Муфта для обеспечения герметичности соединения кессона и обсадной трубы

Полезная модель относится к муфтам (МПК F16L 21/02), которые используются для обеспечения герметичности соединения кессона и обсадной трубы.
Известна "Муфта для герметизации соединения обсадной трубы и кессона", патент РФ на полезную модель №RU №172773 U1, приоритет от 03 февраля 2017 г., МПК F16L 21/25 (2006.01), являющийся прототипом заявляемой полезной модели. Прототип содержит расположенные соосно: герметизирующий элемент из эластичного материала для установки на обсадную трубу, цилиндрическую втулку для неразъемного соединения с дном кессона, первый фланец, соединенный с концом цилиндрической втулки, и второй фланец, при этом герметизирующий элемент выполнен в форме кольца и размещен между первым и вторым фланцами, которые связаны посредством регулируемого соединения, с возможностью сжатия указанного герметизирующего элемента, причем отношение диаметра d отверстия фланцев к диаметру D герметизирующего элемента составляет от 0,7 до 1,2.
OD
id_oring
oring
OD
Недостатком прототипа является невозможность качественного обеспечения заявленного технического результата, заключающегося в "повышении герметичности кессона в месте выполнения отверстия для прохода через него обсадной трубы" при указанном в формуле полезной модели прототипа отношения диаметра d отверстия фланцев к диаметру D герметизирующего элемента (средний диаметр поперечного сечения кольца) в диапазоне от 0,7 до 1,2 без учета взаимосвязи этого отношения с наружным диаметром обсадной трубы d, внутренним диаметром d герметизирующего элемента в виде тороидального кольца круглого сечения из эластичного материала, диаметра поперечного сечения этого кольца d, диаметрального зазора Δ между отверстием втулки (первого фланца) d и наружным диаметром обсадной трубы d.
Указанный недостаток подтверждается проведенным исследованием отношений параметров d к D в качестве существенного признака, и их влиянием на заявленный технический результат во взаимосвязи с другими параметрами
id_oring
oring
OD
[d, d, d, Δ] с учетом математических формул и пояснений, приведенных ниже.
Внутренний диаметр герметизирующего элемента (кольца):
где D - средний диаметр поперечного сечения кольца;
oring
d - диаметр поперечного сечения кольца;
d - внутренний диаметр отверстия втулки (первого фланца);
k - отношение параметров d к D (в диапазоне от 0,7 до 1,2);
OD
d - наружный диаметр обсадной трубы;
OD
Δ - диаметральный зазор (d-d).
Относительная степень растяжения герметизирующего элемента (кольца) при его надевании на обсадную трубу, %:
Относительная степень обжатия герметизирующего элемента (кольца) между обсадной трубой и первым фланцем, %:
oring
где d' - диаметр поперечного сечения кольца в сжатом состоянии.
id_oring
1. Первое необходимое условие для обеспечения герметичности, надежности и долговечности неподвижного соединения относительная степень растяжения герметизирующего элемента (кольца) из эластичного упругого материала δ от 0% до 3% при надевании этого кольца на обсадную трубу.
oring
2. Второе необходимое условие для обеспечения герметичности, надежности и долговечности неподвижного соединения относительная степень обжатия герметизирующего элемента (кольца) из эластичного упругого материала ε от 15% до 35%.
oring
OD
id_oring
OD
id_oring
id_oring
Из проведенного математического исследования для наиболее часто используемых колец с диаметрами поперечного сечения d в диапазоне от 15 до 40 мм и применяемых на практике обсадных труб с наружными диаметрами d от 125 до 140 мм, следует, что при отношении параметров d к D равном 0,7 первое необходимое условие обеспечения герметичности соединения не выполняется и δ принимает значения от -26% до -15%, т.е. в соединении между наружным диаметром обсадной трубы d и внутренним диаметром кольца d образуется зазор. При отношении параметров d к D равном 1,2 первое необходимое условие обеспечения герметичности соединения теоретически может выполняться, однако связано со значительными относительными растяжениями колец δ, достигающими 33÷85%.
id_oring
При отношении параметров d к D равном 1,2 относительные степени растяжения кольца δ около 33% или, тем более, порядка 85%, практически невозможно выполнить вручную без специального приспособления на месте установки муфты с кессоном.
id_oring
oring
Относительная степень растяжения кольца δ более 5% и последующая относительная степень сжатия кольца ε более 35% приводят к существенному сокращению срока службы уплотнения из эластомера, появлению в нем больших внутренних напряжений, ускорению процессов накопления остаточной деформации сжатия в эксплуатации. В результате снижается контактное давление в местах соединения поверхностей кольца с фланцами и наружной поверхностью обсадной трубы, что впоследствии приводит к неизбежной потере герметичности соединения.
oring
Кроме того, заявленный технический результат также не может быть достигнут при использовании всех существенных признаков независимого пункта формулы полезной модели прототипа без обязательного применения "фасок в виде скосов, обращенных к герметизирующему элементу", которые упомянуты только в зависимом третьем пункте формулы этой полезной модели. При отсутствии "фасок в виде скосов, обращенных к герметизирующему элементу" и без указания определенной геометрии этих элементов и их взаимосвязи, выполнение упомянутого выше второго необходимо условия обеспечения герметичности соединения также не возможно. При сжатии кольца из эластомера, вследствие сохранения его объема, произойдет неизбежное выдавливание этого кольца на периферию - в открытое наружное пространство между фланцами со снижением относительной степени обжатия кольца ε значения существенно меньше 15%, что приведет впоследствии к падению контактного давления в зоне соединения внутренней поверхности кольца с наружной поверхностью обсадной трубы и неизбежной потери герметичности соединения.
oring
Исходя из существенных признаков независимого пункта формулы полезной модели прототипа и его описания, при установке верхнего (второго) выпуклого фланца в перевернутом состоянии вне зависимости от размера герметизирующего элемента, с последующим приложением усилия к этому фланцу с целью прижатия его к герметизирующему элементу, в результате воздействия распределенной нагрузки на герметизирующий элемент произойдет постепенное его выдавливание на периферию - в открытое наружное пространство между фланцами, со снижением относительной степени обжатия кольца ε до значений существенно меньше 15%, что приведет к падению контактного давления в зоне соединения внутренней поверхности кольца и наружной поверхности обсадной трубы и неизбежной потери герметичности соединения.
Практика подтверждает расчетно-теоретические выводы: при установке и эксплуатации кессонов с муфтами по патенту № RU №172773 U1 для устранения негерметичности соединения приходится дополнительно использовать силиконовый герметик.
Совокупность существенных признаков, выраженная в независимом пункте формулы полезной модели прототипа, не обеспечивает условие герметичности соединения (первое и второе необходимое условие герметичности соединения) при использовании герметизирующего элемента из эластичного материала, не обладающего упругими свойствами.
На основании всего вышеизложенного следует, что совокупность существенных признаков, содержащихся в независимом пункте формулы полезной модели прототипа, не обеспечивает достижение заявленного технического результата [выполнения первого и второго необходимых условий герметичности соединения], полезная модель прототипа не раскрыта должным образом.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении герметичности, надежности, долговечности и ремонтопригодности соединения кессона и обсадной трубы с помощью муфты.
id_oring
Для достижения технического результата, заявляемого в полезной модели, задача решается тем, что с целью обеспечения герметичности, надежности, долговечности и ремонтопригодности соединения, муфта содержит корпус со сквозным отверстием, расположенным соосно с обсадной трубой, образующим между наружной поверхностью обсадной трубы кольцевую полость с постоянным диаметральным зазором в верхней части корпуса, клиновидную кольцевую полость с уменьшающимся диаметральным зазором в средней его части и кольцевую полость с минимально допустимым диаметральным зазором в нижней части корпуса, герметизирующий элемент из эластичного упругого материала, надетый с относительным растяжением δ от 0% до 3% на обсадную трубу и размещенный внутри корпуса в клиновидной кольцевой полости; цилиндрическую упорную втулку с уклоном на ее нижнем торце, надетую на обсадную трубу с минимально допустимым зазором, установленную в корпус между герметизирующим элементом и фланцем с центрированием по наружному диаметру.
oring
Регулируемое резьбовое соединение создает необходимое усилие сжатия между корпусом и фланцем с передачей этого усилия на торец цилиндрической упорной втулки. Уклон, выполненный на нижнем торце цилиндрической упорной втулки, направленный вверх к обсадной трубе, обеспечивает передачу распределенной нагрузки на герметизирующий элемент, в результате чего происходит его перемещение в замкнутую снаружи клиновидную кольцевую полость между наружным диаметром обсадной трубы и внутренней стенкой корпуса, а также дополнительное прижатие герметизирующего элемента к наружной поверхности обсадной трубы с обеспечением относительной степени обжатия герметизирующего элемента ε от 15% до 35%.
Цилиндрическая упорная втулка может быть соединена с фланцем, например, с помощью сварки. На наружной поверхности нижней части корпуса может быть выполнена цилиндрическая проточка с буртом, для обеспечения соосности, при герметичном соединении корпуса с отверстием на дне кессона. В качестве герметизирующего элемента может применяться тороидальное кольцо круглого сечения, либо манжета специальной формы, изготовленные из эластичного упругого материала, например, резины с твердостью 50÷65 IRHD.
Полезная модель поясняется фигурой.
id_oring
На фигуре показан разрез по оси обсадной трубы 7 с надетой на нее муфтой, нижняя часть которой герметично соединена с отверстием на дне кессона 6. Муфта содержит корпус 1 со сквозным отверстием, расположенным соосно с обсадной трубой 7, образующим между наружной поверхностью обсадной трубы 7 кольцевую полость с постоянным диаметральным зазором в верхней части корпуса 1, клиновидную кольцевую полость с уменьшающимся диаметральным зазором в средней части корпуса 1 и кольцевую полость с минимально допустимым диаметральным зазором в нижней части корпуса 1; герметизирующий элемент 2 из эластичного упругого материала, надетый с относительным растяжением δ от 0% до 3% на обсадную трубу 7 и размещенный внутри корпуса 1 в клиновидной кольцевой полости; надетую с зазором на обсадную трубу 7 цилиндрическую упорную втулку 3 с уклоном на ее нижнем торце, установленную внутри корпуса 1 в верхней его части между герметизирующим элементом 2 и фланцем 4 с центрированием по наружному диаметру, с возможностью перемещения и последующего сжатия герметизирующего элемента 2 в замкнутой снаружи клиновидной кольцевой полости между наружной поверхностью обсадной трубы 7 и внутренней стенкой корпуса 1.
Установку муфты выполняют следующим образом.
id_oring
oring
В отверстие на дне кессона 6 устанавливают нижнюю часть корпуса 1 до упора в бурт, после чего герметично соединяют, например, с помощью сварки с кессоном 6. При эксплуатации муфты с кессоном, в том числе, в пучинистых грунтах, для дополнительного повышения надежности, обеспечения долговечности и ремонтопригодности, уменьшения трения, и повышения степени герметичности соединения, на уплотнительные поверхности соединений и герметизирующий элемент 2 наносят пластичный смазочный материал. На размещенную во внутреннем пространстве кессона 6 предварительно подготовленную и очищенную наружную поверхность обсадной трубы 7 надевают с относительным растяжением δ от 0% до 3% герметизирующий элемент 2 и устанавливают его в клиновидной кольцевой полости корпуса 1, надевают на обсадную трубу 7 цилиндрическую упорную втулку 3 до соприкосновения его нижнего торца, имеющего уклон, с герметизирующим элементом 2, а также фланец 4. После чего фланец 4 и верхнюю часть корпуса 1 равномерно стягивают между собой с помощью регулируемого резьбового соединения 5, с обеспечением необходимого контролируемого зазора δ между верхней частью корпуса 1 и нижней частью фланца 4 (по всей его окружности), соответствующего относительной степени обжатия ε 15% до 35% для герметизирующего элемента 2 во избежание последующей недопустимой деформации пластиковой обсадной трубы 7.
Регулируемое резьбовое соединение 5 создает необходимое усилие сжатия между корпусом 1 и фланцем 4 с передачей этого усилия на цилиндрическую упорную втулку 3 для последующего перемещения герметизирующего элемента 2 в замкнутую снаружи клиновидную кольцевую полость между наружным диаметром обсадной трубы 7 и внутренней стенкой корпуса 1, и дополнительного прижатия герметизирующего элемента 2 к наружной поверхности обсадной трубы 7 с выполнением первого и второго условия обеспечения герметичности соединения.
oring
Необходимый контролируемый зазор δ определяется в процессе проектирования и выполнения инженерных расчетов уплотнения и элементов муфты, взаимосвязан с физико-механическими характеристиками применяемых материалов, относительной степенью обжатия ε герметизирующего элемента 2, указывается в рабочей конструкторской документации, а также в инструкции по установке и эксплуатации кессона с муфтой.