теплоизоляции, выполненные как при помощи жесткого пенополиуретана (далее - ППУ), так и при помощи эластичной теплоизоляции, например, образованной из вспененного каучука. При этом расположение гибкого участка теплоизоляции из эластичного материала совпадает с расположением гофрированного («сильфонного») участка оболочки (находится под ним).
Возможности беспрепятственных осевых перемещений также способствует выполнение защитного корпуса сильфонного компенсатора из двух частей, прикрепленных к патрубкам и имеющих возможность осевого перемещения относительно друг друга при работе стального сильфонного компенсатора осевых перемещений.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется чертежом, на котором изображено сильфонное компенсационное устройство, общий вид.
На чертеже позициями обозначено:
1 - рабочая труба;
2 - стальной сильфонный компенсатор осевых перемещений;
3 - защитный стальной корпус сильфонного компенсатора;
4 - гидрозащитная труба-оболочка;
5 - гофрированный участок на гидрозащитной трубе-оболочке;
6 - кожух;
7 - теплоизоляция из отвержденного пенополиуретана;
8 - теплоизоляция из эластичного материала, например, вспененного каучука;
9 - проводники системы оперативно-дистанционного контроля;
10 - кольцевой шов соединения гидрозащитной трубы-оболочки с кожухом;
11 - кольцевой шов гидрозащитной трубы-оболочки, образованной из двух частей сваркой встык.
Сильфонное компенсационное устройство устанавливается на участке трубопроводной системы и неразъемно соединяется с рабочей трубой 1 (встраивается в рабочую трубу) посредством патрубков. Сильфонное компенсационное устройство содержит стальной сильфонный компенсатор 2 осевых перемещений (далее по тексту - сильфонный компенсатор 2), с двух сторон которого неразъемно прикреплены патрубки для соединения с рабочей трубой, причем сильфонный компенсатор 2 заключен в жесткий защитный корпус 3, выполненный предпочтительно из стали. Жесткий защитный корпус 3 может быть выполнен из двух частей (см. чертеж), каждая из которых соединена с рабочей трубой или соответствующим патрубком, места соединения жесткого защитного корпуса 3 с патрубками располагаются по обе стороны сильфонного компенсатора 2.
Зона расположения сильфонного компенсатора 2 охвачена гидрозащитной трубой-оболочкой 4, в полости под которой размещен слой теплоизоляции. Слой теплоизоляции представляет собой комбинированную теплоизоляцию, т.е. комбинацию из двух теплоизолирующих материалов, а именно часть слоя теплоизоляции образована слоем 7 из твердого теплоизоляционного материала, например ППУ, другая часть - слоем 8 из эластичного материала, например вспененного каучука.
Гидрозащитная труба-оболочка 4 может быть образована из двух, трех или более частей, соединенных между собой известным способом, например сваркой встык. На чертеже показан пример, в соответствии с которым гидрозащитная труба-оболочка 4 образована из двух частей, сваренных встык кольцевым швом в месте, показанном на чертеже позицией 11. Как минимум, на одной части гидрозащитной трубы-оболочки 4 выполняют гофрированный участок 5, необходимый для того, чтобы позволить гидрозащитной трубе-оболочке 4 производить осевые перемещения (сжиматься, растягиваться) при осевых перемещениях сильфонного компенсатора 2. Гофрированные участки 5, имеющие длину не менее 20 мм, могут быть выполнены и на двух (или более) частях гидрозащитной трубы-оболочки 4, например по обе стороны от сильфонного компенсатора 2 (на чертеже приведен пример с одним гофрированным участком 5). Гидрозащитная труба-оболочка полностью или в месте расположения гофрированного участка (или гофрированных участков) выполнена из прозрачного материала.
Для того чтобы слой теплоизоляции не препятствовал деформации гофрированного участка 5, под поверхностью этого участка 5 располагают слой 8 теплоизоляции из эластичного теплоизоляционного материала. Слой 8 теплоизоляции из эластичного теплоизоляционного материала должен располагаться под поверхностью каждого гофрированного участка 5 гидрозащитной трубы-оболочки, если таких участков более одного. Эластичный теплоизоляционный материал, например вспененный каучук, не препятствует изменению конфигурации гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки, обратимо деформируясь под его воздействием. Остальные части гидрозащитной трубы-оболочки - оболочка трубчатой формы со слоем 7 теплоизоляции из отвержденного ППУ.
Слои теплоизоляции 7 и 8 из жесткого ППУ и эластичного теплоизоляционного материала вводят в кольцевую полость между гидрозащитной трубой-оболочкой 4 и рабочей трубой 1 с сильфонным компенсатором 2. Гофрированный участок 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4 придает ей способность сжиматься или растягиваться при сжатии или растяжении сильфонного компенсатора 2, а слой 8 из эластичного теплоизоляционного материала деформируется при воздействии на него гофрированного участка 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4. Гофрированный участок 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4 может быть отделен от внешней среды при помощи кольцевого защитного кожуха 6, располагаемого поверх гофрированного участка 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4. Это желательно сделать для предотвращения внешнего воздействия на гофры гофрированного участка 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4, например, для исключения попадания в гофры грунта, что может изменить свойства гофрированного участка, механически повредить его, снизить надежность устройства в целом и повлиять на герметичность устройства.