ВТУЛКА ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННЕГО СВАРНОГО ШВА ТРУБОПРОВОДА

Заявляемое техническое решение относится к строительству трубопроводов, а именно к средствам защиты внутреннего сварного шва трубопроводов.
Одной из важнейших проблем при эксплуатации стальных нефтепромысловых трубопроводов является их малый срок эксплуатации, обусловленный коррозионной агрессивностью перекачиваемых продуктов. В последнее время эту проблему решают тем, что для сооружения промысловых трубопроводов используют трубы, обладающие повышенной стойкостью в коррозионно-активных средах, в том числе стальные трубы с внутренним защитным покрытием. Если при монтаже стальных трубопроводов с защитным покрытием применить сварку, то под действием высоких сварочных температур защитное покрытие разрушается и выгорает. При этом сварной стык остается без защиты, что сводит на нет весь положительный эффект от применения таких труб.
Наибольшее распространение защиты сварных швов трубопроводов с внутренним антикоррозионным покрытием получил метод установки защитных втулок, что объясняется простотой монтажа данных устройств и высокой надежностью защиты. Этот метод продолжает развиваться.
Известно изобретение «Узел сварного соединения трубопровода» (патент RU 2283739), представляющее собой втулку. Втулка имеет кольцевые элементы, кольцевые неармированные и/или армированные резиновые уплотнения, термоизоляционный материал, Г-образный кольцевой упор или, как минимум, три Г-образных упора, равноразмещенных в радиальной плоскости и служащих для установки центров масс. Втулка выполнена с цилиндрическим участком и сопряженными с ним развальцованными и/или механически обработанными лезвийным инструментом коническими участками. Г-образный кольцевой упор или Г-образные упоры размещены на половине длины втулки и жестко зафиксированы на ее внешней поверхности, а на внутренней поверхности цилиндрического участка и сопряженных с ним конических участков втулки нанесено защитное покрытие. Кольцевые элементы жестко закреплены на внешней поверхности цилиндрического участка втулки, равно смещены от его торцов и установлены оппозитно друг другу. Кольцевые неармированные и/или армированные резиновые уплотнения размещены на внешней поверхности втулки и плотно контактируют с торцами кольцевых элементов и коническими участками втулки.
Это известное устройство для защиты внутреннего сварного шва трубопроводов имеет следующие недостатки:
- сложная конструкция, которая обусловлена наличием большого числа трудоемких деталей;
- Г-образные упоры при нагреве интенсивно передают тепло на тело втулки за счет малого теплового моста, что зачастую приводит к выгоранию защитного покрытия на внутренней поверхности.
Известно устройство для защиты сварного шва трубопроводов (патент на полезную модель RU 20360, содержащее втулку, изготовленную из металла и несущую на себе установочные Г-образные упоры, а также уплотнительные элементы. Установочные упоры радиально и равномерно по окружности расположены посередине внешней поверхности втулки. Торцы втулки выполнены в виде раструбов. Перед ними со стороны центральной части втулки на ее внешней поверхности расположены кольцевые упоры, а к ним со стороны раструбов прилегают уплотнительные элементы. При этом установочные и кольцевые упоры жестко зафиксированы на внешней поверхности втулки, например, с помощью сварки. Кроме того, на поверхность втулки нанесено защитное покрытие.
Это известное техническое решение имеет существенные недостатки, а именно:
- трудоемкий технологический процесс его изготовления, обусловленный сложной геометрической формой втулки и наличием большого числа составляющих элементов, которые необходимо жестко зафиксировать на втулке;
- ограниченный срок эксплуатации, обусловленный тем, что во время сварки возможно прожигание защитного покрытия втулки, вызванное его локальным перегревом, поскольку установочные упоры приварены и плотно прилегают к поверхности втулки и выполнены из материала с высокой теплопроводностью;
- Г-образные упоры при нагреве интенсивно передают тепло на тело втулки за счет минимального теплового моста между телом втулки и сварочной ванной при сварке, что зачастую приводит к выгоранию защитного покрытия на внутренней поверхности.
Известно Устройство для защиты сварного шва трубопроводов полезная модель №115436, содержащее металлическую втулку с нанесенным на ее поверхность защитным покрытием, несущую на себе радиально и равномерно по окружности установленные установочные упоры, а также уплотнительные элементы, размещенные в ее торцевых зонах, отличающееся тем, что на внешних поверхностях торцевых зон втулки выполнены кольцевые канавки, в них размещены уплотнительные элементы, в центральной части внешней поверхности втулки выполнена цилиндрическая проточка, на поверхность которой нанесен слой теплоизоляционного материала, на нем радиально расположены установочные упоры, имеющие основания, выполненные с возможностью их установки на эту поверхность, на них нанесен другой слой теплоизоляционного материала, формирующий однородный нижний слой теплоизоляционного материала и фиксирующий на нем эти упоры, причем прочностные характеристики слоев теплоизоляционного материала отличаются друг от друга, а на внешних и внутренних концевых поверхностях торцевых зон втулки выполнены конусные проточки.
Недостатки известного устройства:
- установочные упоры имеют Т-образную форму и упорные элементы сформированы методом снятия слоя металла, скорее всего фрезерованием, что не целесообразно и не экономично;
- установочные упоры приклеиваются с помощью теплоизоляционного материала. Этот способ крепления при термическом ударе при проведении сварочных работ приводит к отслаиванию упоров от тела втулки из-за разности температур, очевидно, что коэффициент расширения металла и термоизоляционного материала отличается.
Известно принятое в качестве прототипа «Устройство для защиты внутреннего сварного шва трубопроводов» ПМ №143398, содержащее металлическую втулку с нанесенным на ее поверхность защитным покрытием, несущую на себе радиально и равномерно по окружности приваренные полуавтоматической или точечной сваркой и имеют две точки крепления (приварки) установочные упоры, имеющие упорные элементы и основания, при этом основания установочных упоров сильно вытянуты горизонтально, а упорные элементы выполнены путем отделения, например, надреза на расстояние, равном ширине упорного элемента до величины, равной высоте упорного элемента и отогнуты под углом 90° к основанию.
Недостатки:
В силу того, что технической задачей прототипа являлось исключение выгорания защитного покрытия на внутренней поверхности втулки при приваривании установочных упоров, они должны иметь достаточно большую площадь, а учитывая, что они привариваются на криволинейную поверхность (втулку), листовой материал, из которого они изготавливаются должен иметь очень небольшую толщину, значит отогнутый упорный элемент не будет обеспечен достаточной жесткостью, необходимой при монтаже трубопровода в полевых условиях, а конструкция установочного упора излишне металлоемка.
Техническая проблема стоит в создании конструктивного элемента втулки защиты внутреннего сварного шва трубопровода, а именно установочного упора, с его повышенной жесткостью при снижении его металлоемкости, предотвращение выгорания антикоррозийного покрытия втулки, при его приваривании, повышение надежности защиты сварного шва от воздействия агрессивной среды.
Поставленная техническая проблема заявляемым устройством решается следующим образом:
Втулка защиты внутреннего сварного шва трубопровода содержит нанесенное на ее поверхность защитное покрытие, радиальные упоры, выполненные в ней путем вытяжки металла и формирующие зоны мастичного уплотнения, длина которых равна  длины втулки, плотно контактирующие с их торцами эластичные уплотнительные элементы, размещенные в торцевых зонах втулки, радиально и равномерно по окружности приваренные установочные упоры, каждый из которых состоит из упорного элемента и основания, упорный элемент при этом отогнут под углом 90° к основанию, и имеет закругленную вершину, а основания установочных упоров имеют Z-образную форму.
Заявляемое устройство иллюстрируется Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6.
На Фиг. 1 представлена втулка защиты внутреннего сварного шва трубопровода в сборе, проекция вид спереди.
На Фиг. 2 представлена втулка защиты внутреннего сварного шва трубопровода, проекция вид с торца.
На Фиг. 3 представлен установочный упор в ракурсе .
На Фиг. 4 представлен установочный упор, вид сверху.
На Фиг. 5 представлен установочный упор, вид спереди.
На Фиг. 6 проиллюстрирован процесс формирования мастичного валика.
Втулка защиты внутреннего сварного шва трубопровода в сборе (Фиг. 1 и Фиг. 2) содержит: металлическую втулку 1 с антикоррозийным покрытием с нанесенным на ее поверхность защитным покрытием 5, несущую на себе радиально и равномерно установленные установочные упоры 2, радиальные упоры 4, а также плотно контактирующие с торцами радиальных упоров 4 эластичные уплотнительные элементы 3, выполненные, например из резины, размещенные в торцевых зонах втулки 1. Радиальные упоры 4 выполнены путем вытяжки металла на зиговочной машине на расстоянии 1/4 от общей длины втулки с обеих сторон, образуя зоны мастичного уплотнения 7. Установочные упоры 2 имеют основания, состоящие из двух разнонаправленных частей 8 и 9 (Фиг. 3 и Фиг. 4) и упорные элементы 10. Каждый установочный упор 2 выполнен из металлического листового материала в форме продольно вытянутого прямоугольника, шириной, равной ширине упорного элемента 10 и закругленного с одной стороны, в котором выполнен продольный надрез до величины, равной высоте упорного элемента 10, надрезанные части 8 и 9 отогнуты на угол 90° по отношению к оставшейся части - упорному элементу 10, в одной плоскости, но в разные стороны по отношению к друг другу тем самым на виде сверху (Фиг. 4) основание установочного упора имеет Z-образную форму, а на виде спереди (Фиг. 5) установочный упор похож на перевернутую букву Т. Таким образом, из плоской получилась объемная фигура - установочный упор 2, где (Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг.5) 8 и 9 две части основания установочного упора 2, 10 - упорный элемент с закруглением 11 при вершине, закругление 11 выполнено для обеспечения эргономичности и обеспечения техники безопасности. Установочные упоры 2 приварены на втулку 1 в местах 6 (Фиг. 1).
Заявляемое устройство используют следующим образом:
Втулка защиты внутреннего сварного шва трубопровода предназначена для изоляции зоны сварного шва трубопровода с антикоррозионным покрытием труб. При сварке в зоне стыка от повышенной температуры покрытие выгорает, что провоцирует возникновение коррозию, для защиты сварного шва от воздействия агрессивных сред используют втулку.
Перед стыковкой труб проводят подготовительные работы. Для этого внутреннюю поверхность трубы протирают растворителем для обезжиривания и удаления загрязнений. Затем на внутреннюю поверхность трубы ровным слоем, толщиной 5-10 мм и шириной 50-80 мм отступая от края 5-10 мм, наносят двух компонентную мастику на основе эпоксидной смолы, смешанную с отвердителем.
Затем в трубу с нанесенной мастикой вводят втулку 1 до установочных упоров 2, центрируя ее по вертикальной и горизонтальной оси, производят прихватку упорных элементов втулки к трубе. Наносят мастику на вторую трубу и надвигают ее на втулку 1 и сваривают трубы между собой, при этом упорные элементы 10 служат для центрирования втулки 1 внутри трубопровода, радиальные упоры 4 с каждой стороны служат для фиксации эластичных уплотнительных элементов 3, которые предназначены для формирования мастичного валика 12 (Фиг. 6). При установке они собирают мастику со стенок трубы и формирует мастичный валик 12, который полимеризуется под действием отвердителя образуя герметичное уплотнение, препятствующее проникновении агрессивной среды в зону сварного шва.
Экспериментальным путем авторы определили размер зоны мастичного уплотнения 7, необходимого и достаточного для защиты зоны сварного шва от разрушительно воздействия перекачиваемых сред, в результате эксперимента было установлено, что если зона мастичного уплотнения 7 меньше  от общей длины втулки 1, мастичный валик 12 хорошо собирается эластичными уплотнительными элементами 3, пространство между телом втулки 1 и трубой заполняется, однако величина сформированного в этом случае мастичного валика 12 не позволяет выдерживать большое давление. Когда зона мастичного уплотнения 7 больше , длины втулки 1, то свободного хода втулки от радиальных упоров 4 до эластичных уплотнительных элементов 3 недостаточно, чтобы сформировался мастичный валик 12 и заполнил полость между втулкой и трубой.
Если зона мастичного уплотнения 7 составляет  общей длины втулки 1, эластичные уплотнительные элементы 3 собирают достаточный мастичный валик 12 для уплотнения полости между втулкой 1 и трубой на 1/4 длины втулки, формируя оптимальный по длине и прочности уплотнение.
Технический результат, а именно: повышение жесткости установочного упора при снижении его металлоемкости, предотвращение выгорания антикоррозийного покрытия втулки при его приваривании, повышение надежности защиты сварного шва от воздействия агрессивной среды - Жесткость обеспечена за счет того, что основание установочного упора имеет форму буквы Z, тем самым получается, что половина ширины упорного элемента 10 отогнута в одну сторону, а вторая половина - в другую, распределяя направление напряжения металла.
- Снижение металлоемкости обеспечивается тем, что ширина заготовки для изготовления установочного упора равна ширине упорного элемента, это необходимы и достаточный размер при наличии устойчивой конструкции основания установочного упора.
- Предотвращение выгорания антикоррозийного покрытия втулки обеспечивает Z-образная форма основания, которая распределяет тепло при сварке на две разнонаправленные части 8 и 9, которые как бы расположены в шахматном порядке, не позволяя прожигать антикоррозионное покрытие.
- Длина зоны мастичного уплотнения 7, равная  общей длины втулки 1 защиты внутреннего сварного шва трубопровода, обеспечивает формирование мастичного валика 12 между втулкой защиты внутреннего сварного шва трубопровода и свариваемой трубой достаточно для надежной защиты от проникновения агрессивно среды в зону внутреннего сварного шва.