УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области машиностроения и предназначена для соединения трубопроводов специального назначения, которые эксплуатируются в особых условиях, в частности, в криогенных, в химических и энергетических установках, в которых в качестве рабочего тела могут быть использованы азот, водород, гелий, как в жидком, так и в газообразном состоянии, в условиях высоких давлении и различных температурных режимах, где соединения трубопроводов являются объектами повышенного внимания.
В заявленной полезной модели реализован термомеханический способ соединения деталей с использованием сплавов, обладающих эффектом памяти формы, способных после деформации в мартенситном состоянии при нагреве переходить в аустенитное состояние и восстанавливаться в первоначальных размерах.
Метод пластического самоформирования сложных внутренних поверхностей с высокой точностью, основан на перемещении предварительного деформированного материала до рельефной поверхности оправки, имеющей форму зеркального отражения внутреннего профиля готовой детали. Формирование поверхности осуществляется путем восстановления предварительно деформированного материала при нагреве за счет фазовых превращений материала соединительной муфты, выполненной из обладающего эффектом памяти формы сплава, последующей термической обработке материала в заневоленном состоянии при температурах выше температуры рекристаллизации.
Известен способ формирования поверхности деталей из сплава, обладающего эффектом памяти формы (Патент RU 2375467, МПК C21D 7/00, 2007 г.), который включает в себя изготовление заготовки цилиндрической формы из сплава с эффектом памяти формы, охлаждение ее до температуры ниже мартенситного превращения, установку заготовки в матрицу с рельефной поверхностью, пластическое деформирование заготовки, нагрев заготовки совместно с матрицей до температуры выше температуры мартенситного превращения с обеспечением заполнения впадин на матрице заготовкой и последующую стабилизирующую термообработку полученной детали путем выдержки совместно с матрицей при температуре выше температуры рекристаллизации.
Целью данной полезной модели является создание надежных термомеханических соединений трубопроводов, в том числе криогенных и высокотемпературных систем, предлагается устройство для соединения трубопроводов на основе способа формирования поверхности деталей из сплава, обладающего эффектом памяти формы.
Поставленная техническая задача решается за счет применения комбинированной соединительного устройства, включающего в себя муфту из сплава, обладающего эффектом памяти формы, и внешнюю компенсирующую оболочку из материала с коэффициентом термического расширения (КТР) отличающимся от коэффициента термического расширения сплава, обладающего эффектом памяти формы.
На фиг.1 изображена конструкция соединения трубопровода с компенсирующей оболочкой в разрезе;
На фиг.2 узел А в увеличенном масштабе;
На Фиг.3 и 4 показан вариант конструктивного выполнения внутреннего профиля муфты в продольном и поперечном разрезах;
На фиг.5 и 6 показан вариант выполнения шипообразных выступов на внутренней поверхности муфты.
Устройство для соединения трубопроводов 1 (фиг.1) состоит из муфты 2, изготовленной из сплава, обладающего эффектом памяти формы, и внешней компенсирующей оболочки 3, выполненной из материала с коэффициентом термического расширения отличающимся от коэффициента термического расширения сплава, обладающего эффектом памяти формы, при этом внешняя поверхность муфты 2 и внутренняя поверхность оболочки 3 выполнены конусными с углом самоторможения равным 4-8°, причем в передней части оболочки 3 (показано на фиг.2) по кольцевой образующей имеются прямоугольные прорези, образующие упругие лепестки для фиксации внешней оболочки 3 при установке ее на муфте 2, а на внутренней поверхности муфты 2 имеются кольцевые уплотнительные пояски 4 в зоне контакта муфты 2 с соединяемыми участками трубопроводов 1. Для усиления соединения трубопроводов 1 уплотнительные пояски 4 (фиг.3) могут иметь радиальные участки 5, симметрично расположенные по кольцевой образующей муфты 2, либо шипообразные выступы 6 (фиг.5), которые расположены между кольцевыми уплотнительными поясками 4 и по высоте не превышают высоту поясков. На фиг.4 показан поперечный разрез муфты по сеч. А-А с расположением участков 5 по образующей, а на фиг. показан местный вырез муфты в увеличенном масштабе, на котором показаны примерные размеры шипообразных выступов 6.
Соединение трубопроводов с применением предлагаемого устройства производиться следующим образом.
Муфта 2 изготавливается из сплава, обладающего эффектом памяти формы, например, из титано-никелевого сплава ТН1-К, и свойством фазовых превращений при температуре от -20° до -160°, а компенсирующая оболочка 3 изготавливается из материала, например, стали 08Х18Н10Т, коэффициент термического расширения которой равен 15,7, в то время как для сплава ТН1-К этот коэффициент составляет 9,6. За счет разности КТР этих материалов обеспечивается значительно большее сжатие материала оболочки при фазовых превращениях, чем термическое сжатие сплава TiNi в интервале температур 0÷70°К. Внутренние размеры муфты и компенсирующей оболочки выбираются с учетом этих условий такими, чтобы обеспечить под поясками гарантированную пластическую деформацию соединяемых труб 1 в рабочем состоянии после релаксации. Наружная поверхность муфты 2 и внутренняя поверхность оболочки 3 выполнены конусными с одинаковым углом самоторможения в пределах 4-8°. Конкретный угол самоторможения выбирается в зависимости от диаметра соединяемого трубопровода, для труб с большим размером целесообразно устанавливать больший угол, т.к. при больших размерах в процессе релаксации муфты деформационные напряжения действуют на рабочие элементы больше, чем в соединениях с меньшими размерами. Предварительно охлажденная до температур фазовых превращений муфта 2 после радиальной деформации свободно устанавливается на место стыка соединяемых труб. В результате естественного нагрева муфты до нормальной температуры окружающей среды материал муфты сокращается в радиальном направлении, плотно обжимает и пластически деформирует элементы труб 1 в зоне уплотнительных поясков, образуя плотное и герметичное соединение. При нормальной температуре оболочка 3 принудительно с усилием устанавливается на поверхность муфты 2 и фиксируется на ней за счет подпружинивания лепестков. В процессе эксплуатации трубопроводов 1 при условии понижения температур ниже области фазовых превращений в муфте 2 происходят фазовые превращения, приводящие к падению напряжений термомеханического возврата и разупрочнению соединений. В этом случае внешняя оболочка 3 препятствует процессам разупрочнения. Разность КТР оболочки 3 и муфты 2 при криогенных температурах способствует к созданию сжимающих напряжений на поверхность муфты, что влечет к упрочнению соединения. Для трубопроводов, эксплуатация которых предполагается при высоких температурах (более 300°С), материал внешней оболочки выбирается с КРТ меньшим, чем у сплава муфты.