ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩЕЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель относится к области трубопроводного транспорта и трубопроводостроению в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности, она предназначена для использования в качестве электроизолирующей вставки как элемента катодной защиты от электрохимической коррозии в трубопроводах для транспортировки нефти, газа, других химических продуктов, а также в тепловых сетях. Кроме того, заявляемое электроизолирующее соединение трубопровода особенно эффективно для больших диаметров труб, начиная с 400 мм, и высоких давлений транспортируемой среды более 10 МПа.
Известно электроизолированное соединение трубопроводов (патент на полезную модель РФ №8770, F16L 23/02, F16L 17/00, опубликовано 16.12.1998 г.), содержащее металлические патрубки, манжету с полостью из газонепроницаемого материала, силовую оболочку из волокнистого композиционного материала, отличающееся тем, что на наружной поверхности патрубков симметрично относительно плоскости стыка установлены кольцевые ряды радиальных игольчатых стержней, запрессованных в скрепленные с патрубками металлические подложки, а между патрубками установлено центрирующе-изолирующее кольцо Т-образного сечения с охватывающей его манжетой, бандажированной кольцевыми слоями волокнистого композиционного материала, при этом в кольце выполнены радиальные отверстия, сообщающие внутреннюю полость трубопровода с полостью манжеты.
Применение в аналоге манжеты с внутренней полостью, имеющей беспрепятственное сообщение с внутренним пространством трубопровода, под воздействием сочетания разнообразных механических нагрузок, таких как изгиб, растяжение, кручение, особенно, в случае транспортировки агрессивной среды, существенно уменьшает долговечность манжеты и постепенно приводит к нарушению целостности силовой оболочки, с высокой вероятностью взрывной декомпрессии соединения трубопровода.
Кроме того, наличие манжеты с внутренней полостью из газонепроницаемого материала, в которой находится под давлением транспортируемая агрессивная среда, ограничивает область применения электроизолированного соединения по виду агрессивной среды.
Введение в силовую оболочку радиальных металлических игольчатых стержней, в условиях действия циклических нагрузок, создает высокие местные контактные напряжения в зонах около игольчатых стержней, что приводит к появлению очагов местных деформаций и, в конечном итоге, к уменьшению нагрузочной способности силовой оболочки при ее длительной эксплуатации.
Известно также электроизолированное соединение трубопроводов (патент на полезную модель РФ №13077, F16L 23/02, F16L 17/00, опубликовано 20.03.2000), содержащее металлические патрубки с выступами прямоугольного сечения, центрирующе-изолирующее кольцо Т-образного сечения, силовую оболочку из волокнистого композиционного материала, отличающееся тем, что центрирующе-изолирующее кольцо установлено с зазором относительно выступов патрубков, а на его полках, контактирующих с торцами и наружными поверхностями патрубков, симметрично относительно плоскости стыка выполнены скосы, образующие с поверхностями патрубков полости, в которых размещены уплотнительные кольца круглого сечения из вязкоупругого материала.
Силовая оболочка, выполненная из волокнистого композиционного материала, обладает недостаточной надежностью и долговечностью при воздействии сочетания таких механических нагрузок как изгиб, кручение, растяжение, при наличии экстремальных атмосферных условий, что приводит к ускоренному ослаблению несущей способности и дальнейшей разгерметизации трубопровода.
Применение уплотнительных колец с круглым поперечным сечением, применение которых характеризуется требованиями высокой чистоты посадочной поверхности и малой длиной контактной поверхности, не обеспечивает при высоких давлениях и разнообразных механических нагрузках требуемую долголетнюю герметичность, что уменьшает надежность работы электроизолированного соединения.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является изолирующий узел соединения металлических труб (патент на изобретение РФ №2384788, F16L 25/02, опубликовано 20.03.2010), содержащий металлические патрубки с кольцевыми утолщениями, на которых сформирована муфта из композиционных материалов, а между смежными торцами патрубков размещен кольцевой элемент, состоящий из выступа прямоугольного профиля и боковых относительно него полок, размещенных в выборках стенок патрубков, отличающийся тем, что в нем кольцевой элемент выполнен из жесткого изоляционного материала, не подверженного влиянию агрессивных сред, например полиамида, выступ размещен со стороны муфты, а полки размещены в выборках, выполненных на внутренних стенках патрубков и зафиксированных цилиндрическими кольцами, установленными в проточках патрубков, причем профили выборок и боковых полок выполнены таким образом, что между ними образованы зазоры, в которых размещены уплотнительные и удерживающие их положение кольца.
К недостаткам прототипа относятся также ненадежность и низкая долговечность конструкции изолирующего узла соединения металлических труб.
Недостаточное предварительное поджатие уплотнительных колец, обеспечиваемое применением удерживающих колец и фиксирующих цилиндрических колец, а также поджатие уплотнительных колец, передающих силы от действия внутреннего давления транспортируемой среды на муфту из композиционных материалов, в условиях применения труб большого диаметра и разнообразных внешних механических нагрузок за длительный период эксплуатации, не обеспечивают муфте требуемую долговечность.
Контакт уплотнительного кольца с агрессивной транспортируемой средой частично ограничен, но не исключен, что уменьшает срок службы уплотнительных колец и ограничивает область применения всего устройства изолирующего узла.
Наличие технологических зазоров между профилями выборок патрубков и боковых полок кольцевого элемента, в котором размещены уплотнительные и удерживающие их положение кольца, в условиях эксплуатационных деформаций трубопровода приводит к постепенному проникновению транспортируемой среды к муфте из композиционного материала, что ухудшает условия работы муфты.
Задача заявляемого технического решения заключается в повышении надежности и долговечности устройства и расширении сферы его применения.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в электроизолирующем соединении трубопровода, содержащем наружную силовую муфту, переходные патрубки трубопровода и размещенную между ними систему электроизолирующего уплотнения, силовая муфта выполнена монолитной, металлической, запрессованной на наружной поверхности смежных переходных патрубков, при этом силовая муфта связана сваркой с одним из переходных патрубков; система электроизолирующего уплотнения выполнена в виде манжеты из вязкоупругого материала, центрального изолирующего кольца и, по крайней мере, одного клеевого элемента, которые связаны беззазорно между собой, с переходными патрубками и силовой муфтой; кроме того, электроизолирующее соединение снабжено искровым разрядником, клеммы которого закреплены на его переходных патрубках.
Выполнение наружной силовой муфты металлической и монолитной обеспечивает возможность длительного преодоления повышенных механических нагрузок, передаваемых трубопроводом, а также повышает надежность и долговечность конструкции в целом.
Силовая муфта выполнена запрессованной на поверхности переходных патрубков, в процессе сборки происходит предварительное нагружение фланцев переходных патрубков в осевом направлении с помощью пресса, с усилием до 2500 тс, что обеспечивает способность выдерживать изгибающий момент, передаваемый трубопроводом, и высокие внутренние давления до 100 МПа без разгерметизации соединения.
Соединение силовой муфты с переходным патрубком с помощью сварки обеспечивает надежное соединение предварительно запрессованной силовой муфты на переходном патрубке, что повышает долговечность работы соединения трубопровода.
Силовая муфта выполнена металлической, монолитной и запрессованной на поверхности смежных переходных патрубков, что значительно повышает несущую способность электроизолирующего соединения от повышенных механических нагрузок, таких как изгиб, кручение, растяжение, соизмеримую с несущей способностью соединяемых труб.
Система электроизолирующего уплотнения выполнена в виде манжеты из вязкоупругого материала, центрального электроизолирующего кольца и, по крайне мере, одного клеевого элемента, что обеспечивает отсутствие зазоров между элементами системы, отсутствие зазоров с переходными патрубками и с силовой муфтой, что, в свою очередь, повышает диэлектрические свойства уплотнения.
Применение манжеты с длинной уплотнительной поверхностью и большим поперечным сечением позволяет выдерживать значительные деформации конструкции, такие как растяжение, изгиб, кручение, особенно по сравнению с уплотнительными системами, использующими резиновые кольца круглого поперечного сечения, а также не требует высокого качества обработки уплотнительных поверхностей и соблюдения очень точных допусков на механическую обработку посадочных поверхностей.
Выполнение манжеты, находящейся в закрытом беззазорном пространстве и полностью окруженной поверхностями уплотнительных элементов, исключает возможность возникновения взрывной декомпрессии в электроизолирующем соединении с последующим образованием микротрещин в материале уплотнительного кольца.
В заявляемой конструкции электроизолирующей системы уплотнения уплотняемыми являются как поверхности между металлом фланцев патрубков и поверхностью центрального изолирующего кольца, так и между металлическими поверхностями фланцев патрубков и силовой муфты, что повышает качество герметичности и, следовательно, повышают надежность и долговечность всего устройства.
Кроме того, электроизолирующее соединение снабжено, по крайней мере, одним внешним искровым разрядником, клеммы которого закреплены на переходных патрубках, надежно защищая соединение от внутреннего электрического пробоя.
Надежная электроизолирующая система уплотнения создает условия для качественной и долговечной работы внешнего искрового разрядника, улучшает контроль его работы и тем самым повышает надежность защиты самой системы уплотнения.
Отсутствие воздушного зазора между элементами электроизолирующего соединения трубопровода обеспечивает повышенную электрическую изоляцию электроизолирующего соединения трубопровода, что, в свою очередь, повышает качество и надежность работы искрового разрядника.
Наличие отличительных признаков в заявляемом техническом решении позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждена на примере конкретного осуществления.
Сущность полезной модели поясняется техническими рисунками, где на фиг.1 представлен общий вид электроизолирующего соединения трубопровода, на фиг.2 - продольный разрез электроизолирующего соединения трубопровода.
Электроизолирующее соединение трубопровода содержит наружную металлическую силовую муфту 1, металлические переходные патрубки 2 и 3, между соответствующими фланцами 4 и 5 которых размещена манжета 6, выполненная из вязкоупругого материала, например, резины. Манжета 6 уплотняет центральное изолирующее кольцо 7, выполненное из электроизоляционного, диэлектрического материала.
Между фланцем 5 переходного патрубка 3 и силовой муфтой 1 находится клеевой элемент 8. Клеевой элемент 9 размещен в зазоре между торцом фланца 5 и внутренним торцом силовой муфты 1. Клеевой элемент 10 размещен в кольцевой полости между силовой муфтой 1 и переходным патрубком 3.
Таким образом, клеевые элементы 8, 9, 10, манжета 6 и центральное изолирующее кольцо 7 образуют беззазорное соединение всех элементов системы электроизолирующего уплотнения. Искровой разрядник 11 соединен клеммой 12 с переходным патрубком 2 и клеммой 13 с переходным патрубком 3.
Система электроизолирующего уплотнения, состоящая из центрального изолирующего кольца 7, манжеты 6 и клеевых элементов 8, 9, 10, в штатном рабочем режиме и при воздействии повышенных механических нагрузок в виде растяжения, изгиба, кручения, сжатия, обеспечивает беззазорное соединение элементов системы, а также качественную, надежную, долговечную электрическую изоляцию переходных патрубков 2 и 3.
Сборка электроизолирующего соединения трубопровода осуществляют следующим образом.
Предварительно собранное центральное изолирующее кольцо 7 с манжетой 6 размещают в кольцевой выборке фланца 4 переходного патрубка 2.
На торце фланца 5 закреплены равномерно по окружности сегменты изолирующего кольца (на фиг.2 не показаны).
На переходный патрубок 3 надевают силовую муфту 1 до контакта с сегментами изолирующего кольца, образуя торцевой зазор, пространство, которое заполняют клеем, образуя клеевой элемент 9.
Далее в кольцевой зазор между фланцем 5 и силовой муфтой 1 размещают равномерно по окружности наполнительные шпонки (на фиг.2 не показаны), между которыми образуется кольцевая полость и ее заполняют клеем, образуя клеевой элемент 8.
Соединяют на оправке переходный патрубок 3, предварительно собранный с силовой муфтой 1, с переходным патрубком 2, заполняют клеем пространство между муфтой 1 и переходным патрубком 3, образуя клеевой элемент 10, и производят встречное осевое нагружение с помощью пресса. Усилия пресса обозначены на фиг.2 встречными стрелками, приложенными к фланцу 4 переходного патрубка 2 и к силовой муфте 1, через которую усилия пресса передаются на фланец 5 переходного патрубка 3.
После достижения необходимого усилия пресса фиксируют сварным кольцевым швом 14 фланец 4 переходного патрубка 2 с торцом силовой муфты 1.
В процессе сборки происходит предварительное нагружение фланцев в осевом направлении с помощью пресса с целью обеспечения отсутствия зазоров между центральным изолирующим кольцом и поверхностями фланцев, что повышает способность выдерживать изгибающий момент и высокое внутреннее давление без разгерметизации соединения.
Благодаря предварительному сжатию патрубков в осевом направлении и принципу равнопрочности обеспечивается требуемая надежность и долговечность электроизолирующего соединения при высоком уровне механических нагрузок трубопровода.
Возникающие в процессе эксплуатации растягивающие, изгибающие и крутящие нагрузки, действующие на патрубки с фланцами, принимает на себя силовая металлическая муфта с учетом действия предварительного поджатия.
Благодаря тому, что электроизолирующая система уплотнения не имеет внутренней воздушной полости, ее элементы соединены беззазорно, улучшаются диэлектрические свойства электроизолирующего соединения трубопровода.
Если разность электрических потенциалов патрубков 2 и 3 достигает критической отметки, то срабатывает искровой разрядник, прохождение тока через который предохраняет систему уплотнения от электрического повреждения, пробоя.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает значительное повышение надежности и долговечности электроизолирующего соединения трубопровода в условиях воздействия комбинированных механических нагрузок, таких как растяжение, изгиб, кручение, сжатие, а также эффективно расширяет область применения, в частности, для труб с агрессивной транспортируемой средой, труб диаметром более 400 мм и внутреннем давлении транспортируемой среды более 10 МПа.