УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ
PIPELINE CONNECTION DEVICE

Изобретение относится к устройству для соединения труб с защищенным от разрыва и герметичным соединением вставного конца с муфтой, с обжимным кольцом, состоящим из нескольких размещенных по окружности подвижно по отношению друг к другу звеньев и имеющим переменную величину, натягиваемым по отношению к муфтовому кольцу посредством натяжного кольца, причем натяжное кольцо имеет коническую натяжную поверхность, а муфтовое кольцо имеет коническую поверхность муфты, и при этом обе конические поверхности обращены в направлении обжимного кольца и центральную ось, причем ширина обжимного кольца уменьшается по мере возрастания расстояния от центральной оси.
Устройства для соединения труб, в частности, с защищенным от разрыва и герметичным соединением вставного конца и муфты известны в течение длительного времени.
Уровень техники
Выполнение соединения двух труб, в частности, муфты со вставным концом, является процессом, который может быть осуществлен в трубопроводных системах множеством различных способов. На практике существует два основных критерия, которые характеризуют качество такого соединения.
Первый критерий состоит в защите от разрыва. В нагруженных давлением трубах, а также в более длинных трубопроводных системах, которые состоят из множества труб, необходимо предотвратить разрыв соединения под действием сил растяжения или давления. Также в трубопроводных системах под действием тепловых или холодовых нагрузок, просадки грунтов, или под действием нагруженной давлением среды в трубопроводной системе возникают разрывные усилия в несколько тысяч ньютонов. С учетом этого необходимо предусмотреть защиту от разрыва. Это обеспечивается главным образом посредством клиновых поверхностей, вследствие чего к вставному концу при движении в направлении вытягивания необратимым образом прижимается кольцо. Проблема, присущая обычным способам защиты от разрыва, состоит в том, что обжимные кольца лишь в очень ограниченной степени регулируются по отношению к внешнему размеру вставного конца. На практике имеют место случаи, когда, например, при разрыве трубы известен именно внутренний размер трубы, а внешний размер зависит от используемого материала трубы и таким образом является неизвестным. В особенности в старых трубопроводах при этом возможно, что при открывании ремонтируемого канала видно, выполнена ли труба из пластика, стали или тому подобного. В зависимости от материала различается толщина трубы и таким образом внешний диаметр этой трубы. До сих пор ремонтной бригаде также было необходимо иметь при себе различные муфты для различных внешних диаметров. Чтобы исключить подобные дополнительные издержки, в течение длительного времени существует потребность в создании муфтового соединения, которое могло бы быть гибко приспособлено к самым различным внешним диаметрам таких труб.
Второй критерий заключается в герметичности соединения. В отношении сопротивления утечке среды, проходящей по трубопроводу, например, газа или воды, следует также принять во внимание, что в трубопроводах может иметь место очень высокое давление. В отношении характеристик уплотнения следует также принять во внимание, что трубы и муфты могут иметь некоторые неровности на внешних поверхностях, что силы обжатия могут очень сильно различаться, что могут возникнуть овальные деформации, и что в некоторых случаях трубы совмещены друг с другом не соосно. Все эти факторы не должны оказывать отрицательного влияния на характеристики уплотнения соединения. Кроме того, герметизация от загрязнения окружающей средой или также проводимой по трубе средой предназначена для того, чтобы избежать отрицательного влияния на подвижность соединительных элементов и вместе с тем на защиту от разрыва и герметичность.
Например, WO 90/07671 описывает защищенное от разрыва герметичное соединение для вставного конца посредством муфты. При этом предусмотрено обжимное кольцо, которое состоит из множества смещаемых относительно друг друга обжимных элементов, а также уплотнительное кольцо, которое уплотняет муфту по отношению к трубе. Обжим обжимного кольца по отношению к вставному концу осуществляется с помощью двух клиновых поверхностей, которые приводятся друг к другу путем затягивания крепежных винтов таким образом, что обжимное кольцо радиально вжимается внутрь. Недостаток этого устройства состоит в том, что вследствие такого варианта выполнения адаптация к различным диаметрам трубы возможна лишь в очень малой степени. Кроме того, уплотнение не затянуто под обжимной элемент, что на практике оказалось недостатком. К тому же уплотнительное кольцо прижимается к вставному концу лишь в обход клиновидных колец, и существует риск его ослабления при высоком давлении в трубе.
Дальнейшее развитие такого соединения труб описано в DE 69708480 T2. Данная публикация описывает соединение труб для трубы и вставного конца с уплотнительным элементом и обжимным кольцом, причем обжимное кольцо состоит из элементов, прилегающих друг к другу с возможностью скольжения, которые могут поворачиваться вокруг оси, параллельной оси трубы, и таким образом уменьшают внутренний диаметр подобно диафрагме. Уплотняющий эффект достигается за счет уплотнительного кольца, которое от обращенной к трубе стороны обжимного кольца проходит мимо обжимного кольца кнаружи в сторону муфты. Недостаток данной конструкции состоит в том, что для адаптации обжимного приспособления к внешнему диаметру трубы для вставного конца должна быть обеспечена возможность смещения звеньев по отношению друг к другу в любой момент. При этом недостатком также является то, что при прочном соединении двух или более звеньев из-за загрязнения все кольцо становится жестким и таким образом является очень ограниченным по своей эффективности.
Другой недостаток универсальных соединений, соответствующих уровню техники, состоит в том, что соединение и натяжение узла «натяжное кольцо - обжимное кольцо - муфтовое кольцо» осуществляется исключительно с помощью винтов. При четырех-восьми распределенных по окружности винтах это представляет собой временнозатратный процесс, поскольку для исключения перекосов винты можно затягивать лишь по частям.
Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы обеспечить соединение вставного конца с муфтой, защищенное от разрыва, достаточно плотное и характеризующееся разнообразием областей применения, и, кроме того, нечувствительное к загрязнению, значительным усилиям на разрыв, высоким давлениям текучей среды, которое также является простым в применении, быстро подготавливаемым и быстро монтируемым и обладает длительным сроком службы.
Задача изобретения решается за счет того, что звенья имеют соответственно вставной участок и приемный участок, что приемный участок имеет боковые плечи, которые по меньшей мере частично обхватывают по бокам вставной участок следующего звена в области конической натяжной поверхности и конической поверхности муфты.
Кроме того, устройство для соединения труб отличается тем, что для соединения звеньев предусмотрены выступы и выемки, что выступ одного звена выполнен с возможностью введения в выемки следующего звена, что выступ расположен так, что он проходит примерно параллельно срединной оси, и что выемки предусмотрены на внутренних сторонах боковых стенок приемного участка.
Другие полезные признаки состоят в том, что выступы и выемки выполнены таким образом, что обеспечена возможность смещения звеньев по отношению друг к другу и поворота звеньев вокруг выступов, причем смещение одного звена по отношению к следующему звену в радиальном направлении затруднено, что выемки выполнены в форме продолговатых углублений, что боковые плечи одного звена охватывают следующее звено по бокам по всей его высоте, и что боковые плечи имеют элементы бортика, которые по меньшей мере частично перекрывают по бокам следующее звено.
Кроме того, устройство для соединения труб согласно изобретению отличается тем, что элементы бортика по меньшей мере частично перекрывают боковые плечи следующего звена, что предусмотрено уплотнительное кольцо, что обжимное кольцо соприкасается по меньшей мере со стороной трубы и стороной муфты по всей их окружности, что предусмотрена уплотнительная фаска от загрязнения, которая перекрывает зазор между натяжным кольцом и муфтовым кольцом и/или обращенную наружу поверхность обжимного кольца, и что она предпочтительным образом предусмотрена на уплотнительном кольце.
Согласно изобретению предусмотрено, что на обжимном кольце имеется канавка уплотнения для вмещения фиксирующего выступа уплотнительного кольца, которая предпочтительным образом выполнена кольцеобразно на обращенной к трубе стороне обжимного кольца по всей его окружности в его отдельных звеньях, что на обращенной к трубе стороне обжимного кольца предусмотрены стопорные элементы, что стопорные элементы по меньшей мере с обращенной к трубе стороны имеют стопорные зубцы, и что стопорные зубцы предпочтительно имеют более твердую поверхность, чем обжимаемый вставной конец.
Кроме того, устройство для соединения труб отличается тем, что натяжное кольцо выполнено с возможностью натяжения по отношению к муфтовому кольцу посредством натяжного элемента, причем сила натяжения направлена по меньшей мере частично по конической натяжной поверхности, конической поверхности муфты и обжимному кольцу в направлении вставного конца, что натяжное кольцо выполнено с возможностью натяжения по отношению к муфтовому кольцу посредством винтового элемента, причем сила натяжения направлена по меньшей мере частично по конической натяжной поверхности, конической поверхности муфты и обжимному кольцу в направлении вставного конца, и что разрывная сила направлена по конической натяжной поверхности и под углом α к участкам обжимного кольца, обращенным к конической натяжной поверхности, в направлении вставного конца.
Другие полезные признаки следуют из описания, формулы изобретения и чертежей.
Далее изобретение будет дополнительно описано с помощью примеров его выполнения.
На Фиг.1 показан вид в разрезе соединения труб согласно изобретению.
На Фиг.2 показан вид в разрезе части соединения труб согласно изобретению.
На Фиг.3 показан вид в разрезе обжимного соединения согласно изобретению.
На Фиг.4 показан вид в перспективе звена согласно изобретению со стороны приемного участка.
На Фиг.5 показан вид в перспективе звена согласно изобретению со стороны вставного участка.
На Фиг.6 показан вид сбоку сегмента обжимного кольца в сжатом положении (6b) и в растянутом положении (6a).
На Фиг.1 показан вид в разрезе со вставным концом 1, муфтой 2, обжимным кольцом 4, состоящим из звеньев 3, уплотнительным кольцом 11, муфтовым кольцом 6 и натяжным кольцом 5, винтовым элементом 19 и натяжным элементом 20. Вставной конец вводят в муфту 2 через натяжное кольцо 5. Муфта имеет муфтовое кольцо 6 с конической поверхностью 8 муфты. Эта коническая поверхность имеет уклон в направлении срединной оси 10. При этом следует отметить, что понятие «коническая поверхность» относится не в точности к конической поверхности, а скорее к приданию поверхности конусообразной формы. Таким образом, эта поверхность в сечении не является безусловно прямой, а может быть также и изогнутой или криволинейной. К конической поверхности муфты прилегает уплотнительное кольцо 11, которое проходит под обжимное кольцо, а также к обращенной к трубе стороне обжимного кольца. С другой стороны обжимного кольца находится натяжное кольцо, которое может натягиваться в направлении муфтового кольца посредством натяжного элемента 20 и винтового элемента 19. Оно также имеет коническую поверхность, а именно коническую натяжную поверхность 7. Она также имеет уклон в направлении срединной оси 10 и, как упомянуто выше, не обязательно является в точности конической. Обжимное кольцо состоит из множества вставленных друг в друга звеньев 3, причем в этом сечении видны два звена. Звенья имеют соответственно вставной участок 14 и приемный участок 15. Соответственно, на этой фигуре виден вставной участок одного звена и приемный участок следующего за ним звена. Кроме того, на вставном участке на обращенной к трубе стороне 12 имеется стопорный элемент 21. Этот стопорный элемент в данном варианте выполнения выполнен L-образным и имеет зубцы на стороне, обращенной к трубе. В качестве материала для стопорного элемента пригодны те материалы, которые тверже, чем материал вставного конца, чтобы обеспечить возможность сцепления зубцов с поверхностью вставного конца. Стопорные элементы в данном варианте выполнения выполнены не в виде сплошного кольца, а предусмотрены по отдельности в каждом звене. Однако вполне возможно, чтобы стопорные элементы проходили через несколько звеньев обжимного кольца, были выполнены в виде гибкого или имеющего разрез кольца, или чтобы стопорные элементы были выполнены из того же материала, что и звенья, и/или чтобы сами звенья на своей стороне, обращенной к трубе, имели зубцы, действующие в качестве стопорных элементов. При использовании кольца с разрезом или C-образного кольца, например, кольцо может за счет пружинного эффекта оказывать на отдельные звенья обращенное примерно радиально наружу давление и таким образом максимально увеличивать диаметр кольца при введении вставного конца.
Выполнение соединения труб содержит следующие этапы.
Вставной конец вводят в муфту через натяжное кольцо 5, обжимное кольцо 4. При этом внутренний диаметр обжимного кольца настолько велик, что можно с легкостью вводить трубы различного диаметра. Когда вставной конец введен, натяжное кольцо 5 натягивают в направлении муфтового кольца 6 посредством натяжного элемента 20. При этом быстром натяжении обе конических поверхности 7 и 8 движутся друг к другу и таким образом давят на обжимное кольцо, ширина 9 которого уменьшается с увеличением расстояния от срединной оси 10, в направлении трубы. При этом быстром натяжении выполняется первое соединение уплотнения и стопорных элементов с внешней стороной вставного конца 1 и происходит соприкосновение уплотнительного кольца 11 с конической поверхностью муфты. Для выполнения стабильного и более герметичного соединения в обоих кольцах применяются винтовые элементы 19 для того, чтобы дополнительно притянуть друг к другу муфтовое кольцо 6 и натяжное кольцо 5. При этом, с одной стороны, обжимное кольцо еще сильнее сжимается в направлении вставного конца и, с другой стороны, увеличивается давление на уплотнительное кольцо 11 между обжимным кольцом 4 и конической поверхностью 8 муфты. Если обжимное кольцо далее перемещается в направлении вставного конца, необходимо, чтобы окружность этого обжимного кольца была изменяемой. Эта изменяемость обеспечивается за счет того, что отдельные звенья размещены с возможностью смещения по отношению друг к другу. Это подробнее приведено на Фиг.4 и 5.
Другое преимущество натяжного элемента согласно изобретению состоит в том, что посредством такой системы быстрого натяжения выполнение соединения значительно облегчается. Как обычно, по окружности такого соединения труб предусмотрено по меньшей мере три, чаще всего от четырех до восьми винтов на натяжном и муфтовом кольцах. За счет предварительного натяжения посредством натяжного элемента винтовые соединения должны быть лишь сильнее затянуты и преимущественным образом не используются для того, чтобы притягивать друг к другу оба кольца с больших расстояний. Натяжной элемент в данном варианте выполнения выполнен в виде системы быстрого натяжения в форме многоступенчатого коленчатого рычага. Однако могут быть использованы все устройства быстрого натяжения, которые позволяют быстро притягивать друг к другу оба кольца (5, 6). Такие устройства могут быть, например, стяжками, храповиками, ремнями, тросовыми тягами, зажимами или тому подобным. Кроме того, следует отметить, что эти устройства быстрого натяжения могут также заменить винтовое соединение.
На Фиг.2 показан подробный вид другого варианта выполнения обжимного кольца 4 согласно изобретению, которое прижимается к вставному концу 1 трубы, причем направленные в сторону трубы силы прикладываются посредством конических поверхностей, а именно конической натяжной поверхности 7 и конической поверхности 8 муфты. Обжимное кольцо имеет ширину 9, которая уменьшается по мере увеличения расстояния от срединной оси 10 трубы. В этом варианте выполнения наклонные боковые стенки боковых плеч 16 имеют коническую форму и таким образом представлены на этом сечении как прямые линии. Углы боковых стенок по отношению к вставному концу трубы могут быть различными со стороны муфты и со стороны натяжного кольца, но могут быть и равными. В этом варианте выполнения угол α со стороны натяжного кольца меньше, чем угол β со стороны муфты. Эффект этого состоит в том, что разрывные силы и таким образом силы, действующие с натяжного кольца и конической натяжной поверхности на боковые плечи 16 обжимного кольца преобразуются в радиально направленные силы, а также в силы, направленные к срединной оси трубы. Угол β на обращенной к муфте стороне обжимного кольца больше, чтобы уменьшить растяжение и смещение уплотнения. На обращенном к муфте плече 25 предусмотрена канавка 27 уплотнения, в которую может быть вставлен фиксирующий выступ 28 уплотнительного кольца 11. Уплотнительное кольцо дополнительно содержит один или более буртиков, которые подобно уплотнительным кольцам улучшают эффект уплотнения. Со стороны муфты также имеется обращенный к муфте буртик 23 для улучшения эффекта уплотнения.
Коническая натяжная поверхность и обжимное кольцо соприкасаются в данном варианте выполнения по окружности. Такое линейное соприкосновение обеспечено за счет различных углов конуса. При изогнутых конусообразных поверхностях также получается линейное соприкосновение. В зависимости от нагрузки и предъявляемых требований можно предусмотреть и плоское соприкосновение обеих поверхностей.
Что касается конической поверхности муфты и обжимного кольца, в частности уплотнительного кольца и конической поверхности муфты, в данном варианте выполнения между ними нет плоского соприкосновения. Сначала при сжатии эластичного уплотнения получается плоское соприкосновение. Однако в этом месте в зависимости от требований вполне может быть предусмотрено и, по существу, плоское соприкосновение.
На обращенной наружу стороне обжимного кольца 4 имеется уплотнительная фаска 22 от загрязнения. Она закрывает обращенный наружу участок для предотвращения проникновения песка, земли или тому подобных загрязнителей в обжимное кольцо или в зазоры в обжимном кольце между отдельными звеньями. Уплотнительная фаска в этих вариантах выполнения закрывает внешнюю сторону обжимного кольца, но само собой разумеется, что она может также проходить далее в сторону натяжного кольца.
На обращенной к трубе стороне обжимного кольца, в особенности на обращенной к трубе стороне вставных участков звеньев, имеются стопорные элементы 21. В данном варианте выполнения они выполнены L-образными и имеют стопорные зубцы на своей стороне, обращенной к трубе. Крепление к обжимному кольцу в данном варианте выполнения реализовано за счет обжима фиксирующего выступа 30 в фиксирующей канавке 31 звена.
На Фиг.3 показан вид в разрезе винтового соединения, которое соединяет натяжное кольцо 5 с муфтовым кольцом 6 и/или обеспечивает возможность стягивания этих деталей друг с другом. Здесь следует отметить, что в данном варианте выполнения предусмотрено винтовое соединение. Однако само собой разумеется, что также возможно использование других видов соединения, таких как, например, храповики, хомуты, заклепки, эластичные стяжки, натяжные болты, замки и тому подобное. Соединительный элемент, в данном случае винтовой элемент 19, служит для перемещения или натяжения натяжного кольца 5 к муфтовому кольцу 6. Поскольку применение этого винтового элемента на практике происходит в труднодоступных местах, необходимо выполнить это соединение по возможности наиболее удобным. Поэтому в данных вариантах выполнения винтовая головка 36 выполнена в виде шестигранника и находится в отверстии 37 под винтовую головку, имеющем боковые стенки 38 отверстия под винтовую головку. Это отверстие выполнено таким образом, что возможна именно вставка винта и винтовой головки, однако вращательное движение вставленного винта, в особенности вставленной винтовой головки, блокировано. Кроме того, для защиты антикоррозийного покрытия, часто имеющегося у элементов труб, имеется защитный элемент 39, который должен уменьшать трение винтовой головки в отверстии 37 под винтовую головку, чтобы не повредить упомянутый защитный слой несмотря на то, что крутящий момент винта очень велик. С противоположной стороны винтовой головки, у натяжного кольца имеется удерживающий элемент 40, который прикреплен к стержню болта и таким образом предотвращается выпадение винта из отверстия в натяжном кольце.
На противоположном конце винта имеется гайка 41, которая через уплотнительную шайбу 42 передает продольное напряжение затягиваемого винта на муфтовое кольцо. Следует отметить, что для винтового соединения могут быть использованы анкерные болты, но также и обычные винты, причем может быть обеспечено поддержание натяжения за счет упругости приформовок муфтового кольца и натяжного кольца. Кроме того следует отметить, что уплотнительная шайба также может быть заменена такими элементами, как уплотнительные кольца, зубчатые шайбы, клиновые шайбы, пружинные кольца и тому подобное.
На Фиг.4 показан вид звена 3 со стороны приемного участка 15 с двумя боковыми плечами 16 - обращенное к муфте плечо 25 и обращенное к натяжному кольцу плечо 26, вставным участком 14 и приемным участком 15, причем на боковых плечах, в данном варианте выполнения на обращенном к муфте плече 25, имеется канавка 27 уплотнения, а на вставном участке имеется фиксирующая канавка 31 для стопорного элемента. В области приемного участка, в особенности между двумя боковыми плечами 16, имеются выемки 18. Эти выемки выполнены в форме продолговатых углублений или изогнутых продолговатых углублений. Как далее будет описано со ссылкой на Фиг.5, они служат для вмещения выступов 17.
Во внешних областях боковых плеч 16 имеются элементы 32 бортика. При состыкованных вместе звеньях они по меньшей мере частично охватывают боковые плечи следующего звена. Бортики служат, с одной стороны, для уплотнения от загрязнения снаружи и, с другой стороны, вследствие своей изогнутой формы они служат для центровки и приведения звеньев друг к другу. Кроме того, они, как и части вставного участка и приемного участка, также служат в качестве упора.
На Фиг.5 показано то же звено, что и на Фиг.4, но со стороны вставного участка. Оно содержит вставной участок 14, приемный участок 15, боковые плечи 16 с элементами 32 бортика. На вставном участке 14 с обеих сторон имеются выступы 17. Эти выступы отходят в боковом направлении по отношению к вставному участку и при состыкованных вместе элементах они зацепляются с предусмотренными также с обеих сторон приемных участков 15 следующих звеньев выемками 18 в форме продолговатых углублений.
Далее, на лицевой стороне 33 вставного участка 14 предусмотрен пружинный элемент 34. Этот пружинный элемент служит для упругого разделения следующих друг за другом звеньев.
На Фиг.6 показан вид сбоку ряда вставленных друг в друга звеньев 3, которые составляют сегмент обжимного кольца 4. На Фиг.6а показан этот участок в максимально растянутом положении, а на Фиг.6b показан тот же узел в максимально сжатом положении. Как уже было описано по отношению к предыдущим чертежам, каждое звено имеет соответственно вставной участок 14 и приемный участок 15. На вставном участке имеются выступы 17, которые могут зацепляться с выемками 18 приемных участков. Эти выемки 18 имеют такую форму, что выступы имеют в них некоторую подвижность, в особенности направленную подвижность. Таким образом, эти выемки в представленном варианте выполнения выполнены в виде продолговатых углублений, причем их длинные стороны выполнены изогнутыми. Следует также отметить, что они могут быть реализованы посредством литья, фрезеровки или другого технологического приема. За счет особого формообразования и взаимодействия выступов 17 с отверстиями 18 обеспечена возможность определенных относительных перемещений звеньев по отношению друг к другу, а другие перемещения исключены. Так в данном варианте выполнения перемещение звеньев по отношению друг к другу возможно на участке, соответствующем длине продолговатого углубления за вычетом диаметра выступа. Кроме того, в ограниченной степени возможен поворот звеньев вокруг выступов 17. Это дополнительно облегчается криволинейной формой выполнения замкнутых окантовок боковых плеч 16 и/или элементов 32 бортика. На лицевых сторонах 33 вставных участков имеются пружинные элементы 34, которые в ненагруженном состоянии отделяют друг от друга звенья в пределах расстояния, допустимого с точки зрения кинематики. В ненагруженном состоянии обжимное кольцо является максимально растянутым, то есть находится в положении, в котором обжимное кольцо 4 имеет максимальный внутренний диаметр. Следует отметить, что такие пружинные элементы могут быть предусмотрены для разделения звеньев, но не обязательно должны быть предусмотрены. За счет выполнения натяжного кольца и/или муфтового кольца конической формы также обеспечивается равномерное распределение звеньев. В вытянутом состоянии каждый элемент 32 бортика боковых плеч 16 охватывает следующее звено, в особенности вставной участок и по меньшей мере часть приемного участка. Вставное соединение, а именно вставной участок с предусмотренными на нем выступами 17 и выемками 18 приемного участка таким образом защищено в каждом месте разрыва, и вследствие этого является недоступным снаружи. Это имеет преимущество, состоящее в том, что загрязнения, такие как, например, земля, песок, камни и т.д., не имеют возможности проникнуть в эту область и таким образом ухудшить подвижность обжимного кольца 4.
Следует отметить, что за счет различных форм выполнения выступов, например в форме ступеньки, прямоугольной формы и т.д. могут быть обеспечены другие кинематические эффекты, такие как, например, предотвращение поворота звеньев по отношению друг к другу или уменьшение или увеличение хода звеньев по отношению друг к другу.