КОНЦЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ГИБКОЙ ПОЛИМЕРНО-АРМИРОВАННОЙ ТРУБЫ И СПОСОБ ПРИСОЕДИНЕНИЯ ШТУЦЕРА К НЕЙ
RING CONNECTION OF FLEXIBLE POLYMER REINFORCED PIPE AND METHOD OF UNION CONNECTION TO IT

Изобретение относится к нефтяной, газовой и смежным отраслям промышленности и может быть использовано для присоединения к гибким полимерно-армированным трубам промышленного оборудования или для присоединения гибких полимерно-армированных труб к элементам конструкций.
Известно трубное соединение [патент Австралии №421968 «Улучшения, касающиеся трубных муфт»], которое состоит из штуцера с наружной резьбой, упругодеформируемой втулки и накидной гайки. На трубу надевается упругодеформируемая металлическая втулка, имеющая на внутренней поверхности кольцевые буртики. При навинчивании гайки на штуцер происходят осевое сжатие втулки и ее деформация в радиальном направлении, с внедрением кольцевых буртиков в тело трубы. Тем самым обеспечиваются закрепление и герметизация трубы в соединении.
Недостатком данного трубного соединения является восприятие невысоких осевых нагрузок. Низкие значения воспринимаемых осевых нагрузок связаны с тем, что к конструкции трубного соединения не предусмотрены элементы, предназначенные для крепления оплетки гибкой полимерно-армированной трубы, в результате чего допустимая осевая нагрузка данного соединения напрямую зависит от прочностных характеристик полимерного материала, входящего в состав гибкой полимерно-армированной трубы. В известных литературных источниках показано, что полимерные материалы, из которых изготавливают гибкие полимерно-армированные трубы (например, полиэтилен, винипласт), не обладают высокой прочностью.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство [патент РФ №2450200 «Соединение гибкого шланга с жестким элементом»], содержащее полый корпус жесткого элемента с отверстием под штуцер, штуцер с утолщением в средней части и размещенным на нем шлангом, прижимную гайку, причем утолщение на штуцере выполнено с коническими торцевыми поверхностями и имеет трапециевидную форму продольного сечения, а отверстие под штуцер выполнено ступенчатым и со стороны полости корпуса имеет диаметр, равный заходному диаметру штуцера со шлангом, а также имеет конический переход на диаметр, равный диаметру утолщенной части штуцера со шлангом на нем. Утолщение на штуцере, имеющее в продольном сечении трапециевидную форму, выполнено в виде равнобочной трапеции с углом при основании от 45° до 50°, поверх трубки на неутолщенной части штуцера со стороны прижимной гайки установлено уплотнительное кольцо из мягкого эластичного материала, прилегающее к наружной поверхности трубки на конической части утолщения штуцера, а между уплотнительным кольцом и прижимной гайкой установлена шайба в виде плоского кольца из жесткого материала, а торцевая поверхность прижимной гайки выполнена плоской по форме шайбы.
Недостатками данного соединения являются невысокая степень герметичности, а также восприятие невысоких осевых нагрузок. Низкие значения воспринимаемых осевых нагрузок связаны с тем, что в конструкции соединения не предусмотрены элементы, предназначенные для крепления оплетки гибкой полимерно-армированной трубы, в результате чего допустимая осевая нагрузка данного соединения напрямую зависит от прочностных характеристик материала, из которого изготовлена гибкая полимерно-армированная труба. В известных литературных источниках показано, что полимерные материалы, из которых изготавливают гибкие полимерно-армированные трубы (например, полиэтилен, винипласт), не обладают высокой прочностью. Невысокая степень герметичности обусловлена тем, что в процессе сборки трубного соединения в шланге образуются остаточные деформации, что приводит к появлению зазоров между шлангом и корпусом, а также между шлангом и штуцером.
Заявляемое устройство предназначено для соединения гибких полимерно-армированных труб с элементами конструкций или для присоединения к ним промышленного оборудования.
Технический результат заявляемого устройства сводится к повышению герметичности концевого соединения гибкой полимерно-армированной трубы за счет введения в его конструкцию уплотнительных элементов (уплотнительного кольца), герметизирующих пространство между корпусом и штуцером и препятствующих проникновению внешней среды (например, флюида) внутрь концевого соединения, а также к увеличению воспринимаемой концевым соединением осевой нагрузки за счет того, что к штуцеру плотно присоединяется (обжимается) как полимерный материал гибкой полимерно-армированной трубы, так и ее оплетка (например, стальная проволока), вследствие чего осевая нагрузка воспринимается как оплеткой, так и полимером.
Технический результат заявляемого устройства достигается тем, что концевое соединение гибкой полимерно-армированной трубы содержит полый корпус с отверстием под штуцер, штуцер, с размещенной на нем гибкой полимерно-армированной трубой, уплотнительное кольцо из мягкого эластичного материала. Новым является то, что гибкая полимерно-армированная труба состоит из внутренней полимерной трубки, поверх которой навита одна или несколько металлических оплеток, имеющих круглую форму в поперечном сечении, на которые нанесена наружная оболочка, выполненная из полимерного материала, между внутренней полимерной трубкой и металлической оплеткой может быть уложено один или два слоя металлической ленты, имеющей, например, прямоугольную форму в поперечном сечении, металлическая оплетка на конце гибкой полимерно-армированной трубы оголена на длине, превышающей ширину обжимной кольцевой канавки, выполненной на наружной поверхности штуцера, на наружной поверхности первого конца штуцера выполнены кольцевые канавки, которые имеют форму прямоугольной трапеции, повернутой острым углом α=25°-65° ко второму концу штуцера, на наружной поверхности второго конца штуцера выполнена резьбовая присоединительная поверхность, к которой примыкает уплотнительная кольцевая канавка, к уплотнительной кольцевой канавке примыкает ограничительный буртик, расположенный ближе к первому концу штуцера, к кольцевым канавкам примыкает установочный буртик, расположенный ближе ко второму концу штуцера, обжимная кольцевая канавка расположена между ограничительным и установочным буртиками, в центральное сквозное отверстие гибкой полимерно-армированной трубы вставлен штуцер до упора установочного буртика в торец гибкой полимерно-армированной трубы, на котором оголена металлическая оплетка, оголенная часть металлической оплетки заправлена в обжимную кольцевую канавку и снаружи обжата обжимным кольцом, в уплотнительную кольцевую канавку установлено уплотнительное кольцо из герметизирующего эластичного материала, снаружи уплотнительное кольцо плотно прижато буртиком корпуса, который установлен на наружную поверхность гибкой полимерно-армированной трубы и плотно к ней присоединен (например, обжат), в штуцере выполнено центральное сквозное отверстие, диаметр которого меньше диаметра сквозного центрального отверстия гибкой полимерно-армированной трубы.
Для увеличения надежности концевого соединения гибкой полимерно-армированной трубы и повышения его герметичности на внутренней поверхности корпуса, прилегающей к наружной поверхности гибкой полимерно-армированной трубы, выполнены кольцевые канавки, которые имеют форму прямоугольной трапеции, повернутой острым углом α=25°-65° к буртику, выполненному на внутренней поверхности корпуса. При обжатии кольцевые канавки заполняются полимерным материалом гибкой полимерно-армированной трубы, что позволяет обеспечить жесткое закрепление гибкой полимерно-армированной трубы относительно корпуса и препятствует проникновению внешней среды (например, флюида) в пространство между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью гибкой полимерно-армированной трубы.
Для расширения области применения концевого соединения гибкой полимерно-армированной трубы оно может быть выполнено не с наружной резьбовой поверхностью, а с внутренней резьбовой поверхностью (накидной гайкой). В этом случае с одного конца штуцер имеет гладкую наружную поверхность, к которой примыкает буртик, расположенный ближе к первому концу штуцера. На штуцер установлена до упора в буртик накидная гайка для присоединения наружных резьбовых поверхностей.
Известен способ соединения ниппеля с гибким рукавом [патент РФ №2350825 «Способ соединения ниппеля с гибким рукавом»], включающий деформацию рукава конической поверхностью ниппеля, содержащего коническую и цилиндрическую части с резьбой, и поджатие рукава к цилиндрической втулке, размещаемой на наружной поверхности рукава. Сначала вставляют ниппель в рукав на возможную длину, а затем на наружную поверхность рукава закручивают втулку с внутренней резьбой на длину, равную длине конической резьбовой части ниппеля, затем внутрь рукава вкручивают ниппель на длину конической части, затем доворачивают до упора наружную втулку, а затем доворачивают до упора ниппель.
Недостатком данного способа является восприятие невысоких осевых нагрузок. Низкие значения воспринимаемых осевых нагрузок связаны с тем, что в данном способе не предусмотрено закрепление оплетки гибкой полимерно-армированной трубы, к результате чего допустимая осевая нагрузка данного соединения напрямую зависит от прочностных характеристик полимерного материала, из которого изготовлена гибкая полимерно-армированная труба. В известных литературных источниках показано, что полимерные материалы, из которых изготавливают гибкие полимерно-армированные трубы (например, полиэтилен, винипласт), не обладают высокой прочностью.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ крепления армированного металлической оплеткой полимерного шланга на ниппеле [патент РФ №2066014 «Способ крепления полимерного шланга на ниппеле»], в процессе которого хвостовик ниппеля снабжают кольцевым выступом и примыкающими к нему кольцевыми уплотнительными канавками, а оплетку с конца шланга оголяют на длине, превышающей ширину кольцевого выступа хвостовика ниппеля, включающий осевую сборку соединения, в ходе которой конец шланга с оголенной оплеткой насаживают на хвостовик ниппеля до упора в кольцевой выступ, а оголенную оплетку защемляют между кольцевым выступом и накидной муфтой путем создания радиального натяга, неподвижную фиксацию муфты относительно ниппеля за счет сил трения, возникающих при защемлении оплетки, радиальное обжатие накидной муфты в цанговом или кулачковом приспособлении по двум поясам, располагаемым по разные стороны кольцевого выступа хвостовика ниппеля, при этом обжатием одного из поясов жестко закрепляют на ниппеле участок оголенной оплетки, а обжатием другого пояса обеспечивают герметичное сопряжение шланга с хвостовиком ниппеля по уплотнительным канавками. Подвергаемые радиальному обжатию пояса накидной муфты разделяют между собой кольцевой канавкой, например проточкой, а диаметры поясов муфты после обжатия выполняют равновеликими.
Недостатком данного способа является его недостаточная надежность. Недостаточная надежность связана с отсутствием уплотнительных элементов, расположенных между ниппелем и накидной муфтой, вследствие чего внешняя среда (например, флюид) проникает в зазоры между ниппелем и накидной муфтой и контактирует с металлической оплеткой, что приводит к ее коррозии, а следовательно, и к уменьшению несущей способности концевого соединения и снижению его срока службы.
Заявляемый способ предназначен для соединения гибких полимерно-армированных труб с элементами конструкций или для присоединения к ним промышленного оборудования.
Технический результат, который может быть получен с помощью заявляемого способа, сводится к повышению надежности соединения штуцера с гибкой полимерно-армированной трубой за счет того, что перед обжатием гибкой полимерно-армированной трубы между корпусом и штуцером в уплотнительную кольцевую канавку на штуцере устанавливается уплотнительное кольцо, которое при обжатии герметизирует пространство между корпусом и штуцером, что позволяет избежать контакта внешней среды с материалом оплетки и, следовательно, уменьшить его коррозию, а также избежать уменьшения несущей способности концевого соединения и увеличить срок его службы.
Технический результат заявляемого способа достигается тем, что штуцер снабжают обжимной кольцевой канавкой и примыкающей к ней уплотнительной кольцевой канавкой, а оплетку с конца гибкой полимерно-армированной трубы оголяют на длине, превышающей ширину обжимной кольцевой канавки штуцера, включающий осевую сборку соединения, в ходе которой конец гибкой полимерно-армированной трубы с оголенной оплеткой насаживают на кольцевые канавки до упора в установочный буртик. Новым является то, что перед установкой конца гибкой полимерно-армированной трубы на кольцевые канавки штуцера в уплотнительную кольцевую канавку устанавливают уплотнительное кольцо, а после установки конца гибкой полимерно-армированной трубы на кольцевые канавки штуцера заправляют под обжимное кольцо оголенную оплетку гибкой полимерно-армированной трубы, и обжимают обжимное кольцо в кулачковом или цанговом приспособлении прямыми кулачками, затем на штуцер со стороны свободного конца надевают корпус до упора буртика в торец гибкой полимерно-армированной трубы, после чего производят обжатие корпуса в кулачковом или цанговом приспособлении прямыми кулачками.
Для расширения области применения концевого соединения гибкой полимерно-армированной трубы оно может быть выполнено не с наружной резьбовой поверхностью, а с внутренней резьбовой поверхностью. В этом случае перед установкой гибкой полимерно-армированной трубы на штуцер на него со стороны кольцевых канавок устанавливают до упора в буртик накидную гайку.
На фиг.1 изображен общий вид концевого соединения. На фиг.2 изображен общий вид концевого соединения, в состав которого входит накидная гайка. На фиг.3 изображено поперечное сечение гибкой полимерно-армированной трубы. На фиг.4 изображен штуцер. На фиг.5 изображен штуцер с буртиком под накидную гайку. На фиг.6 изображен корпус. На фиг.7 изображен корпус, на внутренней поверхности которого выполнены кольцевые канавки. На фиг.8 изображена последовательность присоединения штуцера к гибкой полимерно-армированной трубе.
Концевое соединение гибкой полимерно-армированной трубы содержит корпус 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.6, фиг.8) с отверстием под штуцер 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8), штуцер 2 с размещенной на нем гибкой полимерно-армированной трубой (у прототипа - шлангом) 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8), уплотнительное кольцо 4 (фиг.1, фиг.2, фиг.8) из мягкого эластичного материала. Гибкая полимерно-армированная труба 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) состоит из внутренней полимерной трубки 5 (фиг.3), поверх которой навита одна или несколько металлических оплеток 6 (фиг.1, фиг.3, фиг.8), имеющих круглую форму в поперечном сечении, на которые нанесена наружная оболочка 7 (фиг.3), выполненная из полимерного материала. Между внутренней полимерной трубкой 5 и металлической оплеткой 6 (фиг.1, фиг.3, фиг.8) может быть уложен один или два слоя металлической ленты 8 (фиг.3), имеющей прямоугольную форму в поперечном сечении. Металлическая оплетка 6 (фиг.1, фиг.3, фиг.8) на конце гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) оголена на длине, превышающей ширину обжимной кольцевой канавки 9 (фиг.1, фиг.4), выполненной на наружной поверхности штуцера 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8). На наружной поверхности первого конца штуцера 2 выполнены кольцевые канавки 10 (фиг.1, фиг.2, фиг.4), которые имеют форму прямоугольной трапеции, повернутой острым углом α=25°-65° ко второму концу штуцера 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8). На наружной поверхности второго конца штуцера 2 выполнена резьбовая присоединительная поверхность 11 (фиг.1, фиг.4), к которой примыкает уплотнительная кольцевая канавка 12. К уплотнительной кольцевой канавке 12 примыкает ограничительный буртик 13, расположенный ближе к первому концу штуцера 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8). К кольцевым канавкам 10 (фиг.1, фиг.2, фиг.4) примыкает установочный буртик 14 (фиг.1, фиг.4), расположенный ближе ко второму концу штуцера 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8). Обжимная кольцевая канавка 9 (фиг.1, фиг.4) расположена между ограничительным и установочным буртиками 13, 14. В центральное сквозное отверстие гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) вставлен штуцер 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8) до упора установочного буртика 14 (фиг.1, фиг.4) в торец гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8), на котором оголена металлическая оплетка 6 (фиг.1, фиг.3, фиг.8). Оголенная часть металлической оплетки 6 заправлена в обжимную кольцевую канавку 9 (фиг.1, фиг.4) и снаружи обжата обжимным кольцом 15 (фиг.1, фиг.2, фиг.8). В уплотнительную кольцевую канавку 12 (фиг.1, фиг.4) установлено уплотнительное кольцо 4 (фиг.1, фиг.2, фиг.8) из герметизирующего эластичного материала, которое снаружи плотно прижато буртиком 16 (фиг.1, фиг.6) корпуса 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.6, фиг.8). Корпус 1 установлен на наружную поверхность гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) и плотно к ней присоединен (например, обжат). Диаметр центрального сквозного отверстия, выполненного в штуцере 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8), меньше диаметра сквозного центрального отверстия гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) на 25-35%. Например, для гибкой полимерно-армированной трубы 3, диаметр центрального сквозного отверстия которой равен 20 мм, используется штуцер 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8) с диаметром центрального сквозного отверстия, равным 15 мм.
Также возможно выполнение концевого соединения с жестким закреплением гибкой полимерно-армированной трубы относительно корпуса. В этом случае на внутренней поверхности корпуса 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.7, фиг.8), прилегающей к наружной поверхности гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8), выполнены кольцевые канавки 17 (фиг.7), которые имеют форму прямоугольной трапеции, повернутой острым углом α=25°-65° к буртику 16, выполненному на внутренней поверхности корпуса 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.7, фиг.8).
Также возможно выполнение концевого соединения с внутренней резьбовой присоединительной поверхностью (накидной гайкой). В этом случае с второго конца штуцер 2 (фиг.2, фиг.5, фиг.8) имеет гладкую наружную поверхность 18 (фиг.2, фиг.5), к которой примыкает буртик 19, расположенный ближе к первому концу штуцера 2 (фиг.2, фиг.5, фиг.8). На штуцер 2 установлена до упора в буртик 19 (фиг.2, фиг.5) накидная гайка 20 (фиг.2), которая предназначена для присоединения наружных резьбовых поверхностей.
Благодаря тому, что концевое соединение гибкой полимерно-армированной трубы содержит уплотнительные элементы, которые при обжатии герметизируют пространство между корпусом и штуцером, что позволяет избежать проникновения внешней среды внутрь концевого соединения, а также кольцевые канавки на наружной поверхности штуцера, которые при обжатии заполняются полимерным материалом гибкой полимерно-армированной трубы, значительно повышается герметичность концевого соединения. Благодаря тому, что к штуцеру плотно присоединяется (например, обжимается) как полимерный материал гибкой полимерно-армированной трубы, так и ее оплетка (например, стальная проволока), осевая нагрузка воспринимается как оплеткой, так и полимером, вследствие чего данное концевое соединение способно воспринимать значительные осевые нагрузки.
Присоединение штуцера к гибкой полимерно-армированной трубе осуществляется следующим образом. Штуцер 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8) (у прототипа - хвостовик ниппеля) снабжают обжимной кольцевой канавкой 9 (фиг.1, фиг.4) (у прототипа - кольцевым выступом) и примыкающей к ней уплотнительной кольцевой канавкой 12 (у прототипа кольцевыми канавками). После чего оплетку 6 (фиг.1, фиг.3, фиг.8) с конца гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) оголяют на длине, превышающей ширину обжимной кольцевой канавки 9 (фиг.1, фиг.4) штуцера 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8). Затем выполняют осевую сборку соединения, в ходе которой в уплотнительную кольцевую канавку 12 (фиг.1, фиг.4) устанавливают уплотнительное кольцо 4 (фиг.1, фиг.2, фиг.8), на штуцер 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8) концентрично (с зазором) устанавливают обжимное кольцо 15 (фиг.1, фиг.2, фиг.8), конец гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) с оголенной оплеткой 6 (фиг.1, фиг.3, фиг.8) насаживают на кольцевые канавки 10 (фиг.1, фиг.2, фиг.4) штуцера 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8) до упора в установочный буртик 14 (фиг.1, фиг.4) (у прототипа - кольцевой выступ), заправляют под обжимное кольцо 15 (фиг.1, фиг.2, фиг.8) оголенную оплетку 6 (фиг.1, фиг.3, фиг.8) гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8). После чего обжимают обжимное кольцо 15 (фиг.1, фиг.2, фиг.8) в кулачковом или цанговом приспособлении прямыми кулачками 21 (фиг.8), что обеспечивает жесткое закрепление оплетки 6 (фиг.1, фиг.3, фиг.8) на штуцере 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8). Затем на штуцер 2 со стороны второго конца надевают корпус 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.6, фиг.7, фиг.8) до упора буртика 16 (фиг.1, фиг.6, фиг.7) в торец гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) и производят обжатие корпуса 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.6, фиг.7, фиг.8) в кулачковом или цанговом приспособлении прямыми кулачками 21 (фиг.8). В результате чего происходит жесткое закрепление полимерного материала гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) в кольцевых канавках 10 (фиг.1, фиг.2, фиг.4), выполненных на наружной поверхности штуцера 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8) и на внутренней поверхности корпуса 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.6, фиг.7, фиг.8), а также сжатие уплотнительного кольца 4 (фиг.1, фиг.2, фиг.8), расположенного между штуцером 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8) и корпусом 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.6, фиг.7, фиг.8), что обеспечивает герметичное сопряжение гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) с штуцером 2 (фиг.1, фиг.4, фиг.8).
Также возможно выполнение концевого соединения с внутренней резьбовой присоединительной поверхностью (накидной гайкой). В этом случае перед установкой гибкой полимерно-армированной трубы 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.8) на штуцер 2 (фиг.2, фиг.5, фиг.8) на него со стороны кольцевых канавок 10 (фиг.1, фиг.2, фиг.4) устанавливают до упора в буртик 19 (фиг.2, фиг.5) накидную гайку 20 (фиг.2).
Благодаря тому, что перед обжатием гибкой полимерно-армированной трубы в уплотнительную канавку на штуцере устанавливаются уплотнительные элементы (уплотнительное кольцо), которое при обжатии герметизирует пространство между корпусом и штуцером, становится возможным избежать контакта внешней среды (например, флюида) с материалом оплетки и, следовательно, уменьшить его коррозию, что позволяет избежать уменьшения несущей способности концевого соединения и увеличить срок его службы.