КОМПОЗИТНЫЙ КОМПЕНСАТОР СДВИГОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области трубопроводного транспорта, в частности к компенсаторам сдвиговых перемещений трубопроводов, работающих в режиме постоянного или переменного нагружения, в широком диапазоне параметров рабочего тела (газ, нефть, вода и др.)
Известны компенсаторы для сдвиговых перемещений трубопровода, содержащие наконечники, сильфон, внешний и внутренний защитные кожухи (см. патент РФ №176998 ПМ, опубл. 06.02.2018 г, №187352 ПМ, опубл. 01.03.2019 г.).
Техническое решение по патенту №187352 выбрано в качестве ближайшего аналога полезной модели.
Данный компенсатор сдвиговых перемещений трубопровода содержит концевые наконечники и расположенные между ними выполненные из композиционных материалов сильфон, внешний защитный кожух и внутренний защитный экран, противолежащие концы гофр сильфона герметично соединены с наконечниками.
Внутренний защитный экран выполнен в виде трубы и обеспечивает направленное движение транспортируемой среды в трубопроводе, защищает сильфон от попадания в пространство между гофрами сильфона твердых веществ, что увеличивает срок службы компенсатора. Для защиты сильфона от внешних механических повреждений применяется внешний защитный кожух.
Однако данный компенсатор может быть использован только при существенно ограниченном диапазоне компенсации (допустимом диапазоне растяжения-сжатия) не может быть использован в магистральных трубопроводах при высоких давлениях и значительном диапазоне компенсаций (растяжение, сжатие), т.к. ограниченность зазоров между внутренним защитным экраном и наружным защитным кожухом может привести к риску повреждений гофр сильфона.
Техническим результатом полезной модели является создание компенсатора сдвиговых перемещений трубопроводов, имеющего высокую эксплуатационную надежность при значительном диапазоне компенсаций, характерных для магистральных трубопроводов.
Для решения поставленного технического результата предлагается компенсатор для сдвиговых перемещений трубопровода, содержащий стальные соединительные элементы и сильфон из композиционных материалов в составе: силовой каркас, внешний защитный кожух и внутренний химстойкий лейнер, при этом в противолежащие концы сильфона герметично заделаны стальные соединительные элементы, при этом согласно полезной модели, обращенная от рабочей среды поверхность внутреннего лейнера имеет равномерно распределенные по ее длине волнообразные утолщения и при этом жестко сопряжена с гофрированной поверхностью силового каркаса, слои которого повторяют поверхность утолщений, внешний защитный кожух жестко сопряжен с концевыми наконечниками, имеет волнообразную поверхность, охватывающую соответствующую поверхность гофр силового каркаса и сопряжен с ним, при этом силовой каркас, внешний защитный кожух и внутренний химстойкий лейнер при их сопряжении выполнены в виде разнотолщинной многослойной трубы, изготовленной методом послойной кольцевой намотки арамидных волокон с пропиткой полимерным связующим, длина внутреннего химстойкого лейнера равна заданному рабочему расстоянию между встречно ориентированными торцами концевых стальных наконечников.
Согласно полезной модели, соединение каждого конца сильфона на соответствующем наконечнике выполнено в виде зубчатого зацепления и фиксирующей пластины, соединенной с наконечником и имеющей с наружной стороны зубчатое зацепление для соответствующей консоли слоя композитного материала внешнего защитного кожуха.
Согласно полезной модели, в качестве полимерного связующего используют уретановые композиции.
Реализованное в полезной модели конструктивное исполнение композитного компенсатора сдвиговых перемещений трубопроводов в виде единой герметично охватывающей концевые наконечники многослойной трубы с армирующим контуром стойким к абразивному износу, химической и биологической коррозии и обладающей повышенной прочностью к внутреннему давлению рабочего тела при сохранении гибкости и упругости в осевом и сдвиговом/изгибном направлениях.
Анализ известного уровня техники в целом показал, что предлагаемая в полезной модели совокупность конструктивных признаков компенсатора и используемых для его изготовления материалы, их взаимосвязь не известны из уровня техники, и соответствуют критериям полезной модели «новизна» и «промышленная применимость», что подтверждается нижеприведенным описанием.
Полезная модель поясняется графическими материалами, где на:
рис. 1 показан композитный компенсатор сдвиговых перемещений трубопроводов (поперечное сечение);
рис. 2 -  то же, что на рис. 1 фрагмент А;
рис. 3 - то же, что на рис. 1 фрагмент Б.
Композитный компенсатор сдвиговых перемещений трубопроводов, работающих в режиме постоянного и переменного нагружения, содержит концевые наконечники 1 и выполненные из композиционных материалов силовой каркас 2, внешний защитный кожух 3 и внутренний химстойкий лейнер 4.
Концевые наконечники 1 выполнены из металла и предназначены для стыковки, предпочтительно с использованием сварки, с существующими магистральными газо- нефтепроводами или другими трубопроводными системами (не показано).
Внутренний химстойкий лейнер 4 обеспечивает направленное движение транспортируемой среды в трубопроводе, защищает силовой каркас 2 от различных веществ. Внешний защитный кожух 3 обеспечивает защиту силового каркаса 2 от внешних воздействующих факторов (УФ-излучение, вода, биологические повреждения и так далее).
Обращенная к гофрам силового каркаса 2 поверхность внутреннего химстойкого лейнера 4 имеет равномерно распределенные по ее длине волнообразные утолщения 5, жестко сопряжена с гофрированной поверхностью силового каркаса 2. Гофры силового каркаса 2 охватывают поверхность утолщений 5.
Внешний защитный кожух 3 жестко сопряжен с концевыми наконечниками 1, имеет гофрированную поверхность, охватывающую соответствующую поверхность гофр силового каркаса 2 и сопряжен с ней.
Силовой каркас 2, внешний защитный кожух 3 и внутренний химстойкий лейнер 4 при их сопряжении выполнены в виде разнотолщинной многослойной трубы, изготовленной методом послойной кольцевой намотки арамидных волокон с пропиткой полимерным связующим.
Разнотолщинная многослойная труба при формировании последовательно сопряженных между собой слоев образована методом изготовления труб из композиционных материалов по традиционной технологии использования закладной оправки, которую при формировании внутреннего химстойкого лейнера, силового каркаса, внешнего защитного кожуха размещают в полостях концевых наконечников 1, при этом заданное рабочее расстояние между торцами концевых наконечников соответствует рабочей длине «L» внутреннего защитного экрана 4.
При формировании слоя композиционного материала соответствующего образованию гофрированной поверхности силового каркаса его противолежащие концы жестко соединяют с концевыми наконечниками 1 для обеспечения герметичности образуемой системы компенсатора.
Соединение каждого конца силового каркаса на соответствующем наконечнике 1 выполнено в виде зубчатого зацепления 6 и фиксирующей пластины 7, соединенной с наконечником и имеющей с наружной стороны зубчатое зацепление 8 для соответствующей консоли образуемого слоя композитного материала внешнего защитного кожуха 3.
Наличие зубчатых зацеплений при образовании силового каркаса, внешнего защитного кожуха повышает надежность их фиксации относительно наконечников 1, изготовленных из металла.
Использование для изготовления разнотолщинной многослойной трубы, формирующей конструктивную взаимосвязь внутреннего химстойкого лейнера, силового каркаса и внешнего защитного кожуха, методом кольцевой намотки армирующих волокон на основе арамидного материала наиболее оптимально по условиям эксплуатации компенсатора при высоких давлениях до 1000 атм (в зависимости от проходного диаметра) и температур магистральных трубопроводов.
Арамидный материал, на основе которого изготавливаются волокна, имеющие высокую механическую прочность, повышенную температурную устойчивость, эластичность. При реализации полезной модели, предпочтительно, используют гетероциклические, сополимерные, высокомодульные волокна.
При изготовлении разнотолщинной многослойной трубы, формирующей конструктивную взаимосвязь внутреннего химстойкого лейнера, силового каркаса и внешнего защитного кожуха в качестве пропитывающего полимерного связующего, предпочтительно, используют полиуретан. Данное связующее имеет высокую прочность на разрыв и твердость, сравнимую с эпоксидными связующими, но при этом сохраняет эластичные свойства и высокую ударную вязкость, что особенно оптимально по условиям эксплуатации компенсаторов для магистральных трубопроводов, рабочая среда в которых имеет значительные динамические нагрузки и вибрацию.
Выполнение сильфона, формирующего конструктивную взаимосвязь внутреннего химстойкого лейнера, силового каркаса и внешнего защитного кожуха, на основе разной толщины слоев композиционного материала определяется расчетным путем или/и экспериментально с учетом технологических параметров рабочей среды в магистральных трубопроводах, их проходного сечения, а также других факторов, в том числе, технологической среды при эксплуатации магистральных трубопроводов.
Реализуемый по полезной модели композитный компенсатор изготовлен на стандартном оборудовании с использованием известных материалов и технологий.
Использование при реализации полезной модели полимерных композиционных материалов обеспечивает снижение веса композитного компенсатора, повышение его прочности к силовым нагрузкам и обеспечивает возможность их использования на различных типах магистральных трубопроводах без внесения в них каких-либо технологических и конструктивных изменений.
При использовании компенсатора концевые наконечники 1 состыковываются с магистральным трубопроводом и провариваются до достижения герметичного соединения.
Работа компенсатора осуществляется традиционным образом.
Благодаря выполнению химстойкого лейнера, силового каркаса и внешней защитной оболочки в виде единой герметично охватывающей концевые наконечники многослойной трубы обеспечивается формирование относительно концевых наконечником армирующего многослойного контура из последовательно сопряженных по волнообразным гофрам слоев композиционного материала, что способствует равномерному распределению силовых нагрузок со стороны технологической среды трубопроводов в осевом и сдвиговом/изгибном направлениях без существенного изменения гибкости и упругости слоев композиционного материала, формирующего химстойкий лейнер, силовой каркас и защитный кожух, что в целом повышает эксплуатационную надежность композитного компенсатора.
Разработанная полезная модель композитного компенсатора сдвиговых перемещений предназначена для магистральных трубопроводов, предпочтительно, со стандартным диаметром 1420 мм и способна выдерживать рабочие давления до 125 атм (испытательные давления 150 атм), при этом эксплуатационные параметры разработанного гибкого компенсатора существенно превышают существующие аналоги из традиционных материалов:
Осевые перемещения (расширение) 75-105 мм
Осевые перемещения (сжатие) 20-60 мм
Сдвиговые перемещения 40-60 мм
Угловые перемещения до 6°