УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННЕГО СВАРНОГО ШВА ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре, в частности к соединениям труб с внутренним эмалевым покрытием путем сварки, и может быть использована при сборке трубопроводов, предназначенных для транспортировки энергоносителей в жидком, газообразном состоянии, материалов в виде пульпы, содержащих абразивы, зольные осадки, глинозем и другие высококоррозионные среды, перерабатываемые в химической, металлургической, нефтегазовой и других областях промышленности.
Для соединения труб используют установленную коаксиально внутри них в зоне стыка втулку с внутренним эмалевым покрытием, с кольцевой проточкой и радиальными упорными выступами [1]. Полость между проточкой и внутренней поверхностью труб заполняется материалом с адгезионными свойствами. Кроме того, на втулке имеются уплотнительные резиновые кольца. Недостатком известного устройства является сложность реализации соединения труб в полевых условиях. Использование в качестве защитного материала клея, резиновых уплотнений, которые в процессе формирования сварного шва подвергаются воздействию высоких температур, снижает надежность соединения от воздействия коррозионных сред.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для защиты внутреннего сварного шва трубопровода, содержащее втулку с раструбами, несущую на себе установочные выступы, уплотнительные элементы в виде упруго-эластичных манжет [2]. Известному устройству присущи отмеченные выше недостатки для аналогичного устройства. При сварке труб упруго-эластичные манжеты нагреваются до значительных температур и в процессе эксплуатации быстро теряют исходные
характеристики, что приводит к разгерметизации уплотнения и проникновению агрессивной среды в зону сварного шва. Кроме этого известная втулка из-за конструктивных особенностей (размер толщины стенки, свободная посадка раструба с соединяемыми трубами) в месте стыка труб создает значительное сопротивление транспортируемой среды, содержащей абразивы в виде пульпы, руды, концентратов. Втулка быстро изнашивается, защитный слой сварного соединения разрушается, что инициирует коррозионные процессы корневого шва.
В настоящей заявке на полезную модель поставлена задача устранить недостатки известного устройства, а именно: недостаточную надежность соединения и коррозионную стойкость сварного шва, низкую износостойкость соединения от сил трения транспортируемой среды и высокое сопротивление ее истечению в зоне сварного соединения. Как следствие устранения отмеченных недостатков предлагается простое в изготовлении и удобное при монтаже (в том числе в полевых условиях), надежное в эксплуатации устройство для защиты внутреннего сварного шва трубопроводов различного назначения (например, для транспортировки абразивных сред: твердые включения, песок, шлаки, пульпа).
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве, наиболее близком к известному [2] по основным конструктивным элементам, назначению и достигаемому техническому результату, которое содержит втулку, несущую на себе установочные выступы, кольцевые упоры, - втулка выполнена разъемной по ширине и имеет внешнее и внутреннее твердоплавкое эмалевое покрытие, а кольцевые упоры сформированы по краям внешней стороны тела втулки, при этом толщина (t) втулки составляет 0,07-0,15 ее ширины (S), которая связана с наружным диаметром (D) втулки соотношением: S=(0,15-0,30)D, при чем высота кольцевого упора (h) равна 1,0-1,5 толщины внешнего эмалевого покрытия втулки (t'), а полость, образованная внешней поверхностью втулки и упорами, наполнена материалом легкоплавкой силикатной эмали, вместе с этим установочные выступы выполнены из
коррозийностойкой стали, два из которых расположены по краям разъема втулки и являются фиксаторами стопорного элемента для упруго-напряженного смыкания втулки.
Выбор интервала соотношения ширины втулки (S) устройства к ее внешнему диаметру (D) и к толщине стенки (t) втулки установлен экспериментально, исходя из условий соединения эмалированных труб с гарантией получения прочного, износостойкого соединения и надежной защиты от коррозионных процессов зоны сварного соединения. Соединение труб с использованием заявленного устройства осуществляют в период формирования корневого сварного шва (при монтаже трубопроводной сети, в том числе в полевых условиях). Процесс образования защитного эмалевого слоя осуществляют за счет тепла, аккумулированного металлом труб и втулки устройства, от тепловой энергии сварочного процесса. Установлено, что при указанных условиях процесс формирования защитного эмалевого слоя и высококачественного соединения в целом возможен только на участке зоны термического влияния свариваемых труб. Протяженность зоны термического влияния косвенно зависит от типоразмера, в том числе от диаметра свариваемых труб. Диаметр втулки устройства выполняется с учетом минусового допуска свариваемых труб. Поэтому для каждого диаметра втулки через соотношение S/D определяют ширину втулки, которая соответствует протяженности зоны термического влияния сварного соединения, и при интервале выбранного соотношения толщины и ширины втулки достигаются высокие качественные технологические и эксплуатационные характеристики сварного соединения (таблица).
Высота кольцевых упоров установлена исходя из создания надежного, плотного и прочного эмалевого защитного слоя между втулкой и корневым швом на ширину зоны термического влияния от температуры сварочного процесса. При величинах h<1,0·t' и при h>1,5·t' не формируется необходимый защитный эмалевый антикоррозионный слой - в первой случае из-за недостатка, а во втором случае из-за избытка наполнителя легкоплавкой
силикатной эмали в полости между втулкой и сварным швом. Для сохранения устойчивости геометрических параметров втулки после формирования кольцевых упоров по их верхней поверхности наносят поперечную насечку.
При сварке труб за счет аккумулирования металлом тепла твердоплавкая эмаль на внешней поверхности втулки размягчается без нарушения адгезии с поверхностью втулки, а при нагреве наполнителя в полости наваривается легкоплавкая эмаль, которая в процессе охлаждения после сварки обеспечивает прочное сцепление как с втулкой, так и с внутренней поверхностью трубы на участке сварного соединения, образуя сплошной защитный слой между втулкой и сваренными трубами.
Выступы из коррозийностойкой стали, кроме центровки втулки по отношению к соединенным концам труб, при формировании сварного шва расплавляются и легируют корневой шов, тем самым повышают его коррозийную стойкость. В целом с учетом вновь сформированного эмалевого слоя между внешней поверхностью втулки и сварным соединением значительно усиливается надежность защиты зоны сварного шва от воздействия коррозийных процессов на длительный срок эксплуатации трубопровода, в случае локального повреждения сплошности эмалированного слоя или при износе элементов втулки от трения твердых составляющих транспортируемой среды.
В качестве наполнителя полости втулки используют шликер легкоплавкой силикатной эмали, силикатно-эмалевое полотно или иной материал, пригодный для получения легкоплавкой эмали.
Разъем втулки по ширине и по форме дает возможность регулировать размерное соответствие устройства и соединяемых труб при формировании сварного шва. Форма разъема выполняется преимущественно по ломанной линии с учетом самоцентрирования сторон втулки при упруго-напряженном смыкании ее стопорным элементом.
На фиг. изображен общий вид устройства с частичным поперечным разрезом. Устройство содержит тело втулки 1; стенку втулки 2; кольцевые
упоры 3; разъем по ширине тела втулки 4; по крайней мере, пять установочных выступов из коррозийностойкой стали 5, диаметрально расположенных посредине внешней стороны стенки втулки; внутреннее твердоплавкое эмалевое покрытие стенки втулки 6; внешнее твердоплавкое эмалевое покрытие стенки втулки и кольцевых упоров 7; полость 8, образованная эмалированными поверхностями внешней стенки и кольцевых упоров втулки; наполнитель полости 9; установочные выступы 10 для фиксации стопорного элемента 11. В качестве стопорного элемента может использоваться пружина, струбцина и др. Кроме этого на фиг. обозначены: t - толщина стенки втулки; S - ширина втулки; D - наружный диаметр втулки; h - высота кольцевого упора; t' - толщина слоя внешнего эмалевого покрытия втулки.
Сборка устройства и соединение труб осуществляется следующим образом: Параметры размеров втулки взаимосвязаны соотношениями: t=(0,07-0,15)S, S=(0,15-0,30)D, h=(1,0-1,5)t'. Под конкретный внутренний диаметр соединяемых труб выбирается втулка, внешний диаметр (D) которой соответствует нормам и требованиям свободной посадки на данный типоразмер соединяемых труб.
Эмалированную втулку 1 сжимают до соприкосновения стенок по их разъему 4 и стопорным элементом 11 фиксируют ее в сжатом состоянии. Полость втулки 8 заполняют наполнителем 9 (шликер, силикатно-эмалевое полотно) легкоплавкой силикатной эмали. Устройство размещают сначала в одной из труб до соприкосновения торца трубы с установочными выступами. После размещения устройства во второй трубе втулку разжимают (снимают стопорный элемент 11 с фиксаторов) Полость 8 втулки с наполнителем 9 за счет упругой деформации ее стенок 2 прижаты к внутренним стенкам трубы. При сварке труб установочные выступы ввариваются в корневой шов и повышают его коррозионную устойчивость. От тепловой энергии, выделяемой при сварке, происходит прогрев и размягчение твердоплавкого эмалевого покрытия полости 8, а также расплавление наполнителя легкоплавкой эмали. Кольцевые упоры 3 не позволяют расплаву эмали вытекать из полости за
пределы устройства. При охлаждении сварного соединения в полости втулки происходит формирование плотного, прочно связанного с внешней стенкой втулки и внутренней поверхностью труб в зоне сварного соединения, антикоррозионного композиционного покрытия на основе силикатной эмали.
Для предлагаемого устройства корневой шов контактирует (связан) с телом втулки 1 через неоплавившиеся установочные выступы 5, установленные в ее стенке 2. Поэтому, даже в случае износа стенки втулки в процессе эксплуатации трубопровода от трения твердых частиц, кусков при транспортировке их по трубопроводу в виде пульпы, сварное соединение на длительный срок остается защищенным от коррозийных процессов прочным слоем эмалевой композиции, армированного остатками установочных выступов из коррозийностойкой стали.
Для изготовления устройства и проведения монтажных работ при сварке трубопроводов в полевых условиях не требуется специального оборудования и ограничений природных климатических условий, в том числе по температуре. В настоящее время по заказу потребителя изготовлена партия устройства для использования его при ремонте действующих пульпопроводов.
Источники информации.
1. Патент РФ №2080510
2. Свидетельство на полезную модель №20360
Таблица.Качественные характеристики соединения эмалированных труб с использованием заявленного устройства
Величина S/D
Надежность соединения
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Модуль упругости, ГПа
Прочность сцепления композиционного слоя эмали с металлом в зоне защиты сварного шва, МПа
0,10
2,23·10<sup>3</sup>
68,0
56,0
0,15
2,39·10<sup>3</sup>
72,0
65,0
0,20
2,41·10<sup>3</sup>
73,0
65,0
0,25
2,41·10<sup>3</sup>
73,0
65,0
0,30
2,41·10<sup>3</sup>
73,0
65,0
0,35
2,26·10<sup>3</sup>
70,0
62,0
0,40
2,18·10<sup>3</sup>
65,0
57,0
Величинаt/S
Истираемость, мг/см<sup>2</sup> за 10 мин
Коррозионностойкость в 20% кипящей НСl в течение 4 часов, мг/см<sup>2</sup>
Пропускная способность трубопровода с использованием заявленного устройства относительно базового, принятого за единицу, ед.*
0,05
3,0
0,24
1,5
0,07
2,5
0,10
1,4
0,09
2,2
0,08
1,3
0,11
2,2
0,08
1,2
0,13
2,2
0,08
1,1
0,15
2,3
0,14
1,0
0,17
2,8
0,26
0,9
* Под базовым трубопроводом понимается трубопровод из труб равнозначного диаметра без защитного покрытия, соединенных сваркой.