СОЕДИНЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ
PIPELINE CONNECTION

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для обеспечения подвижного соединения участков трубопровода между собой, в том числе в арматуре нефтяных и газовых скважин.
Известно поворотное соединение трубопровода [Пат. РФ №2216675], состоящее из охватываемой обоймы со ступенчатой сопрягаемой поверхностью и выступом, который расположен на уровне соединения торцов охватываемой обоймы и соединительного элемента. Уплотнительный элемент состоит из прокладки и манжеты, выполненных заодно.
Прокладка имеет форму гильзы и своей внутренней поверхностью установлена на выступе с его охватом.
В качестве соединительного элемента используют фланцы. Обойма и обхватываемая обойма снабжены кольцевыми канавками, в которых размещены поворотные элементы в виде тел качения.
К недостаткам конструкции следует отнести:
1. Избыточный перепад давления, воспринимаемый площадью сечения охватываемой обоймы и уплотнительным элементом, сообщается на тела качения, что при достаточно больших диаметральных размерах трубопроводов может достигать высоких значений.
2. Монтаж поворотного соединения в участок уже существующего трубопровода затруднен из-за того, что участки сопрягаемого трубопровода необходимо развести друг от друга в осевом направлении, чтобы установить предлагаемое соединение; к тому же развести их необходимо на достаточно большое расстояние, чтобы обеспечить демонтаж и повторный монтаж уплотнительного элемента. Сделать эту операцию достаточно сложно, она требует затрат рабочего времени и применения специального монтажного инструмента. Известно шарнирное трубопроводное соединение [Пат. РФ №2011102], состоящее из штуцера с канавкой, установленного в корпусе, в котором выполнена радиальная расточка, образующая совместно с канавкой полость для размещения шариков. Расточка корпуса перекрыта шайбой, поджатой футоркой и снабжена уплотнением и двумя L-образными манжетами. На лепестки манжеты установлено распорное кольцо. В торце другой манжеты выполнена прорезь.
Манжеты изготовлены из материала с низким коэффициентом трения, что при вращении штуцера относительно футорки требует приложения малого усилия. При подводе давления возникает осевая нагрузка, действующая на штуцер и корпус, которая воспринимается шариками и удерживает штуцер внутри корпуса.
К недостаткам конструкции следует отнести:
1. Сложность монтажа и демонтажа устройства непосредственно на месте применения.
2. Конструкция обладает высоким гидравлическим сопротивлением.
3. Демонтаж шариков и замена изношенных манжет требует снятия с места установки корпуса и его перемещения в осевом направлении в сторону штуцера на достаточно большое расстояние, что увеличивает габариты конструкции и условия монтажа.
Известно соединение трубопроводов [А.с. СССР №585363], состоящее из наружного и внутреннего трубопроводов, на одном из которых выполнены фланцы, с образованием между ними канавки, в которой размещена манжета с пружинящими кольцами внешнего и внутреннего давления. Между фланцами размещено также пружинящее кольцо с поджимом к внутренней поверхности наружного трубопровода.
Соединение допускает сборку со значительным перекосом между трубопроводами.
После сборки соединения концы трубопроводов скрепляются друг с другом различным крепежом.
К недостаткам конструкции следует отнести:
1. При существующем трубопроводе, в который включено данное соединение, существуют условия, когда необходимо осуществить замену вышедшей из строя манжеты. В этом случае необходимо развести в осевом направлении наружный и внутренний трубопроводы, что без специального инструмента или наличия в составе одного из трубопроводов осевого компенсатора осуществить невозможно.
2. Проблематично также осуществить соединение двух трубопроводов между собой, например, с помощью болтов или штуцера с гайкой, поскольку сложно обеспечить их сопряжение. На участки трубопроводов действует также избыточное давление, воспринимаемое уплотнением. При большом избыточном давлении, когда уплотнение имеет большие диаметральные размеры, из-за его конструктивных особенностей оно может быстро выйти из строя.
Известно поворотное соединение трубопроводов высокого давления [А.с. СССР №149284], принятое авторами за прототип, состоящее из корпуса, в расточке которого размещен подшипниковый узел, охватывающий наконечник с выступом (упорным буртом), снабженным уплотнением. Подшипники поджимаются гайкой, установленной на внешней стороне корпуса, застопоренной другой гайкой.
Корпус снабжен резьбой для установки соединительного узла, например угольника. Наконечник снабжен также соединительным узлом - угольником.
Работа соединения
Благодаря подшипниковому узлу соединительный узел на корпусе и соединительный узел на наконечнике могут свободно вращаться друг относительно друга. Перепад давления от рабочей жидкости воспринимается уплотнением на выступе наконечника и осевое усиление сообщается на подшипниковый узел, что при высоких давлениях рабочей жидкости может достигать больших значений.
К недостаткам конструкции следует отнести:
1. Наличие большого осевого усиления на подшипниках;
2. Невозможность изменения расстояния между соединительными узлами для облегчения монтажа в ограниченном пространстве.
Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения:
1. Возможность установки устройства в состав трубопровода между его участками без применения специальных технических средств;
2. Возможность изменения положения фланцев на концах устройства для совмещения отверстий с ответными фланцами на концах сопрягаемых участков трубопровода;
3. Исключение передачи осевой нагрузки от перепада давления со стороны рабочей жидкости на подшипниковый узел;
4. Возможность жесткой фиксации положения деталей устройства после установки между участками трубопровода.
Технический результат достигается тем, что соединение трубопровода состоит из корпуса с кольцевым выступом, наконечника в его осевом канале, с подшипниками, соединительными элементами, связанными соответственно с корпусом и наконечником, гайки и стопорной гайки, уплотнительными элементами.
Наконечник снабжен кольцевым поршнем, образующим подвижное соединение с корпусом, в котором образована кольцевая камера, разделенная кольцевым поршнем на уравнительную и силовую, которые соответственно связаны с атмосферой и осевым каналом наконечника радиальными отверстиями. Подшипник установлен с опорой на кольцевой выступ корпуса и поджат гайкой, установленной на внутренней резьбе корпуса. Причем стопорная гайка установлена на резьбе, выполненной на наружной поверхности соединительного элемента, с возможностью осевого перемещения и торцового контакта с гайкой.
Площадь поперечного сечения наконечника принята равной площади кольцевого поршня.
Конструкция соединения трубопроводов поясняется чертежами, где:
1) на фиг.1 конструкция устройства в разрезе в положении готовности к установке в состав трубопровода;
2) на фиг.2 конструкция устройства в разрезе в положении монтажа (установки) в состав трубопровода, с фиксацией этого положения на период работы.
Устройство состоит из корпуса 1 с внутренним кольцевым выступом 2, в осевом канале которого размещен наконечник 3 с кольцевым поршнем 4, установленным в кольцевой камере 5, образованной кольцевым выступом 2 и торцом соединительного элемента 6, снабженного фланцем 7. В корпусе 1 установлен подшипник 8 с опорой на его внутренний кольцевой выступ 2, поджатый гайкой 9.
На конце наконечника 3 выполнена резьба и установлен соединительный элемент 10, снабженный фланцем 11. На наружной поверхности соединительного элемента 10 выполнена резьба 12 и установлена стопорная гайка 13. Кольцевой поршень 4 разделяет кольцевую камеру 5 на уравнительную 14 и силовую 15, которые соответственно соединяются радиальным отверстием 16 в теле корпуса 1 с атмосферой, и радиальным отверстием 17 в теле наконечника 3 с его осевым каналом 18. Диаметральные размеры кольцевого поршня 4 приняты из условия равенства его площади поперечного сечения площади поперечного сечения наконечника 3.
Кольцевой зазор между наконечником 3 и соединительным элементом 6 перекрыт уплотнением 19. Кольцевой зазор между кольцевым поршнем 4 и корпусом 1 перекрыт уплотнением 20. Кольцевой зазор между внутренним кольцевым выступом 2 и наконечником 3 перекрыт уплотнением 21.
Монтаж и работа соединения трубопровода
Устройство в сборе поставляется на место применения, где стопорная гайка 13 полностью накручивается на наружную резьбу 12 на соединительном элементе 10, что позволяет перемещать наконечник 3 в осевом направлении, изменяя тем самым расстояние между фланцами 7 и 11. Это позволяет свободно разместить соединение между ответными фланцами на концах трубопровода. Поскольку наконечник 3 может свободно вращаться вместе с соединительным элементом 10 и фланцем 11 относительно корпуса 1, то это позволяет обеспечить и упростить совмещение отверстий на сопрягаемых фланцах. Осуществляют совмещение фланцев 7 и 11 с соответствующими фланцами на концах трубопровода с их стяжкой шпильками (не показано).
Кольцевой поршень 4 при этом занимает промежуточное положение внутри кольцевой камеры 5.
Вращением стопорной гайки 13 на соединительном элементе 10 фиксируют это положение путем замыкания на торец гайки 9, связанной с корпусом 1.
В таком положении осуществляют подачу под давлением рабочую жидкость в осевой канал 18 наконечника 3. Поскольку площадь сечения кольцевого поршня 4 равна площади поперечного сечения наконечника 3, то отсутствует осевое нагружение фланца 11 и подшипника 8.
При необходимости демонтажа соединения осуществляют разъединение фланцев 7 и 11 от соответствующих фланцев на концах трубопровода.
После этого вращают стопорную гайку 13 на резьбе 12 соединительного элемента 10, что позволяет сместить в осевом направлении наконечник 3 с уменьшением расстояния между фланцами 7 и 11, что способствует свободному выводу устройства из трубопровода.