КОРПУС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH PRESSURE HOUSING

Изобретение относится к несущим корпусным конструкциям, функционирующим в условиях знакопеременных осевых нагрузок, крутящих и изгибающих моментов, а также высокого внутреннего и/или внешнего давления, которые могут быть использованы в нефтегазодобывающей промышленности в устройствах для геофизических исследований скважин, а также при создании сосудов высокого давления, например газотопливных баллонов.
Из уровня техники известен корпус для высокого давления из композиционного материала по патенту РФ №2205325 (опубл. 2003.05.27), содержащий силовую оболочку из полимерного композиционного материала, соединенную с металлическими элементами конструкции (фланцами).
Известный корпус предназначен для использования его в качестве несущей конструкции при действии высоких, но именно внутренних давлений. Конструктивные особенности внешнего абриса силовой оболочки и узла соединения оболочки с фланцами даже при наличии защитного слоя не позволяют использовать известный корпус в условиях действия осевых знакопеременных нагрузок, крутящего и изгибающего моментов, так как они приведут к потере конструктивной целостности корпуса. Таким образом, известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности и узкий диапазон областей применения.
Известен корпус баллона высокого давления по патенту РФ №2118745 (опубл. 10.09.98), содержащий силовую оболочку из полимерного композиционного материала, скрепленную с металлическими элементами конструкции посредством ленточной резьбы.
Известный корпус обеспечивает высокую прочность и эксплуатационную надежность только при использовании в условиях именно внутреннего давления. При нагружении внешним давлением произойдет нарушение целостности конструкции в месте сопряжения внутренней поверхности металлических элементов с внешней поверхностью силовой оболочки, а при восприятии осевой нагрузки, крутящего и изгибающего моментов вкупе с внутренним давлением потребуется удвоение длины ленточной резьбы, что сделает ее неэффективной и будет явно недостаточно для сохранения работоспособности конструкции в целом. Следовательно, известное устройство имеет ограничения по воспринимаемым нагрузкам.
Известен корпус высокого давления по патенту РФ №2231091 (опубл. 20.06.2004), принятый за прототип, содержащий соединенные между собой силовую оболочку из полимерного композиционного материала и металлические переходники, имеющие конусообразную часть.
Известный корпус предназначен для геофизических приборов и работоспособен в условиях внешнего и внутреннего давления текучей среды, но к восприятию дополнительных внешних нагрузок (растягивающие и сжимающие силы, крутящий и изгибающий моменты, возникающие при эксплуатации в искривленных скважинах) известная конструкция не приспособлена. Переходники контактируют только одной, наружной поверхностью с силовой оболочкой, поэтому знакопеременные осевые нагрузки конструкция по прототипу не выдержит. Таким образом, известный корпус имеет ограниченные функциональные возможности и узкий диапазон областей применения, недостаточную эксплуатационную надежность.
Задачей заявляемого изобретения является создание корпуса высокого давления, сохраняющего надежную работоспособность при одновременном восприятии знакопеременных осевых нагрузок и внешнего и/или внутреннего давления, включая нагрузки от текучей среды, путем минимизации возможности возникновения концентраторов напряжений за счет реализации условий по обеспечению стабильности геометрических характеристик конструкции в пределах между внешней и внутренней поверхностями оболочки и достижению постоянства внутреннего диаметра корпуса по всей длине.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией корпуса высокого давления, содержащего соединенные между собой силовую оболочку из полимерного композиционного материала и металлические переходники, имеющие конусообразную часть. Особенность заключается в том, что силовая оболочка выполнена двухслойной, каждый переходник заформован конусообразной частью между слоями оболочки, внутренняя поверхность заформованной части каждого переходника оснащена ленточной резьбой, посредством которой каждый переходник соединен с резьбовым участком внутреннего слоя оболочки, а внешняя поверхность заформованной части каждого переходника представляет собой чередующиеся кольцевые канавки и выступы, причем внутренняя поверхность незаформованной части каждого переходника и внутренняя поверхность силовой оболочки имеют общую образующую, а концевые зоны заформованной части каждого переходника загерметизированы эластичными уплотняющими элементами в форме полого цилиндра прямоугольного или овального сечения.
В частности, шаг резьбы составляет 0,06-0,12 внутреннего диаметра оболочки, глубина витка резьбы составляет 0,1-0,2 толщины внутреннего слоя оболочки по его основной длине, отношение ширины витка резьбы каждого переходника и ширины витка резьбы внутреннего слоя оболочки составляет 1,1-1,6 отношения величины прочности на срез материала внутреннего слоя оболочки и величины прочности на срез материала переходника.
В частности, ширина кольцевых канавок внешней поверхности заформованной части переходника составляет 0,1-0,2 внутреннего диаметра внешнего слоя оболочки по его основной длине, а высота кольцевых выступов составляет 0,1-0,2 толщины внешнего слоя оболочки по его основной длине.
В частности, между резьбовыми поверхностями каждого переходника и внутреннего слоя оболочки размещен адгезив.
Предлагаемый корпус высокого давления отличается от прототипа двухслойной силовой оболочкой и неразъемной конструкцией; постоянным внутренним диаметром; увеличенной зоной контакта каждого переходника с силовой оболочкой; иным выполнением герметизирующих элементов и иным их размещением - внутри внешнего слоя оболочки (в прототипе: между каждым из переходников и внутренней дополнительной несиловой оболочкой).
Заявляемый корпус иллюстрируется графическими изображениями:
Фиг.1 - продольный разрез корпуса;
Фиг.2 - узел А на Фиг.1.
Корпус высокого давления содержит силовую оболочку, имеющую внешний 1 и внутренний 2 слои, переходники 3, 4, эластичные уплотняющие элементы 5, 6.
Пример конкретного выполнения корпуса высокого давления.
Внешний 1 и внутренний 2 слои силовой оболочки выполняют из полимерного композиционного материала, например стеклопластика, базальтопластика, углепластика. Каждый из переходников 3, 4, выполненных, например, из стали (40Х13, 30ХГСА, 40Х), или титанового сплава (ВТ-6 или В-14), или бронзы (БрА Мц-9-1), навинчивают на предварительно изготовленный внутренний слой 2 силовой оболочки, с нарезанной на его концах по наружной поверхности ленточной резьбой расчетной длины. Между резьбовыми поверхностями каждого переходника 3, 4 и внутреннего слоя 2 силовой оболочки, в частных случаях использования, может быть размещен адгезив. В качестве адгезива используется, например, эпоксидный компаунд типа К-153 или К-176 или герметик силиконовый. Стык каждого из переходников 3, 4 и внутреннего слоя 2 силовой оболочки перекрывают эластичными уплотняющими элементами 6 в форме полого цилиндра, например, из резины или синтетического каучука. Далее производят намотку внешнего слоя 1 силовой оболочки, с замоткой снаружи уплотняющих элементов 5, образуя единую конструкцию. Полученная в совокупности конструкция обеспечивает надежное соединение элементов, выполненных из разных материалов, гарантируя безаварийную работу заявляемого корпуса при экстремальных нагрузках.
Были проведены всесторонние испытания предложенной конструкции корпуса, имеющего следующие габариты: внутренний диаметр 50 мм, внешний диаметр 102 мм, длина 2980 мм. Испытания показали практическую реализуемость заявленного технического решения и работоспособность корпуса при воздействии внешнего давления - 80 МПа, внутреннего - 45 МПа, крутящего момента 45000 кН·м, растягивающих и сжимающих нагрузок - 15000000 кН, воздействующих в различных сочетаниях. Испытания изделий, нагружаемых только внутренним давлением (баллоны), показали работоспособность заявляемой конструкции при высоких давлениях (рабочее - 50 МПа, испытательное - 75 МПа).