Устройство для разъемного соединения трубопроводов
DEVICE FOR DETACHABLE CONNECTION OF PIPELINES

Настоящее изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к соединениям вакуумных трубопроводов диагностических систем термоядерных установок, например, таких как ИТЭР (Франция), ДЖЕТ (Великобритания), JT-60U (Япония). Такие соединения предназначены для работы в условиях сильного радиационного облучения быстрыми нейтронами и гамма-квантами, большого теплового потока из плазмы, воздействия аварийными нагрузками, связанными с землетрясением (вибрационные и ударные) и срывом плазмы (так называемые электромагнитные нагрузки).
Известно устройство для разъемного соединения трубопроводов (см. патент FR 1536180, МПК F16L 27/04, F16L 27/12, F16L 37/002, F16L 49/08, опубликован 27.08.1968), включающее противолежащие телескопические трубные элементы, приводимые в действие гидравлическим или пневматическим исполнительным механизмом. Исполнительный механизм содержит поршни, установленные в отверстиях опорного кожуха и предназначенные для перемещения трубчатых элементов к наружной стороне кожуха. Трубчатые элементы соединены друг с другом таким образом, что они обеспечивают уплотнение, когда приводится в действие сильфон. Система может обеспечивать сообщение между удаленными друг от друга трубами, которые устанавливаются и контролируются с помощью робота, который может нагнетать текучую среду под давлением к исполнительному механизму. Таким образом, соединение двух труб может выполняться без вмешательства оператора, что является преимущественным в неблагоприятной окружающей среде, например, в радиоактивной окружающей среде в оболочке ядерного реактора.
Недостатками известного устройства является усложненный исполнительный механизм, в котором использованы четыре пары противоположно движущихся поршней, распределенных по окружности между двумя зажимами, соединенными пружинами растяжения таким образом, что векторная сумма сил, действующих на телескопический элемент, направлена вдоль оси поступательного перемещения элемента. Поддержание соединительного положения устройства зависит от давления в гидравлическом или пневматическом контуре исполнительного механизма, что снижает надежность его работы. Кроме того, для работы такого устройства необходимо, чтобы трубы имели отверстия с раструбом для получения герметичного соединения.
Известно устройство для разъемного соединения трубопроводов (см. RU 2312271, МПК F16L 37/098, опубл. 10.12.2007), включающее трубчатый корпус, на котором диаметрально друг против друга и с боковым отступом расположены два двуплечих защелкивающихся элемента, которые в их точке поворота соединены упругой соединительной перемычкой с наружной стенкой корпуса и имеют на свободных концах их направленных вперед плеч обращенные радиально внутрь крючки, зацепляющиеся при сборке соединения за стопорящий элемент на наружной стенке ответной детали быстроразъемного соединительного узла. Направленные назад плечи защелкивающихся элементов выполнены в виде пружинящих лапок, свободные концы которых загнуты внутрь.
К недостаткам известного устройства для разъемного соединения трубопроводов относится использование пружинящих лапок, которые могут не выдержать действие значительных вибрационных нагрузок, и необходимость вручную манипулировать с защелкивающимися элементами.
Известно устройство для разъемного соединения трубопроводов (см. RU 2342589, МПК F16L 23/02, опубл. 27.12.2008), содержащее соединяемые два звена со стыковочными поверхностями. На первом звене выполнен элемент упора в виде, например, кольцевого выступа. С противоположных сторон второго звена расположены два прихвата с губками захвата. Прихваты установлены с возможностью перемещения в обоймах, которые имеют возможность поворота на пальцах, установленных в кронштейнах, жестко связанных со вторым звеном. В резьбовое отверстие прихватов ввернуты винты, размещенные и зафиксированные от осевого перемещения на обоймах. Для вращения винтов в их выступающих головках установлены ручки. Второе звено и обоймы связаны между собой пружинами растяжения.
Известное устройство для разъемного соединения трубопроводов позволяет быстро и надежно осуществлять сборку/разборку элементов трубопроводов, но не обеспечивает его дистанционное управление обслуживающим персоналом.
Известно устройство для разъемного соединения трубопроводов (см. патент US 9915385, МПК F16L 21/04, F16L 25/14, F16L 21/08; F16L 17/04, F16L 21/00, опубликован 13.03.2018), включающее полый корпус, элемент герметизации, расположенный на внутренней поверхности полого корпуса и уплотняющий механизм. Уплотняющий механизм включает основной уплотняющий элемент, соединенный с корпусом, и множество вторичных уплотняющих элементов, соединенных с элементом герметизации и эквидистантно расположенных по окружности на внутренней полого корпуса. Множество вторичных уплотняющих элементов входят в зацепление с основным уплотняющим элементом таким образом, что при сжатии уплотняющего элемента множество вторичных уплотняющих элементов, перемещаясь в осевом направлении, переводят элемент герметизации из открытого положения в положение герметизации.
Известное устройство для разъемного соединения трубопроводов позволяет быстро осуществлять сборку/разборку элементов трубопроводов, но не обеспечивает его дистанционное управление обслуживающим персоналом.
Известно устройство для разъемного соединения трубопроводов (см. патент RU 2324858 F16L 23/02, опубл. 20.05.2008), содержащее соединительную плиту, жестко прикрепленную к одному концу фитинга с возможностью осевого приближения к передней части концевого фланца фланцевой трубы; по меньшей мере, три стопорных колеса, выполненных с возможностью вращения вокруг своих собственных осей и выступающих спереди соединительной плиты в отстоящих по периферии положениях. Каждое стопорное колесо имеет форму круга с вырезом, проходящим по хорде круга, для обеспечения одинакового углового положения с обращенной к оси хордой и для предотвращения во всех угловых положениях возвратно-поступательного движения канала фланца фланцевой трубы между указанными колесами и смещения плиты и фланца. Каждое стопорное колесо дополнительно имеет в направлении соединительной плиты винтовую цапфу, выполненную с возможностью обеспечения переднего опорного сцепления и запирания фланца с плитой за счет поворота колеса из указанного одного углового положения в вышеупомянутые другие угловые положения.
Известно устройство обеспечивает быстрое и безопасное соединение трубопроводов, однако это достигается чрезмерным усложнением его конструкцией.
Известно устройство для разъемного соединения трубопроводов (см. патент RU 2529968, МПК F16L 25/12, опубликован 10.10.2014), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип содержит опорный корпус, содержащий две телескопические соединительные системы для соединения опорного корпуса с первым и вторым трубопроводом, и исполнительный механизм для приведения в действие соединительных систем. Каждая телескопическая соединительная система содержит подвижный трубчатый элемент с наружным диаметром меньшим внутреннего диаметра соответствующего трубопровода. Подвижный трубчатый элемент перемещается поступательно относительно опорного кожуха и оборудован, по меньшей мере, одним надувным уплотнением. Телескопическая соединительная система соединена с первым участком исполнительного механизма, расположенного внутри опорного корпуса. Исполнительный механизм содержит регулирующую штангу, проходящую через стенку опорного корпуса и соединяющую первый участок с системой управления, расположенной с наружной стороны указанного опорного корпуса.
Известное устройство-прототип позволяет дистанционно управлять его работой, однако не обеспечивает надежное уплотнение соединяемых трубопроводов. Наличие в устройстве-прототипе двух дополнительных кольцевых узла уплотнения телескопических систем снижают общую надежность герметизации соединения трубопроводов. Кроме того, исполнительный механизм находится внутри опорного кожуха и содержит регулирующую штангу, проходящую через стенку опорного кожуха, имеющую еще одно дополнительное кольцевое уплотнение, которое еще больше снижает надежность герметизации соединения трубопроводом. Устройство-прототип расположено между соединяемыми трубопроводами, что увеличивает габаритный размер соединения в осевом направлении. Уплотняющее усилие в устройстве-прототипе направлено на распор соединяемых трубопроводом, что значительно усложняет систему крепления трубопроводов.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка компактного устройства для разъемного соединения трубопроводов с дистанционным управлением его работой, которое бы обеспечивало надежное уплотнение соединяемых трубопроводов.
Поставленная задача решается тем, что устройство для разъемного соединения трубопроводов содержит опорный корпус, содержащий две соединительные системы для прикрепления опорного корпуса с первым и вторым трубопроводом и исполнительный механизм. Первая соединительная система выполнена в виде болтового соединения первого торца опорного корпуса с первым трубопроводом. Вторая соединительная система выполнена в виде двух противолежащих полуколец для охвата второго трубопровода, соединенных пропущенными через стенки опорного корпуса штангами с пневмоцилиндрами, закрепленными на наружной поверхности опорного корпуса. Штанги снабжены пружинами сжатия. Исполнительный механизм выполнен в виде коаксиально установленных на фланце, прикрепленном к второму торцу опорного корпуса, кольцевого пневматического домкрата и кольцевого клина в виде двух колец, на противолежащих поверхностях которых выполнено по меньшей мере по два симметричных относительно оси колец клиновых выступа с параллельными противолежащими наклонными гранями. Первое кольцо кольцевого клина установлено с возможностью вращения в плоскости, перпендикулярной оси фланца, а второе кольцо кольцевого клина установлено на конце фланца с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством шлицевого соединения.
Кольцевой пневматический домкрат может быть выполнен в виде кольца, в торце кольца могут быть выполнены по меньшей мере два симметричных относительно оси кольца цилиндрических отверстия, в которых установлены плунжеры с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а полость кольца снабжена патрубком для соединения с источником сжатого воздуха.
Первое кольцо кольцевого клина для вращения в первом направлении может быть снабжено пневмоцилиндром, закрепленным на опорном корпусе, а для вращения в противоположном направлении может быть снабжено пружинным толкателем, закрепленным на опорном корпусе.
Настоящее устройство для разъемного соединения трубопроводов поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показан в аксонометрии общий вид устройства для разъемного соединения трубопроводов со стороны второго торца;
на фиг. 2 приведен в аксонометрии вид устройства для разъемного соединения трубопроводов, разобранноого на детали;
на фиг. 3 показан в аксонометрии в продольном разрезе вид устройства для соединения трубопроводов, прикрепленного к первому трубопроводу.
Настоящее устройство для разъемного соединения трубопроводов включает (см. фиг. 1- фиг. 3) опорный корпус 1 содержащий соединительную систему 2 для прикрепления опорного корпуса 1 с первым трубопроводом 3 в виде болтов 4, пропущенных через отверстия 5 первого торца 6 опорного корпуса 1 и вворачиваемых в гнезда 7 на фланце первого трубопровода 3. Вторая соединительная система 8 (см. фиг. 2-фиг. 3) выполнена в виде двух противолежащих полуколец 9 для охвата второго трубопровода 10, которые соединены пропущенными через стенки опорного корпуса 1 штангами 11 с пневматическими цилиндрами 12, закрепленными на наружной поверхности опорного корпуса 1. Пневматические цилиндры 12 снабжены патрубками 13 для подачи сжатого воздуха для разведения полуколец 9. Штанги 11 снабжены пружинами 14 сжатия для сближения полуколец 9. Исполнительный механизм 15 (см. фиг. 2-фиг. 3) содержит коаксиально установленные на шлицевом фланце 16, прикрепленном к второму торцу 17 опорного корпуса 1, например, с помощью болтов 18, кольцевой пневматический домкрат 19 и кольцевой клин 20 в виде двух колец 21 и 22, на противолежащих поверхностях которых выполнено по меньшей мере по два симметричных относительно оси колец 21 и 22 клиновых выступа 23 с параллельными противолежащими наклонными гранями. Первое кольцо 21 кольцевого клина установлено с возможностью вращения в плоскости, перпендикулярной оси фланца 16, а второе кольцо 22 кольцевого клина установлено на шлицевом конце 24 шлицевого фланца 16 с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством шлицевого соединения. Первое кольцо 21 кольцевого клина для вращения в первом направлении (например, по часовой стрелке) может быть снабжено, например, пневматическим цилиндром 25 с патрубком 26 для подачи сжатого воздуха. Пневматический цилиндр 25 закреплен на опорном корпусе 1. Для вращения первого кольца 21 кольцевого клина в противоположном направлении (например, против часовой стрелки) оно может быть снабжено, например, пружинным толкателем 27, также закрепленным на опорном корпусе 1. Кольцевой пневматический домкрат 19 выполнен, например, в виде кольца 28, на торце которого в отверстиях 29, расположенных симметрично относительно оси кольца 28, установлены плунжеры 30 с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Полость за плунжерами в отверстиях 29 кольца 28 снабжена патрубком 32 для соединения с источником сжатого воздуха (на чертеже не показан). В случае необходимости вакуум плотного соединения между фланцами трубопроводов 3 и 10 устанавливают уплотнительное кольцо 33 (см. фиг. 3), например, фирмы HTMS (High Tech Metal Seals).
Настоящее устройство для разъемного соединения трубопроводов работает следующим образом.
Опорный корпус 1 закрепляют на первом трубопроводе 3 с помощью болтов 4, пропущенных через отверстия 5 первого торца 6 опорного корпуса 1. В пневматические цилиндры 12, а также в пневматический цилиндр 25 кольцевого клина 20 подают сжатый воздух, при этом полукольца 9 оказываются разведенными, а кольцо 21 отведено от кольца 22 кольцевого клина 20. Второй трубопровод 10 (фиг. 3) вводят через фланец 16 до соприкосновения с уплотнительным кольцом 33, закрепленным на фланце первого трубопровода 3. В пневматических цилиндрах 12 второй соединительной системы 8 сбрасывается давление сжатого воздуха, и под действием четырех пружин 14 полукольца 9 «охватывают» второй трубопровод 10 в непосредственной близости от его фланца. В кольцевой пневматический домкрат 19 подают сжатый воздух, при этом, плунжеры 30 прижимают кольцо 22 к полукольцам 9, которые, в свою очередь, прижимают фланец второго трубопровода 10 к ответному фланцу первого трубопровода 3, создавая заданное предварительное усилие сжатия уплотнительного кольца 33. Для фиксации усилия сжатия уплотнительного кольца 33 в пневматическом цилиндре 25 кольцевого клина 20 сбрасывают давление сжатого воздуха, и пружинный толкатель 27 под действием пружины поворачивает кольцо 21 кольцевого клина 20 в направлении против часовой стрелки до выборки зазора между клиновыми выступами 23 колец 21 и 22 кольцевого клина 20. При этом подача сжатого воздуха в кольцевой пневматический домкрат 19 продолжается. После выборки зазоров между клиновыми выступами 23 колец 21 и 22 кольцевого клина 20 сбрасывают давление сжатого воздуха в кольцевом пневматическом домкрате 19. В узле стыковки происходит силовое механическое замыкание (фланец первого трубопровода 3 - уплотнительное кольцо 33 - фланец второго трубопровода 10 - полукольцо 9 - кольцо 22 - кольцо 21 - шлицевой фланец 16 - опорный корпус 1 - соединительная система 2), минуя отключенный кольцевой пневматический домкрат 19. Углы наклонных граней клиновых выступов 23 выбраны таким образом что бы обеспечивать самоторможение. Расстыковка осуществляется в обратном порядке.
Настоящее устройство для разъемного соединения трубопроводов позволяет проводить работы в условиях сильного радиационного облучения быстрыми нейтронами и гамма-квантами, большого теплового потока из плазмы, воздействия аварийными нагрузками, связанными с землетрясением (вибрационные и ударные) и срывом плазмы (так называемые электромагнитные нагрузки).