МЕХАНИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
MECHANICAL CONNECTION OF LARGE DIAMETER PIPES

Предлагаемое изобретение относится к устройству механического соединения трубопроводных систем и может быть использовано в соединении труб различных трубопроводов большого диаметра для транспортировки воды, нефти, природного газа, других жидкостей и газов в нефтегазодобывающей, нефтегазоперерабатывающей, химической, металлургической промышленности, в судостроении, в промышленном строительстве и других областях.
Известны многочисленные традиционные способы соединения труб большого диаметра, в основном, с использованием стыковых сварных соединений, а также фланцевых механических соединений с трубной арматурой, насосами и другим оборудованием. Однако для осуществления соединения труб стыковой сваркой требуется сложное, дорогостоящее оборудование и длительный процесс самой сварочной операции. При этом весьма проблематичным является выполнение в экстремальных температурных условиях высококачественной сварки стыков труб, зачистки внутренних усилений сварных швов и обеспечения должной коррозионной стойкости зоны сварных соединений в процессе последующей эксплуатации трубопроводов. Кроме того, процесс сварки труб большого диаметра значительно усложняется при плохой погоде в полевых условиях, при морских прокладках и при сложных сварочных операциях под водой.
Известен также наиболее близкий аналог механического соединения труб с наружными конусными участками, одной ниппельной втулки, плотно прилегающей двумя конусными поверхностями к внутренним конусным поверхностям концевых участков труб посредством их стягивания в осевом направлении посредством фланцев, болтов, гаек и шайб, примененной в жесткой муфте топливопровода (US 2985466 А, 23.05.1961). Конструктивное отличие стягивающего узла указанного соединения заключается в необходимости установки фланцев на концевые участки труб до их развальцовки, что ограничивает возможность использования такого нетехнологичного соединения для трубопроводов больших диаметров до 800 мм и более.
Задачей изобретения является создание универсального технологичного устройства для надежного и долговечного механического соединения труб большого диаметра, с предварительно сформированными конусными частями на концевых участках труб, обеспечивающего ускоренную прокладку трубопроводов без использования стыковой сварки труб. Предполагается, что такое устройство должно выполнять следующие исходные требования:
- механическое трубное соединение, не уступающее по основным эксплуатационным свойствам сварному соединению;
- сохранение в соединении полноразмерного гладкого проходного сечения труб без сужений, уступов и внутренних выступающих частей;
- обеспечение простой и быстрой центровки труб при их соединении;
- широкий диапазон допустимого рабочего давления до 250 бар и более;
- неограниченный диапазон толщин стенок труб;
- широкий диапазон наружных диаметров труб от 200 до 800 мм и более;
- допустимый диапазон температур, превышающих температуру трубопровода;
- срок службы соединения, превышающий срок службы трубопровода;
- возможность повторного использования деталей соединения при замене труб;
- использование универсального соединения для труб из углеродистой, высоколегированной и нержавеющей стали, цветных, алюминиевых и титановых сплавов, а также труб из армированного пластика и металлопластов.
Поставленная задача решается тем, что трубное соединение осуществляется механическим устройством за счет сдавливания и равномерного двухстороннего обжима конусных частей стенок труб (1 и 6) с помощью конусной ниппельной втулки (3), двух охватывающих, разъемных, многозвенных пластинчатых цепей (2) и (5), а также стягивающих шпилек (4), гаек (7) и шайб (8), которые обеспечивают конструктивное единство и прочность соединения, а количество и размер шпилек зависит от диаметра трубопровода и необходимой прочности соединения.
При этом удлиненные шпильки являются осями звеньев цепей и упругими тягами, создающими при затяжке гаек постоянное сдавливание всех конусных поверхностей. Для обеспечения равномерного обжатия соединения внутренние поверхности цепей и наружные поверхности труб имеют одинаковую конусность. Уплотнение в соединении осуществляется по внутренним конусным поверхностям труб и конусным поверхностям ниппельной втулки после их стягивания и обжима, а непроницаемость обеспечивается их плотным прилеганием за счет соответствующей обработки конусных поверхностей.
Для особо прочных толстостенных металлических труб их концевые конусные участки могут быть приварными, с удалением усилений сварных швов внутри трубы зачисткой и шлифовкой до полного проходного сечения трубопровода. Во всем остальном конструкция такого соединения труб полностью сохраняется без изменений, как для труб с развальцованными конусными частями.
Для осуществления такелажных работ при прокладке трубопровода, упрощения сборки соединения или обеспечения его демонтажа в средней части ниппельной втулки имеется поперечная кольцевая канавка и продольные проточки, расположенные в шахматном порядке.
Важным обстоятельством является то, что на основе предлагаемого механического трубного соединения может быть создан вариант с торцевым уплотнением, что позволит присоединяться к традиционным фланцевым соединениям забойных участков трубопроводов, к существующей трубной арматуре и другому оборудованию при сохранении всех выше перечисленных исходных требований к новому типу соединения.
Учитывая уникальность указанного соединения, предлагается дать наименование новому типу соединения - цепное механическое соединение труб большого диаметра.
Принципиальная конструкция устройства цепного механического соединения для труб большого диаметра показана на прилагаемых фигурах:
- общий вид соединения труб на фиг. 1;
- соединение труб с развальцованными конусными частями на фиг. 2;
- соединение труб с приварными конусными частями на фиг. 3;
- соединение легких труб, усиленных армированным пластиком на фиг. 4.
На представленных фигурах 1-4 полностью раскрыта общая идея конструкции устройства, предлагаемого трубного соединения, его особенность и техническая новизна.
Предложенная конструкция устройства цепного механического соединения труб большого диаметра обеспечивает выполнение всех, выше перечисленных, исходных требований, а анализ возможности ее использования дает следующие очевидные технологические и эксплуатационные преимущества по сравнению с традиционным соединением таких трубопроводов сваркой:
- простота соединения за счет самоцентровки и плотной фиксации труб;
- быстрая, точная и качественная сборка трубных соединений;
- возможность многократного монтажа и демонтажа соединения;
- возможность полного демонтажа соединения для ремонта или замены труб;
- возможность соединения труб из разнородных материалов;
- соединение труб с разной толщиной стенок, с сохранением проходного сечения;
- возможность создания высокопрочного неразъемного соединения труб;
- полная сохранность внутренних и наружных покрытий труб после соединения;
- высокая коррозионная стойкость труб в соединении;
- повышение плотности соединения при увеличении давления в трубопроводе;
- визуальное удобство контроля непроницаемости трубных соединений;
- высокая производительность сборки и испытания трубопроводов;
- защищенность от повреждений внутренних уплотняющих поверхностей труб при их хранении, транспортировке и сборке трубопроводов в сложных условиях.
Важным преимуществом предложенной конструкции устройства является и то, что все детали соединения изготавливаются и полностью собираются в стационарных цеховых условиях. Это обеспечит минимальное время сборки, высокую точность и качество соединения труб в сложных погодных условиях в траншеях, на эстакадах, в стесненных туннелях и отсеках судов, а также под водой. Предполагается, что после разработки чертежей, изготовления опытных образцов и проведения всех необходимых испытаний, уточнения типоразмерного ряда, окончательного выбора материалов деталей устройства, отработки всей технологической цепочки обработки сопрягаемых конусных поверхностей, сборки цепного механического соединения и монтажа трубопровода будет сформулирована и подана новая заявка с потенциальным Инвестором на оформление международного патента.