СОЕДИНЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ
PIPELINE JOINT

Изобретение относится к соединению трубопроводов прижатием уплотняющих поверхностей посредством резьбового соединения накидной гайкой и может быть использовано в соединениях трубопроводов для подвода жидкостей и газов к рабочим органам машин и устройств, работающих как под высоким, так и под низким давлением, а также в сантехнике.
Соединение трубопроводов, включающее накидную гайку, штуцер и ниппель с обращенными большими основаниями друг к другу внутренними коническими поверхностями, сопряженное с внешней конической поверхностью ниппеля бандажное кольцо, снабжено расположенной между штуцером и ниппелем соосно им ступенчатой втулкой с уплотняющими кромками в форме выступов, образованными в местах пересечения поверхностей вращения ступеней с их торцовыми поверхностями, причем ступени обращены как к внутренней конической поверхности штуцера, так и к внутренней конической поверхности ниппеля, а втулка сопряжена с каждой из этих поверхностей не менее чем двумя уплотняющими кромками.
Известны аналоги заявляемого изобретения. Одним из них является изобретение «Соединение трубопроводов» (патент RU 2180067 С1, МПК 7 F16L 19/08), содержащее штуцер, накидную гайку и врезающееся кольцо с рабочей кромкой в передней части. Задняя часть кольца выполнена с бандажом, в качестве которого использована отбортованная наружу часть кольца.
Недостатком этого аналога является то, что в соединениях с врезающимися кольцами силовое поле давления присутствует как внутри трубопровода, так и в наружной части, и герметизация осуществляется врезкой кольца в наружную часть трубопровода. Трубопровод в осевом и радиальном направлении фиксируется взаимодействием рабочей кромки кольца и буртиком на трубопроводе, который образуется в процессе врезки кольца в его наружную поверхность. При этом двухсторонний зазор между кольцом и трубопроводом в исходном состоянии не может превышать 0,2 мм, а буртик после врезки кольца согласно ГОСТ 23354-78 должен быть замкнутым по периметру. С учетом того, что величина буртика строго не оговорена и трудно контролируема, появляется возможность несанкционированного демонтажа соединения и, как результат, его разгерметизация при эксплуатации. Одновременно следует отметить, что для врезки кольца в трубу требуются значительные силы, так как необходимо сначала выбрать зазор между кольцом и трубой, а затем выполнить врезку с образованием буртика. Это достигается деформированием передней части кольца в радиальном направлении взаимодействием кольца с конической поверхностью штуцера. Так как кольцо термообработано и, следовательно, достаточно прочное, то процесс врезки осуществляется приложением больших нагрузок на резьбовое соединение штуцера с накидной гайкой. Ремонт соединения затруднен, так как замена врезающегося кольца требует использования специального приспособления в связи с тем, что врезающееся кольцо согласно ГОСТ 23354-78 должно оставаться зафиксированным на трубопроводе буртиком как при монтаже соединения, так и при его демонтаже. Возможно также разрушение трубопровода при съеме с него врезающегося кольца. Кроме того, врезающиеся кольца применяют для соединения трубопроводов повышенной точности исполнения, что удорожает гидравлические приводы и ограничивает их использование при низком рабочем давлении.
Другим аналогом является изобретение «Уплотнение разъемного соединения высокого давления» (патент RU 2230959 С1, МПК 7 F16J 15/04).
Конструкция уплотнения содержит элемент с коническим седлом, переходящий в цилиндрический канал, и запирающий элемент, находящийся в контакте с седлом. Рабочий конец запирающего элемента образован конической поверхностью, переходящей в цилиндрический хвостовик. Геометрические параметры образующих поверхностей седла и запирающего элемента выбраны таким образом, что при нагрузке уплотнения обеспечиваются контактные напряжения, определяющие уровень допустимых давлений рабочей среды и достаточные для герметизации соединения. Материал в зоне максимальных напряжений находится в условиях, близких к условиям всестороннего сжатия, и поэтому пластические деформации могут отсутствовать при напряжениях, больших пределов текучести использованных материалов.
Недостатком этого аналога является то, что он: а) дорогостоящ - геометрическая форма седла и запирающего элемента очень сложная, требует высокой точности изготовления и использования высокопрочного материала для них; б) недолговечен - при контактных напряжениях, превышающих пределы текучести, наступает прочностная усталость и, соответственно, быстрый, ничем не компенсируемый износ или разрушение уплотняющих элементов соединения - седла и запирающего элемента, что может привести к разгерметизации соединения. Этот процесс ускоряется при использовании такого способа уплотнения в соединениях, подверженных вибрации и перепадам давления в тряске и вибронагрузкам. В связи с этим возникает необходимость частого ремонта соединения.
За прототип заявляемого изобретения принято «Соединение трубопровода» (патент №2204076 С1, МПК 7 F16L 19/00). Данное соединение включает накидную гайку, прижимающую ниппель одного трубопровода к штуцеру другого, при этом ниппель имеет профильную форму, выполнен заодно при формообразовании с дополнительным жестко смонтированным бандажным кольцом. Бандажное кольцо в присоединительной части имеет форму конуса, переходящего в сферу, на которую воздействует накидная гайка.
К недостаткам прототипа можно отнести то, что штуцер выполнен сварным. Кроме того, герметизация в зоне контакта конических поверхностей штуцера и ниппеля недостаточно надежная, так как известно, что при высоких рабочих давлениях (свыше 10 МПа) качественное уплотнение соединения достигается, если контакт герметизируемых поверхностей происходит по линии или с помощью врезки. Уплотнение на контакте конических поверхностей штуцера и передней части ниппеля, как предусмотрено в прототипе, требует высокой точности их изготовления и больших контактных давлений. Еще одним существенным недостатком прототипа является то, что при взаимодействии штуцера с ниппелем подпор его передней части бандажным кольцом в осевом направлении практически близок к нулю, что объясняется особенностями геометрической формы ниппеля и бандажного кольца. Таким образом, подпирающая функция бандажного кольца в самой важной зоне соединения утрачивается. В связи с этим при величине осевых сил, необходимых для достижения герметичности соединения, могут произойти пластические деформации в передней части ниппеля, что приведет к разгерметизации соединения. Кроме того, ремонт соединения у прототипа затруднен, так как заменить ниппель без его разрушения практически невозможно, причем в этом случае разрушению подлежит также и бандажное кольцо.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание соединения, позволяющего расширить как диапазон рабочих давлений в них, так и использование трубопроводов, изготовленных из различных материалов и разной точности, повысить надежность соединения, упростить монтаж и демонтаж.
Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, заключается в возможности рационального выбора параметров уплотняющих элементов в зависимости от материалов соединяемых труб, их механических свойств и рабочего давления в соединении, предотвращении его спонтанной разгерметизации, упрощении замены уплотняющего элемента и снижении осевых сил при затяжке соединения.
Сущность заявляемого изобретения - соединения трубопроводов, включающего накидную гайку, штуцер и ниппель с обращенными большими основаниями друг к другу внутренними коническими поверхностями, сопряженное с внешней конической поверхностью ниппеля бандажное кольцо, - состоит в том, что соединение снабжено расположенной между штуцером и ниппелем соосно им ступенчатой втулкой с уплотняющими кромками в форме выступов, образованными в местах пересечения поверхностей вращения ступеней с их торцовыми поверхностями, причем ступени обращены как к внутренней конической поверхности штуцера, так и к внутренней конической поверхности ниппеля, втулка сопряжена с каждой из этих поверхностей не менее чем двумя уплотняющими кромками, как с одинаковой, так и с разной у одной и той же втулки остротой, определяемой величиной угла между образующими поверхностей вращения ступеней и их торцовых поверхностей и радиусом скругления, одновременно внутренние конические поверхности ниппеля и штуцера выполнены также с возможностью использования разных углов конусности.
Внешняя поверхность бандажа выполнена цилиндрической и сопряжена с соответствующей поверхностью накидной гайки с возможностью осевого перемещения последней относительно бандажа и ниппеля.
Минимальный угол наклона образующих внутренних конических поверхностей штуцера и ниппеля к их осям равен 3°, а максимальный - 30°.
Величина угла между образующими поверхностей вращения ступеней и их торцовых поверхностей находится в пределах 60-150°, причем уплотняющая кромка выполнена с возможностью округления радиусом, не превышающим половину диаметра рабочей кромки.
Ступенчатая втулка выполнена с расположенной в ее средней части монтажной кольцевой проточкой и намагничена.
В заявляемом техническом решении расширение диапазона рабочих давлений и повышение надежности соединения достигается за счет создания силового поля давлений, обеспечивающих герметичность внутри трубопровода, посредством прижатия накидной гайкой уплотняющих кромок в форме выступов ступенчатой втулки к внутренним коническим поверхностям штуцера и ниппеля. При этом втулка сопрягается с каждой из этих поверхностей не менее чем двумя своими уплотняющими кромками. В предлагаемом соединении в отличие от прототипа герметизация осуществляется контактом уплотняющих кромок втулки с внутренними коническими поверхностями штуцера и ниппеля по линиям. Применение не менее двух уплотняющих кромок втулки для контакта с каждой герметизируемой поверхностью позволяет:
1. Повысить надежность герметизации.
2. Улучшить монтажные свойства, так как при сборке соединения уплотняющие кромки втулки выполняют позиционирующие функции.
3. Компенсировать снижение герметизирующих свойств одной из кромок за счет других, так как прочностные характеристики втулки в радиальном сечении изменяются при переходе от одной уплотняющей кромки к другой.
Необходимо отметить, что в отличие от прототипа в заявляемом техническом решении жесткость ниппеля в зоне его контакта с уплотняющими кромками ступенчатой втулки обеспечивается бандажным кольцом как в радиальном, так и осевом направлении. Кроме того, сопряжение бандажного кольца с накидной гайкой по цилиндрической поверхности повышает точность сборки и, соответственно, ее надежность.
Важной особенностью в заявляемой конструкции является то, что уплотняющие кромки втулки выполнены с возможностью изменения их остроты за счет того, что величина угла между образующими поверхностей вращения ступеней втулки и их торцовых поверхностей находится в пределах 60-150°, причем уплотняющая кромка выполнена с возможностью скругления радиусом, не превышающим половину диаметра уплотняющей кромки. Это позволяет выполнять рациональный выбор степени остроты уплотняющих кромок в зависимости от материала и его прочностных свойств. При этом острота уплотняющих кромок в зоне контакта втулки с ниппелем может отличаться от остроты уплотняющих кромок в зоне контакта втулки со штуцером. Скругление уплотняющих кромок втулки можно применить для трубопроводов из материалов с низкой прочностью, например алюминия, меди, металлопластика и других. В то же время углы конусности у внутренних конических поверхностей штуцера и ниппеля также могут отличаться друг от друга. В этом случае расширяются технологические возможности:
1. Появляется возможность варьирования соотношением углов конусности внутренних конических поверхностей штуцера и ниппеля в зависимости от величины рабочего давления и материалов трубопроводов.
2. Улучшается эксплуатационная доступность соединения.
Кроме того, использование углов наклона образующих к оси внутренних конических поверхностей штуцера и ниппеля в пределах 3-7° позволяет получить эффект самозаклинивания на контакте указанных поверхностей с уплотняющими кромками втулки, что разгружает резьбовое соединение штуцера с накидной гайкой и одновременно позволяет увеличить рабочее давление в трубопроводе. Для расклинивания втулки с указанными контактными поверхностями, например, с помощью клиновой вилки предусмотрено использовать монтажную кольцевую проточку, выполненную в средней части ступенчатой втулки, причем в этом случае для удобства можно оставить втулку в состоянии самозаклинивания либо в ниппеле, либо в штуцере по усмотрению монтажника. Одновременно применение намагниченной ступенчатой втулки повышает ее монтажные свойства, так как в противном случае в соединениях трубопроводов с малым внутренним диаметром (6-8 мм) втулки соответствующих размеров создают известные проблемы как при сборке, так и при разборке.
Необходимо отметить, что в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа предусмотрено использовать стандартные накидные гайки и штуцеры. Используемые в них размеры резьбы устанавливают ограничения для диаметров больших оснований наружных и соответственно внутренних конических поверхностей ниппеля. Отсюда ограничиваются и размеры втулки - она становится тонкостенной, что, однако, компенсируется термообработкой втулки - закалкой. Термообработка также увеличивает предел упругих деформаций втулки и ее долговечность. Кроме того, предлагаемая конструкция соединения позволяет использовать вместо приваренного к трубе ниппеля полученный формообразованием конический конец самой трубы. В этом случае отпадает необходимость использования ниппеля, что устранит операцию сварки или пайки и удешевит соединение. Есть еще одно преимущество - возможность использования труб обычной точности по ГОСТ 8734-75 вместо применяемой в конструкциях с врезающимися кольцами труб повышенной точности по ГОСТ 9567-75, так как необходимую форму и размеры конического конца трубы с достаточной точностью можно получить инструментом при формообразовании.
В предлагаемом устройстве для рукавов высокого давления предусмотрен также вариант конструкции ниппеля с усилением его передней части. В этом случае отпадает необходимость применения бандажного кольца.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен продольный разрез соединения. В левой части чертежа ниппель (или конец трубы) и бандажное кольцо представлены в виде отдельных деталей, а в правой части фиг.1 - вариант конструкции ниппеля, позволяющий исключить использование бандажного кольца.
На фиг.2 показан вариант соединения с острыми рабочими кромками ступенчатой втулки, а на фиг.3 - вариант с притупленными рабочими кромками.
Соединение состоит из накидной гайки 1, штуцера 2 с внутренней конической поверхностью 3 и углом наклона 4 ее образующей к оси соединения, ниппеля 5 с внутренней конической поверхностью 6 и углом наклона 7 ее образующей к оси соединения. При этом внутренняя коническая поверхность 3 штуцера 2 обращена своим большим основанием к большему основанию внутренней конической поверхности 6 ниппеля 5. Соединение снабжено бандажным кольцом 8, включающим внутреннюю коническую поверхность 9, сопряженную с внешней конической поверхностью ниппеля 5, и внешнюю цилиндрическую поверхность 10, сопряженную с внутренней цилиндрической поверхностью накидной гайки 1.
Заявляемое устройство снабжено ступенчатой втулкой 11 с уплотняющими кромками 12, образованными в местах пересечения поверхностей вращения ступеней с их торцовыми поверхностями. При этом ступени обращены как к внутренней конической поверхности 3 штуцера 2, так и к внутренней конической поверхности 6 ниппеля 5, а втулка сопряжена с каждой из этих поверхностей не менее чем двумя уплотняющими кромками 12. Надежность герметизации соединения достигается рациональным выбором параметров деталей соединения: материалами штуцера 2 и ниппеля 5, углами наклона образующих - соответственно 4 у штуцера 2 и 7 у ниппеля 5, остротой уплотняющих кромок 12, которая определяется углами пересечения 13 образующих поверхностей вращения ступеней втулки 11 с их торцовыми поверхностями и радиусом скругления. С целью удобства ремонта заявляемого устройства ступенчатая втулка 11 выполнена с расположенной в ее средней части монтажной кольцевой проточкой 14.
Заявляемое устройство работает следующим образом. В ниппель 5 с установленными на нем накидной гайкой 1 и бандажом 8 вставляют ступенчатую втулку 11, позиционируя путем сопряжения ее уплотняющих кромок 12 с внутренней поверхностью 6 ниппеля 5. Затем навинчивают на накидную гайку 1 штуцер 2, прижимая, таким образом, уплотняющие кромки 12 ступенчатой втулки 11 к внутренним поверхностям 3 и 6 соответственно штуцера 2 и ниппеля 5 до достижения герметичности соединения. При необходимости его ремонта накидную гайку 1 и штуцер 2 развинчивают, а в случае самозаклинивания ступенчатой втулки 11 ее расклинивают с помощью расположенной в ее средней части монтажной кольцевой проточки 14, например, клиновой вилкой.
Таким образом, предлагаемое устройство существенно отличается от прототипа:
1. Предусмотрено использование стандартных накидных гаек 1 и штуцеров 2.
2. Исключается создание зоны уплотнения непосредственно на контакте ниппеля 5 и штуцера 2. Эту функцию выполняет ступенчатая втулка 11, создающая кромками 12 своих ступеней на контактах со штуцером 2 и ниппелем (или концом трубы) 5 не менее чем две уплотняющие зоны в каждой из них. Кроме того, в ступенчатых втулках 11 ее ступени имеют разную прочность как в радиальном, так и в осевом направлении. Это позволяет компенсировать неточности сопряжений уплотняющих кромок 12 ступеней с соответствующими коническими поверхностями 3 и 6 соответственно штуцера 2 и ниппеля (или конца трубы) 5.
3. Использование во втулке 11 в качестве уплотнителей кромки 12 различной конфигурации ее ступеней, а также различных углов наклона образующих внутренних конических поверхностей штуцера 2 и ниппеля 4 позволит расширить диапазон применения предлагаемого соединения с учетом давлений в нем и свойств материалов его деталей.
4. Применение термообработанной ступенчатой втулки 11 повышает ее упругие свойства и эксплуатационную стойкость. Одновременно намагниченная втулка 11 улучшает монтажные свойства соединения.