БЕЗБОЛТОВОЕ ЗАПИРАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
BOLTLESS LOCKING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к запирающему устройству для надежного крепления втулки к неподвижной части конструкции без использования крепежных болтов, причем втулка имеет центральную ось и расположена, по существу, перпендикулярно плоскости указанной части конструкции, когда эти части собраны вместе.
Уровень техники
Бывает, что части конструкции, которые в разъемном соединении удерживают трубную втулку, подвергаются воздействию настолько больших изгибающих сил, что трубную втулку вырывает, даже когда она закреплена толстыми фланцами и высокопрочными болтами, размещенными тесно, вплотную друг к другу на окружности центров. Это, в частности, происходит в трубопроводах, проложенных по морскому дну, т.е. в трубах сравнительно больших размеров, которые подсоединены к патрубку или трубной втулке и подвергаются воздействию экстремально больших изгибающих моментов.
Традиционно трубная втулка рассматриваемого типа выполняется с несъемным фланцем, т.е. с фланцем, который составляет одно целое с самим патрубком, образует один конец патрубка и включает крепежные отверстия, расположенные на окружности центров болтов. Трубная втулка, в свою очередь, крепится к плоской части, которая является частью подводной конструкции, например соединительной частью или наружной втулкой. Поэтому плоская часть включает круглое отверстие, или окно, образованное в ней для приема, опирания и проведения самого патрубка. Вокруг этого окна сверлится ряд отверстий, в которых нарезается резьба, и эти отверстия соответствуют ряду отверстий под болты во фланце и сцентрованы с ними. Вставкой болтов в отверстия фланца, введением их в отверстия с резьбой и затяжкой болтов трубная втулка крепится к плоской части. Таков традиционный способ, имеющий, однако, большие недостатки и вызывавший немалую озабоченность.
Когда размеры труб становятся большими, например, при прокладке подводных трубопроводов, приобретает значение не только стоимость материалов, но также и вес. Для 22-дюймовой трубной втулки, т.е. втулки диаметром около 560 мм, заготовка должна иметь минимальный диаметр, по меньшей мере, равный наибольшему диаметру обработанной начисто трубной втулки. Когда фланец был несъемной частью трубной втулки, диаметр заготовки естественно определялся наружным диаметром фланца, и при механической обработке приходилось снимать большие объемы материала. Если трубная втулка должна быть изготовлена из стали типа SuperDuplex, стоимость материала будет значительна. И в менее дорогостоящем варианте трубной втулки из стали F65 с облицовкой из инконеля стоимость материала также значительна, хотя и не столь велика, как в первом варианте. Первым шагом к экономии ресурсных затрат было изготовление заготовки без части, предназначенной для традиционного фланца, а лишь с небольшим буртиком или мини-фланцем. Затем на трубной втулке, обычно с натягом, крепилось отдельное фланцевое кольцо. Это фланцевое кольцо часто разрезалось на две половины для монтажа.
Оказалось, однако, что ни традиционный способ крепления, ни описанный выше новый способ не удовлетворительны с точки зрения тех больших сил и изгибающих моментов, которые возникают в такого рода сочленениях. В ходе более тщательных исследований, когда традиционную трубную втулку подвергали воздействию момента чистого изгиба, в самом фланце трубы наблюдалось распределение сил, при котором в одной половине фланца было сжатие, в другой половине - растяжение, а в переходе между этими половинами - нейтральная зона. В половине фланца, подвергающейся растяжению, растягивающие силы максимальны в середине между нейтральными зонами и постепенно уменьшаются по мере приближения к нейтральным зонам. Это значит, что только на один болт - или, может быть, на два болта - приходится основная часть возникающих сил растяжения. Силы растяжения от изгибающих моментов действуют на головки болтов, которые, в свою очередь, создают растяжение в болтах и растягивают их до разрыва, когда изгибающие моменты становятся слишком большими. Это само по себе ограничивает возможное количество болтов, близость их размещения и их возможные размеры.
В трубопроводах, проложенных по морскому дну, не известно, какое направление могут принять силы, т.е. не известно, где во фланце окажутся наибольшие нагрузки. Поэтому надо исходить из того, что фланец должен иметь одинаково большие размеры по всей окружности. Если должен использоваться последний способ, т.е. способ с разрезанным запирающим кольцом, и линия разделения примерно совпадет с местом, где окажутся наибольшие нагрузки, то нагружены будут, в основном, болты по обе стороны от линии разделения. Попав под действие экстремально больших растягивающих сил, болты около линии разделения отламываются, затем вырываются следующие и т.д. до полного разрыва сочленения. Силы от изгибающих моментов составляют по порядку величины 3000 кН, в дополнение к 300 кН чисто растягивающей нагрузки в трубной втулке. Чтобы выдержать такие нагрузки, необходимы чрезвычайно мощные болты особого качества, и они соответственно дорого стоят. А в некоторых случаях и нет болтов, которые по существующим нормам способны выдержать такие нагрузки.
Раскрытие изобретения
В основе предлагаемого изобретения лежит мысль о том, что было бы желательно изыскать возможность избежать сил растяжения в болтах. Если бы можно было заместить такие силы силами чистого сжатия, задача была бы в значительной мере решена. Кроме того, была бы получена экономия времени монтажа множества болтов, которые прежде надо было устанавливать и затягивать.
Эта задача теперь решена в настоящем изобретении. Согласно изобретению предлагается запирающее устройство указанного во вступительной части описания безболтового типа, отличающееся тем, что включает две проходящие, если смотреть от центральной оси, по существу, в радиальном направлении рабочие поверхности, сформированные на внешней поверхности втулки, и по меньшей мере один кольцевой пластинчатый элемент, сформированный из отдельных сегментов, причем по меньшей мере один кольцевой пластинчатый элемент имеет радиально ближнюю, но внешнюю часть для взаимодействия или сцепления с соответствующей поверхностью, по меньшей мере, одной из двух рабочих поверхностей, а своей радиально дальней, но внутренней частью на противоположной стороне примыкает к неподвижной части конструкции, при этом общая толщина неподвижной части конструкции у внешней части сегментов и по меньшей мере одного кольцевого пластинчатого элемента у его радиально ближней части примерно равна наибольшему расстоянию между рабочими поверхностями и составляет такую величину, что в канавке между втулкой и радиально ближней внутренней частью кольцевого элемента, именно на стороне, противоположной рабочим поверхностям, образован зазор.
Таким образом, все силы, которые могут возникнуть во втулке, будут работать как силы сжатия, приложенные непосредственно к неподвижной части конструкции на одной или на другой стороне, в зависимости от того, где возникает и действует изгибающий момент. Тем самым устраняются все неопределенности, например, в отношении сил растяжения в болтах.
Предпочтительно каждая рабочая поверхность может быть выполнена в виде канавки, или выступающей кромки, или фланца, включающего по меньшей мере одну проходящую, по существу, в радиальном направлении поверхность, представляющую собой рабочую поверхность. Следует понимать, что если имеется выступающая кромка или фланец, то имеется только одна канавка. Альтернативно, могут быть две канавки при отсутствии кромки или фланца, - все зависит от того, что удобнее для конкретного применения. Если имеется кромка или фланец, втулка может быть установлена только в одном направлении.
Предпочтительно, чтобы между выступающей кромкой или фланцем и частью конструкции имелся зазор.
В предпочтительных вариантах осуществления каждый кольцевой пластинчатый элемент сформирован из двух, трех или четырех сегментов, возможно и большее число сегментов.
Далее, каждый кольцевой пластинчатый элемент при определенных условиях может быть прикреплен к неподвижной части конструкции по меньшей мере одним крепежным элементом, например винтами или болтами пальца с гайками, - как правило, в количестве лишь одного или двух элементов на сегмент.
В одном из вариантов осуществления один из кольцевых пластинчатых элементов, т.е. находящийся на одной стороне, может быть радиально заблокирован на неподвижной части конструкции с помощью имеющейся в этой части конструкции канавки, в которую кольцевой элемент вставляется и которая его окружает.
Краткое описание графических материалов
Другие и дальнейшие задачи, особенности и преимущества настоящего изобретения вытекают из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которые даны с целью описания и в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:
на ФИГ.1A показана в аксонометрической проекции трубная втулка, прикрепленная к плоской части согласно настоящему изобретению,
на ФИГ.1B показана горизонтальная проекция той же втулки, которая изображена на ФИГ.1A,
на ФИГ.2A показан поперечный разрез трубной втулки и плоской части по A-A на ФИГ.1B,
на ФИГ.2B показана деталь B, обведенная кружком на ФИГ.2A, и
на ФИГ.3 показан второй вариант осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Обратимся вначале к ФИГ.1A и 1B, схематически изображающим трубную втулку 1, которая прикреплена к части 2 конструкции или удерживается в ней. Для ясности эти части полностью выделены из остальной конструкции, например, соединительного узла на морском дне или аналогичной конструкции, которая не показана на чертежах. Трубная втулка 1 удерживается в части 2 конструкции с помощью кольцевого пластинчатого элемента 3, который здесь изображен составленным из двух отдельных сегментов 3a и 3b с разделительной линией s (разреза) между ними. Маленькие винты 4 удерживают отдельные сегменты 3a и 3b на месте, но помимо этого никакой нагрузки не несут. Альтернативу винтам 4 могут представлять такие крепежные средства, как, например, болты пальца с гайками. Позицией C обозначена центральная линия или ось трубной втулки 1. Центральная ось C существенно перпендикулярна плоскости части 2 конструкции, когда части собраны. Отдельных сегментов 3a, 3b может быть два, три, четыре или больше в зависимости от потребностей в каждом конкретном случае применения.
Опишем теперь устройство более подробно со ссылкой на ФИГ.2A и 2B. ФИГ.2A представляет разрез по A-A на ФИГ.1B. ФИГ.2A и 2B изображают вариант осуществления, в котором втулка 1 выполнена с двумя канавками 5, 5′ в ее внешней поверхности 1a. Каждая канавка 5, 5′ включает одну идущую, если смотреть от центральной оси C, существенно радиально рабочую поверхность. Рабочие поверхности в верхней и нижней половинах обозначены, соответственно, ″A″ и ″B″, но диагонально относительно друг друга (обозначения «Контактная точка A, B» на ФИГ.2A). Символы A и B определенным образом связаны с действующими силами, и это подробнее описано и объяснено ниже в ″теории″ запирающего устройства согласно настоящему изобретению.
Как упоминалось, каждый кольцевой пластинчатый элемент 3 составлен из отдельных сегментов 3a, 3b. Каждый кольцевой пластинчатый элемент 3 в своей радиально ближней, но внешней части 3c выполнен для сцепления или взаимодействия с соответствующей поверхностью, по меньшей мере, одной из двух упомянутых рабочих поверхностей A, B. Далее, каждый кольцевой пластинчатый элемент 3 примыкает своей радиально дальней, но внутренней частью 3d, т.е. на стороне, противоположной рабочим поверхностям A, B, к неподвижной части 2 конструкции.
Для достижения желаемого эффекта от запирающего устройства согласно настоящему изобретению общая толщина неподвижной части 2 конструкции у дальней части 3d кольцевого элемента 3 и по меньшей мере одного кольцевого пластинчатого элемента 3 у его радиально ближней части 3c должна быть примерно равна наибольшему расстоянию между рабочими поверхностями A, B и составлять такую величину, чтобы в канавках 5, 5′ между втулкой 1 и радиально ближней внутренней частью 3e кольцевого элемента 3, т.е. на стороне, противоположной рабочим поверхностям A, B, имелся зазор CL.
Теперь будет объяснена теории запирающего устройства с конкретными ссылками на ФИГ.2A и 2B. Когда втулка 1 подвергается воздействию изгибающего момента, например, как показано толстой черной стрелкой Р, на втулку действуют следующие силы. Если верхняя половина стрелки Р представляет силы сжатия, то нижняя часть стрелки Р будет представлять силы растяжения, и наоборот. Если верхняя половина стрелки Р представляет силы сжатия, это означает, что в верхней контактной точке A силы сжатия передаются от рабочей поверхности A в канавке 5′ в трубной втулке 1 на неподвижную часть 2 конструкции через кольцевой пластинчатый элемент 3 или, точнее, через верхний сегмент 3a′ на этой стороне. В верхней контактной точке B, т.е. на стороне, противоположной A, благодаря наличию зазора CL, нет передачи сил и кольцевой пластинчатый элемент 3, т.е. верхний сегмент 3a на этой стороне, остается существенно ненагруженным.
Это, в свою очередь, приводит, далее, к тому, что в нижней контактной точке A силы сжатия передаются от рабочей поверхности A в канавке 5 в трубной втулке 1 на неподвижную часть 2 конструкции через кольцевой пластинчатый элемент 3, т.е., точнее, через нижний сегмент 3b на этой стороне. В нижней контактной точке B, т.е. на стороне, противоположной A, благодаря наличию зазора CL, нет передачи сил и кольцевой пластинчатый элемент 3, т.е. нижний сегмент 3b′ на этой стороне, остается существенно ненагруженным.
Если главные силы меняют направление, т.е. нижняя часть стрелки Р представляет силы сжатия, распределение сил меняется на обратное тому, которое было объяснено выше. Таким образом, следует подчеркнуть, что независимо от направления сил все нагрузки воспринимаются как силы сжатия. Поэтому можно обойтись без болтов в качестве крепежных средств, и опасности вырыва или растяжения болтов уже нет. Все представимые нагрузки преобразуются в силы сжатия, что является очень значительным усовершенствованием в плане безопасности.
Следует понимать, что на одной стороне один из кольцевых пластинчатых элементов 3 может быть радиально заблокирован в неподвижной части 2 конструкции с помощью выборки в части 2 конструкции радиальной канавки, в которую кольцевой элемент 3 вставляется и которая его окружает. Когда кольцевой элемент 3 на другой стороне поставлен на место, кольцевой элемент 3 на другой стороне уже не сможет выскочить, т.е. выйти из выбранной и окружающей его канавки.
На ФИГ.3 показан второй вариант осуществления настоящего изобретения. Как и ранее, изображенная трубная втулка 10 удерживается в части 20 конструкции и полностью выделена из остальной конструкции, например соединительного узла или аналогичной. Эта конструкция не показана на чертежах. Трубная втулка 10 удерживается в части 20 конструкции с помощью кольцевого пластинчатого элемента 30, который здесь изображен составленным из двух отдельных сегментов 30a и 30b, как и ранее, с разделительной линией между ними. Маленькие винты 40 удерживают отдельные сегменты 30a, 30b на месте, но помимо этого никакой нагрузки не несут. Альтернативу винтам 40 могут представлять другие крепежные средства, например болты пальца с гайками. Позицией CO обозначена центральная линия или ось трубной втулки 10. Центральная ось CO существенно перпендикулярна плоскости части 20 конструкции, когда части собраны. Отдельных сегментов 30a, 30b может быть два, три, четыре или больше, в зависимости от потребностей в каждом конкретном случае применения.
Запирающее устройство в данном случае выполнено так, что каждая рабочая поверхность является частью одной-единственной канавки 50 и одной-единственной выступающей кромки - или фланца 60. Как канавка 50, так и фланец 60 включает свою существенно радиально идущую поверхность, причем сама эта поверхность является рабочей поверхностью.
Следует заметить, что зазор CL′ имеется, во-первых, между внутренней стенкой канавки 50 и внутренней стороной кольцевого элемента 30, и, во-вторых, между выступающей кромкой или фланцем 60 и частью 20 конструкции, даже когда эта часть мала, но достаточна для сборки частей без зажима. В остальном теория аналогична изложенной в связи с ФИГ.2A, с тем отличием, что один кольцевой элемент 3 теперь заменен фланцем или кромкой 60. Использование этого фланца 60 приводит к тому, что втулка 10 может быть установлена в части 20 конструкции только с одной стороны.