СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СОЕДИНЕНИЕ И ТРУБОПРОВОД, ПОЛУЧЕННЫЙ С ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

Полезная модель относится к соединению полимерных труб, армированных металлическим каркасом. Прочность металлического каркаса и химическая стойкость полимерной матрицы позволяет использовать трубопроводы, составленные из полимерных труб, армированных металлическим каркасом, в различных областях народного хозяйства, в частности, для транспортировки нефти и газа, кислот, щелочных продуктов, питьевой и технической воды, а высокая стойкость к абразивному износу позволяет использовать их для транспортировки агрессивных и нейтральных пульп, а также качестве обсадных колонн, например, при подземном выщелачивании породы.
Имеется несколько патентов, принадлежащих ООО «Запсибгазпром», в которых соединение пластмассовых армированных труб осуществляется сваркой встык с последующей стяжкой фланцевых муфт. При этом муфты установлены на резьбе с возможностью осевого перемещения. Однако, указанные муфты являются металлическими. (См. патенты RU 2202727, RU 2217311, RU 33634). Разность величины коэффициента линейного термического расширения материала металлической муфты и полимерного материала матрицы пластмассовой армированной трубы приводит к расслоению указанного соединения, включающего металлическую муфту и металлополимерную трубу, при изменении температуры внешней среды или при изменении температуры продуктов, транспортируемых по трубопроводу.
Для того, чтобы более надежно соединить два конца металлопластовой трубы, необходимо смонтировать на этих концах соединительные элементы, так называемые законцовки - втулки, выполненные из того же материала, что и сама труба, которые охватывают определенную длину от торца трубы, а также закрывают видимые части металлической арматуры, препятствуя тем самым образованию коррозии на армирующих элеменах. Законцовки должны быть жестко закреплены на концах труб, обеспечивая надежное соединение в трубопроводе.
Наиболее близкий аналог заявленного соединительного элемента и соединения металлополимерных армированных труб раскрыт в описании патента RU 2085383 (опубликованного 27.07.1997) на «Способ радиальной сварки трением трубчатых деталей на основе полиолефинов». На чертеже указанного патента показана полимерная законцовка с выступом на тыльной стороне, закрывающим выходы арматуры на трубе. Законцовка имеет резьбу на внешней поверхности, но не имеет резьбы на внутренней поверхности, поскольку ее соединяют с трубой сваркой трением.
На неподвижную трубу с подготовленной контактной поверхностью путем вращательно-поступательного перемещения насаживается законцовка. Данный способ обеспечивает соединение необходимой прочности и герметичности.
Недостатками способа являются высокая трудоемкость и отсутствие возможности использовать его в полевых условиях, непосредственно на трубопроводе, без демонтажа и транспортировки на производственный участок.
Известен трубопровод, выполненный из металлополимерных армированных труб, включающий электромуфтовое соединение труб. Такое соединение требует производства большого количества электромуфт, что усложняет и повышает стоимость трубопровода, затрудняет ремонт трубопровода в полевых условиях и не обеспечивает соединение между полимерными и металлическими трубами.
Предлагаемый соединительный элемент, соединение и трубопровод лишены указанных недостатков.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Заявлен соединительный элемент для металлополимерной армированной трубы, выполненный в виде втулки цилиндрической формы из полимерного материала с кольцевым внутренним выступом на торце. На внутреннюю боковую поверхность втулки нанесена резьба, при этом ширина кольцевого выступа не превышает толщину боковой стенки соединяемой металлополимерной армированной трубы, но выполнена больше глубины залегания армирующих элементов в стенках указанной трубы.
Предпочтительно, на внутреннюю поверхность втулки наносят коническую самоуплотняющуюся резьбу, а внутренний диаметр втулки выбирают меньше внешнего диаметра металлополимерной армированной трубы на высоту зуба резьбы. При этом высоту зуба резьбы выбирают меньше толщины слоя полимера стенки металлополимерной армированной трубы, расположенного над арирующими элементами.
Соединительный элемент выполняют из того же полимерного материала, из которого изготовлена соединяемая металлополимерная армированная труба.
Соединение включает в себя по меньшей мере одну металлополимерную аромированную трубу и соединительный элемент, выполненный в виде втулки цилиндрической формы из полимерного материала с кольцевым внутренним выступом на торце. На внутреннюю поверхность втулки и на внешнюю поверхность металлополимерной аромированной трубы нанесена ответная резьба, так что указанная труба и соединительный элемент могут быть соединены между собой резьбовым соединением, при этом кольцевой выступ соединительного элемента плотно закрывает видимые части металлической арматуры на торце металлополимерной армированной трубы, а высота зуба резьбового соединения меньше толщины внешнего слоя полимера стенки металлополимерной армированной трубы.
Полученное соединение может быть использовано в различных вариантах для непосредственной связи соседних труб в трубопроводе.
Наиболее простой вариант - это фланцевое соединение. Для его получения на наружной стенке соединительного элемента выполняют проточку с фаской под размещение фланца, выполненного в форме кольца с отверстиями, расположенными по окружности.
Более надежным вариантом является муфтовое соединение. Для его получения на наружной поверхности втулки соединительного элемента выполняют резьбу под муфту, в качестве которой используется отрезок металлополимерной армированной трубы большего диаметра, выполненный из того же полимерного материала, что и соединяемая труба, при этом на внутренней поверхности муфты с двух сторон нанесена резьба, соответствующая резьбе на наружной поверхности втулки. Предпочтительно на наружной поверхности втулки соединительного элемента выполнена цилиндрическая резьба, а к торцам соединительной муфты приварены кольца для защиты металлического каркаса, выполненные из того же полимерного материала, что и муфта.
Трубопровод, смонтированный с использованием заявленных соединительных элементов, включает в себя соединение металлополимерных армированных труб. Указанное соединение выполнено с использованием размещенных на резьбе на концах труб соединительных элементов, каждый из которых выполнен в виде втулки цилиндрической формы из полимерного материала с внутренним кольцевым выступом, закрывающим видимые части металлической арматуры на торце металлополимерной армированной трубы, при этом высота зуба резьбового соединения меньше толщины внешнего слоя полимера в стенке металлополимерной армированной трубы, покрывающего армирующий каркас.
Трубопровод в соответствии с заявленной полезной моделью содержит разъемное (резьбовое) или неразъемное (сварное) соединение двух или более металлополимерных армированных труб.
Для получения трубопровода, содержащего сварное соединение по меньшей мере двух металлополимерных армированных труб, использованы установленные на концах труб соединительные элементы, при этом трубы расположены встык торцами соединительных элементов с возможностью одновременного нагрева этих торцов нагревателем, типа «утюг», размещенного между ними и последующего удаления нагревателя, после чего сжатием труб путем поступательного движения во встречном направлении получено сварное соединение.
Для укрепления сварного соединения трубопровода на внешней стенке соединительных элементов может быть выполнена проточка с фаской для размещения фланцев, которые имеют форму кольца с отверстиями, расположенными по окружности, на внутренней поверхности фланцев выполнена ответная коническая поверхность с углом, соответствующим углу фаски на соединительном элементе, при этом соединение труб, оборудованных фланцами, производится при помощи стяжки фланцев шпильками или болтами с гайками.
В другом варианте для укрепления сварного соединения трубопровода можно использовать муфту. Соединение по меньшей мере двух металлополимерных армированных труб с установленными на торцах соединительными элементами выполняют сваркой встык, при этом на наружной поверхности втулок указанных соединительных элементов нарезана резьба, а в качестве соединительной муфты использован отрезок металлополимерной армированной трубы большего, чем у соединяемых труб диаметра. На внутренней поверхности муфты с двух сторон нанесена ответная резьба, соответствующая резьбе на наружной поверхности втулок, позволяющая осуществить резьбовое муфтовое упрочнение сварного соединения металлополимерных армированных труб.
Трубопровод в соответствии с заявленной полезной моделью может содержать разъемное соединение металлополимерных армированных труб, для получения которого также использованы установленные на концах труб на резьбе соединительные элементы, при этом на торцах соединительных элементов выполнены кольцевые пазы, в которых размещены уплотнения, на внешней стенке соединительных элементов выполнены проточки и размещены фланцы с отверстиями, соединяемые трубы расположены встык торцами соединительных элементов с возможностью стяжки фланцев шпильками или болтами с гайками.
В другом варианте разъемное труб в заявленном трубопроводе можно осуществить при помощи муфты. Муфтовое соединение по меньшей мере двух металлополимерных армированных труб с установленными на концах труб на резьбе соединительными элементами выполняется следующим образом. На наружной поверхности втулок соединительных элементов дополнительно нарезана резьба под муфту, в качестве муфты может быть использован отрезок металлополимерной армированной трубы большего, чем у соединяемых труб диаметра, при этом на внутренней поверхности муфты с двух сторон нанесена ответная резьба, позволяющая осуществить навинчивание муфты на втулки соединительных элементов и соединение труб соответственно.
Муфта, выполненная в виде отрезка металлополимерной армированной трубы, должна содержать защитные полимерные кольца, закрывающие арматуру на торцах.
При выполнении муфтового соединения трубопровода на наружной поверхности втулок соединительных элементов может быть нарезана, например, цилиндрическая резьба. В этом случае трубопровод содержит в указанном соединении уплотнительное кольцо, расположенное между торцами соединительных элементов.
В другом варианте на наружной поверхности втулок соединительных элементов может быть нарезана коническая самоуплотняющаяся резьба. В этом случае не требуется размещение уплотнительного кольца между торцами соединительных элементов.
Трубопровод может содержать разъемное соединение металлической трубы и металлополимерной армированной трубы с установленным на конце трубы на резьбе соединительным элементом, при этом наружная поверхность втулки соединительного элемента имеет коническую фаску под посадочную поверхность дополнительной металлической втулки, охватывающей с внешней стороны указанный соединительный элемент, на внешнюю поверхность дополнительной металлической втулки нанесена резьба, а ответная резьба нанесена на переходную гильзу, в которую вставляется подсоединяемая к трубопроводу металлическая труба и закрепляется в гильзе, например, сваркой.
Полезная модель иллюстрируется фигурами 1-6.
На фигуре 1 показан заявленный соединительный элемент и его размещение на конце металлополимерной армированной трубы.
На фигуре 2 показано сварное соединение металлополимерных армированных труб в трубопроводе
На фигуре 3 показано сварное соединение металлополимерных армированных труб в трубопроводе, упрочненное армированной металлополимерной муфтой.
На фигуре 4 показано разъемное фланцевое соединение металлополимерных армированных труб.
На фигуре 5 показано разъемное муфтовое соединение металлополимерных армированных труб.
На фигуре 6 показан переход па металлическую трубу.
Как показано на фиг.1 для того, чтобы соединить два конца металлополимерной армированной трубы, необходимо смонтировать на конце трубы 1 так называемые законцовки, то есть соединительные элементы 2, выполненные в форме втулки, в из того же полимерного материала, что и сама труба, которые охватывают определенную длину от торца трубы, а также закрывают видимые части металлической арматуры 3, препятствуя тем самым образованию на арматуре коррозии. Соединительный элемент, соответствующий заявленной полезной модели, может быть изготовлен литьем заготовок в термопласт автоматах. При этом заготовка имеет определенные припуски и технологические элементы, которые в последующей обработке снимаются и заготовке придается окончательный вид цилиндрической втулки с выступом по внутреннему диаметру.
В другом варианте заготовка для изготовления соединительного элемента может быть получена методом экструзии в виде однокомпонентной полимерной трубы, затем труба нарезается на части, после этого из каждого отрезка посредством обработки резанием на станках получается соединительный элемент - законцовка, форма которой показана на фиг.1.
Материал для изготовления соединительного элемента - это свариваемый полимер. Предпочтительно использовать тот же полимер, что и на производство соединяемых труб, чтобы не было проблемы с различными коэффициентами термического расширения. Однако, для соединения труб из разных полимеров, материал законцовки подбирается с учетом оптимального сочетания использованных материалов.
Соединительные элементы 2, выполняются неармированными, они должны быть жестко закреплены на концах труб, обеспечивая надежное соединение в трубопроводе. Для этого на верхнюю полимерную периферию конца трубы нарезается резьба 4, с шагом, высотой зуба и углом захода, позволяющими избежать после обработки проявления на поверхности элементов армирующего каркаса. Устройство для нарезания резьбы может включать в себя плашку 5 с рукоятками и направляющей, или, в случае механизации процесса, установку с приводом для вращения и перемещения плашки и направляющие. После того, как резьба нарезана, на трубу навинчивают соединительный элемент 2, у которого на внутренней контактной поверхности уже имеется резьба 6, с параметрами соответствующими резьбе па трубе. Процесс ремонта трубопровода с использованием завленных соединительных элементов может осуществляться в полевых условиях, так как для этого не нужно демонтировать подлежащую ремонту трубу и не требуется специального дополнительного оборудования.
На фиг.1 представлены по порядку слева направо: конец трубы 1 с нарезанной резьбой 4, соединительный элемент 2 с ответной резьбой 6, готовое соединение 7, плашка 5.
Необходимо отметить, что соединительный элемент 2 возможно использовать не только на металлополимерных армированных трубах, состоящих из полимерного тела и проволочного армирующего каркаса, но также можно использовать для соединения в трубопровод металлополимерных армированных труб и труб из стеклопластика, а также других труб, состоящих, преимущественно, из пластических материалов, например, труб, выполненных из полимера, армированного металлической фольгой, и/или труб, выполненных из полимера, армированного металлической лентой, и/или труб, выполненных из неармированного полимера, кроме того заявленный соединительный элемент 2 можно использовать для перехода в трубопроводе от полимерных труб на металлические трубы.
Возможности осуществления полезной модели показаны на примерах.
Пример 1.
В примере показано сварное неразъемное соединение металлополимерных армированных труб и возможность его упрочнения муфтой.
На фиг.2 представлено сварное соединение металлополимерных армированных труб. Для сварного соединения труб 8 и 9 со смонтированными на них на резьбе 10 соединительными элементами 11 и 12 применяется нагревательный «утюг» (на чертеже не показан). Его размещают так, чтобы он оказался между торцами соединительных элементов 11 и 12, зажимают «утюг» трубами 8 и 9 с определенным усилием, после чего производят одновременный нагрев торцов. При достижении необходимого нагрева обоих торцов трубы 8 и 9 разводят на незначительное расстояние, утюг вынимают. Затем обе трубы при помощи приложенного к ним по направлению друг к другу усилия сжимают, получая сварной шов 13. После того, как соединение приобретет температуру окружающей среды, его можно использовать.
Долговременная стойкость полиэтиленовой армированной трубы, изготовленной со стыковым сварным соединением, при испытании с напряжениями в стенке 6 МПа и температуре +80°С составляет не менее 1000 часов; при напряжениях 13,4 МПа - не менее 170 часов; а при напряжениях 19 МПа - не менее 100 часов.
На фигуре 3 показано сварное соединение металлополимерных армированных труб в трубопроводе, упрочненное армированной металлополимерной муфтой.
Этот вариант соединения позволяет соединять трубы больших диаметров (от 275 мм), благодаря применению одновременно сварного и резьбового соединения. Такой способ наиболее эффективен в трубопроводах и колоннах обсадных труб больших диаметров ввиду того, что при увеличении наружного диаметра труб увеличивается нагрузка на соединение.
После того как на трубах 8 и 9 смонтированы законцовки, т.е. - соединительные элементы 11 и 12, производят сварку по торцам соединительных элементов 11 и 12 при помощи нагревательного утюга с получением сварного шва 13. На наружную поверхность сваренных соединительных элементов 11 и 12 нарезается резьба 14. Следующий этап - навинчивание соединительной муфты 15. При этом в качестве муфты 15 может быть использован отрезок металлополимерной армированной трубы большего, чем у соединяемых труб 8 и 9 диаметра, при этом на внутренней поверхности муфты 15 с двух сторон нанесена ответная резьба, позволяющая осуществить навинчивание муфты на втулки соединительных элементов 11 и 12 и для укрепления сварного соединения труб 8 и 9. Для защиты от коррозии муфта 15, выполненная в виде отрезка металлополимерной армированной трубы, должна содержать защитные полимерные кольца 16, закрывающие арматуру на торцах.
Пример 2
В примере показано фланцевое разъемное соединение металлополимерных армированных труб 17 и 18, выполненное с использованием заявленных соединительных элементов 19 и 20.
Соединительные элементы 19 и 20 обрабатывают для размещения фланцев 21 и 22, как показано на фиг.4. Фланец 21 и 22 представляет из себя кольцо с отверстиями, расположенными по окружности. По внутренней стороне каждого фланца выполнена коническая поверхность 23 с углом, соответствующим углу фаски на внешней стороне соединительного элемента в его задней части.
Соединение двух труб 17 и 18, оборудованных фланцами 21 и 22, производится при помощи шпилек 24 и гаек 25. Для уплотнения фланцевого соединения труб используются прокладки 26, размещенные в кольцевых проточках, выполненных по торцу соединительных элементов 19 и 20.
Пример 3.
В примере показано муфтовое разъемное соединение металлополимерных армированных труб 17 и 18, выполненное с использованием заявленных соединительных элементов 19 и 20.
На наружной поверхности соединительных элементов 19 и 20 нарезана цилиндрическая резьба 27. В качестве соединительной муфты 15 используется отрезок металлополимерной армированной труба большего, чем у соединяемых труб 17 и 18 диаметра. С торцов металлический каркас муфты 15 защищен приваренными кольцами 28, выполненными из того же полимерного материала, что и муфта 15. На внутренней поверхности муфты 15 с двух сторон имеется ответная резьба, соответствующая резьбе 27 на наружной поверхности соединительных элементов 19 и 20.
Присутствующее в соединении полимерное кольцо 29, выполняющее роль уплотнителя, также позволяет устранить карманы в продольном сечении потока при использовании трубопровода.
В другом варианте выполнения данного соединения при использовании конической самоуплотняющейся резьбы вместо цилиндрической резьбы в муфтовом соединении, полимерное кольцо 29 не устанавливается.
Пример 4
Пример показывает использование заявленного соединительного элемента 30, закрепленного резьбовым соединением 10 на металлополимерной армированной трубе 31 при переходе от нее на металлическую трубу 32.
Задняя часть 33 соединительного элемента 30 обрабатывается фаской под коническую посадочную поверхность металлической втулки 34, охватывающей по внешней периферии соединительный элемент 30 и посаженной на него с натягом. Металлическая гильза 35 навинчивается на втулку 34 до упора. После монтажа втулки 34 и гильзы 35 производится сваривание гильзы 35 и металлической трубы 32 по наружному контуру. Внутренний диаметр гильзы 35 выполнен с зазором по наружному диаметру металлической трубы 32.
В другом варианте соединительный элемент 30 втулка 34 закрепляются между собой на резьбе.
Приведенные примеры, однако, не исчерпывают возможные варианты воплощения полезной модели.
Дополнительно отметим, что заявленный соединительный элемент, преимущественно, может найти применение при соединении трубопровода из металлополимерных армированных труб, изготовленных методом непрерывного экструзионного формования, полученных с последующим интенсивным охлаждением. Быстрое охлаждение позволяет формировать структуру полимерной матрицы армированной трубы с большим содержанием аморфной фазы, в результате чего долговременная прочность трубы при циклических изменениях температуры от -40°С до +80°С превышает 1200 циклов. Кроме того, высокая прочность данной трубы гарантируется повышенной прочностью сварного армирующего каркаса из стальной проволоки. В качестве элементов поперечной и продольной арматуры при получении труб и армированных муфт, преимущественно, используют стальную проволоку (Ст.3) круглого сечения диаметром 3 мм.
Размерный диапазон металлополимерной армированной трубы, используемой для монтажа трубопроводов в соответствии с заявленной полезной моделью, составляет по наружному диаметру от 50 мм до 1000 мм с шагом 1 мм (на диаметр). Заявленный соединительный элемент изготавливается в том же диапазоне при соответствии их внутреннего диаметра внешнему диаметру соединяемых труб с учетом допусков и посадок.
Высокие показатели качества металлополимерной армированной трубы по прочности, износостойкости и коррозионной стойкости позволяют успешно использовать трубопроводы, смонтированные из данного вида труб, в следующих вариантах применения:
- для создания газопровода или газораспределительной сети,
- для строительства нефтепровода или нефтепродуктовода,
- для строительства технологического трубопровода для транспортирования воды, воздуха, газа, кислот, щелочей, винилацетата, сухих взвесей, сыпучих продуктов и пульп,
- для строительства промыслового трубопровода,
- для создания водопровода,
- для строительства канализации,
- для строительства обсадного трубопровода.
Полученные, как описано выше, трубопроводы, составленные из металлополимерных армированных труб с использованием заявленных соединений показали высокую стойкость к воздействию коррозионноактивных агентов природного и промышленного происхождения типа сернистого газа с концентрацией от 20 до 250 мг/л в сутки, хлоридов с концентрацией менее 0,3 мг/л в сутки, различных кислот и щелочей, а также к воздействию морской воды и почвенно-коррозионной среды.
2
7
6
5
Трубопроводы, смонтированные с использованием заявленных соединений из металлополимерных армированных труб с толщиной стенки 11,0÷12,5 мм, характеризуются рабочим давлением 40 Атм, температурным режимом эксплуатации в интервале от -50 до +95°С, ударной вязкостью па уровне 427,4 кДж/м, коэффициентом усталости не менее 0,46×10 циклов, количеством циклических нагрузок при 0,4 МПа с частотой 25 Гц не менее 3×10 циклов, коэффициентом термического расширения 2×10, герметичностью при постоянном давлении в течение часа не менее 5÷10 МПа (в зависимости от диаметра трубы) и запасом прочности от 2 до 4,75 (в зависимости от диаметра трубы в диапазоне 95÷225 мм).