КОМПЕНСАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ИЗОЛИРОВАННОГО ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель предназначена для компенсации осевых температурных деформаций, защиты от статических или динамических нагрузок, поглощения вибраций конструкции, обеспечения целостности и герметичности систем, соединение труб различных типов трубопроводов тепловых сетей, горячего водоснабжения (ГВС), водопроводов и паропроводов и может быть использована при сооружении систем трубопроводов в теплоэнергетике, нефтегазовой промышленности, строительстве и т.д.
Известно устройство для компенсации температурных удлинений трубопроводов тепловой сети (патент на полезную модель RU 63901, 29.09.2006 г., МПК F16L 51/02), включающее осевой компенсационный элемент с жестко присоединенными к нему патрубками, предохранительный кожух, охватывающий осевой компенсационный элемент и частично патрубки, теплогидрозащитное покрытие, в котором, на концах патрубков, ближайших к осевому компенсационному элементу, установлены центраторы, обеспечивающие соосность патрубков и зазор между осевым компенсационным элементом и предохранительным кожухом. Защитные покрытия, в данном устройстве, выполнены из пенополиуретана и полимерной оболочки, и состоят из неподвижной центральной части и двух крайних подвижных частей, причем зазоры между неподвижной центральной частью и подвижными крайними частями заполнены эластичным теплоизолятором, а сверху закрыты компенсирующими муфтами.
Устройство предназначено для компенсации температурных удлинений трубопроводов, однако конструктивное решение по гидроизоляции зазоров между подвижной и неподвижными частями обладает низкими эксплуатационными свойствами, что приводит к проникновению влаги в слой изоляции и преждевременному выходу, из-за коррозии, всего узла. Кроме того, необходимость использования двух муфт в значительной степени снижает надежность всего устройства и, к тому же, повышает стоимость изделия.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является термогидроизолированный сильфонный компенсатор по патенту RU 72038, 27.03.2008, МПК F16L 51/02. Данный компенсатор содержит стальной сильфон жестко соединенный с металлическими патрубками размещенный в стальном футляре, и нанесенную на них теплоизоляцию из пенополиуретана (ППУ), гидрозащитную трубу-оболочку из полиэтилена (ПЭ), вокруг стального патрубка (с одной или двух сторон стального сильфона) образован свободный от теплогидроизоляции кольцевой участок, на который нанесен слой теплоизоляции из минеральной ваты, защищенный с помощью термоусаживаемой муфты, жестко закрепленной к гидрозащитной трубе-оболочке со стороны сильфона клеевой лентой, а с другой стороны - между муфтой и гидрозащитной трубой-оболочкой нанесена лента из нетвердеющего герметизирующего уплотнителя.
Использование известного компенсатора направлено на поглощение температурных компенсаций трубопровода, проходящих в осевом направлении, однако гидро- и теплоизоляция всего изделия напрямую зависит от работы уплотнительных узлов. На практике уплотнители являются слабым звеном конструкции и при длительной эксплуатации не способны обеспечить надежность от воздействия факторов внешней среды, например, от проникновения грунтовых вод или абразивных частиц, а слой теплоизоляции, выполненный из минеральной ваты, при воздействии осевых нагрузок, со временем сминается, теряет свои свойства и перестает выполнять необходимые функции.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является повышение надежности компенсационного устройства изолированного трубопровода с одновременным увеличением срока эксплуатации за счет придания его конструкции возможности воспринимать осевые деформации, и, как следствие, осуществлять осевые перемещения в грунте без разрушения элементов устройства, нарушения целостности стенок гидрозащитной трубы-оболочки и целостности слоя теплоизоляции.
Под надежностью в данном случае понимается свойство заявленного устройства выполнять свои функции, сохраняя эксплуатационные показатели (обеспечение герметичности) в течение длительного времени (безотказность, долговечность) - см. Политехнический словарь гл. ред. И.И. Артоболевский, М., «Советская энциклопедия», 1976 г., с. 306.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении эксплуатационной надежности компенсационного устройства изолированного трубопровода вследствие увеличения уровня герметизации устройства за счет синхронизации восприятия (совместного восприятия) осевых нагрузок одновременно двумя элементами: внутренним подвижным стальным компенсатором и гидроизолирующим элементом, выполненным в виде податливой в осевом направлении полимерной трубы-оболочки, с обеспечением одновременной защитой ее податливой части от внешний воздействий.
Заявленная конструкция компенсационного устройства изолированного трубопровода, используемая для бесканальной прокладки трубопроводов, как и ближайший аналог, включает следующие существенные признаки:
- стальной сильфонный компенсатор, предпочтительно из нержавеющей стали, неразъемно связанный посредством патрубков с рабочей трубой и заключенный в жесткий стальной защитный корпус;
- гидрозащитную трубу-оболочку из полимерного материала;
- слой теплоизоляции, размещенный в кольцевой полости под гидрозащитной полимерной трубой-оболочкой.
Существенными отличительными признаками заявленной полезной модели, которые в совокупности с существенными признаками, общими с ближайшим аналогом, обеспечивают достижение указанного технического результата, являются следующие признаки:
- труба-оболочка выполнена с податливым в осевом направлении гофрированным участком (гофрированными участками);
- гофрированный участок (гофрированные участки) гидрозащитной трубы-оболочки плотно закрыт охватывающим его снаружи кожухом выполненным из термоусаживаемой пластмассы;
- один из концевых участков кожуха прикреплен к гидрозащитной трубе-оболочке за пределами гофрированного участка (предпочтительно, на цилиндрической части) кольцевым сварным швом. Это сделано для того, чтобы кожух из термоусаживаемого материала и гидрозащитная труба-оболочка имели возможность взаимного осевого перемещения из-за прикрепления кожуха только вблизи одного концевого участка и наличия второго свободного концевого участка, не прикрепленного к гидрозащитной трубе-оболочке;
- под поверхностью гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки расположена теплоизоляция из эластичного материала, что вследствие свойств материала теплоизоляции не препятствует движениям, под действием осевых деформаций, гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки и сильфонного компенсатора;
- защитный корпус сильфонного компенсатора выполнен из двух частей, прикрепленных к патрубкам, не связанных между собой и, соответственно, имеющих возможность осевого перемещения друг относительно друга при работе сильфонного компенсатора;
- на средней части кожуха, со стороны его внутренней поверхности, а также в местах наиболее вероятного соприкосновения внутренней поверхности кожуха и гидрозащитной трубы-оболочки может быть нанесен антифрикционный слой, обеспечивающий подвижность кожуха относительно гидрозащитной трубы-оболочки, снижающий коэффициент трения между ними и предотвращающий истирание в процессе эксплуатации, как внутренней поверхности кожуха, так и вершин гофров гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки.
Существенными отличительными признаками, характеризующими полезную модель в частных случаях ее исполнения и обусловливающими достижение указанного выше технического результата, являются следующие признаки:
- кольцевой сварной шов, соединяющий гидрозащитную трубу-оболочку и кожух, может быть поверх закрыт термоусаживаемой лентой;
- гидрозащитная труба-оболочка устройства может состоять из одного элемента или быть образованной из двух или более частей, соединенных между собой известным способом, например сваркой встык, с образованием цельной герметичной конструкции, также выполненной без нарушения целостности стенок полученной трубы-оболочки (без наличия вырезов, прорезей, отверстий и т.п.);
Гофрированный участок гидрозащитной трубы-оболочки придает ей способность сжиматься или растягиваться одновременно со стальным сильфонным компенсатором осевых перемещений, вследствие синхронного (совместного) восприятия осевых нагрузок одновременно двумя элементами: внутренним подвижным стальным компенсатором и податливым гофрированным участком гидрозащитной трубы-оболочки, что обеспечивает повышение надежности и обеспечение долговечности, кроме того, сохранение целостности стенок гидрозищитной трубы-оболочки гарантирует герметизацию всего изделия. Остальная часть гидрозащитной трубы-оболочки - обычная трубчатая оболочка, выполненная из полимерного материла цилиндрической формы. Для обеспечения большей надежности работы, податливый гофрированный участок части гидрозащитной трубы-оболочки отделен от внешней среды при помощи кольцевого защитного кожуха, располагаемого поверх гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки и прикрепленного к ней с одной стороны, при этом кожух плотно опирается на поверхности гидрозащитной трубы-оболочки как на цилиндрические, так и на гофрированный участок (по вершинам гофров).
Наличие кольцевого кожуха необходимо, т.к. он обеспечивает длительную работоспособность и не препятствует осевым перемещениям компенсационного устройства изолированного трубопровода и трубопроводной системе в целом. Кожух, выполненный термоусаживаемым, защищает податливый гофрированный участок, или участки, трубы-оболочки от внешних воздействий, например от проникновения загрязнений, механических повреждений и устанавливается поверх гофрированного участка, или участков.
Указанный технический результат обеспечивается за счет выполнения теплоизоляции из эластичного материала (например, из эластичного пенополиуретана, или из вспененного каучука), что не препятствует изменению формы гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки, при этом изменение формы гофрированного участка трубы-оболочки вследствие эластичности теплоизоляции не приводит к ее необратимым деформациям.
Возможность обратимой деформации слоя теплоизоляции в осевом направлении и обеспечение «непрерывности» слоя теплоизоляции (без смятия, образования пустот), согласно полезной модели, реализована посредством нанесения комбинированной теплоизоляции, а именно в заявленном устройстве для компенсации температурного расширения трубопровода тепловой сети имеются участки теплоизоляции, выполненные как при помощи жесткого пенополиуретана, так и при помощи гибкой (эластичной) теплоизоляции, образованной, например, из эластичного пенополиуретана, вспененного каучука и др. При этом расположение гибкого участка теплоизоляции из эластичного материала совпадает с расположением гофрированного («сильфонного») участка оболочки (находится под ним).
Возможности беспрепятственных осевых перемещений также способствует выполнение защитного корпуса сильфонного компенсатора, состоящего из двух частей, прикрепленных к патрубкам, имеющих возможность осевого перемещения друг относительно друга при работе стального сильфонного компенсатора.
Технический результат также обеспечивается за счет того, что на наличие антифрикционного слоя на внутренней поверхности в средней части кожуха обеспечивает подвижность, защищает от истирания соприкасающиеся поверхности кожуха и гидрозащитной трубы-оболочки, и тем самым гарантирует герметичность изделия.
Как один из вариантов исполнения антифрикционный слой может быть нанесен на вершины гофр гофрированного участка.
Таким образом, все существенные признаки полезной модели направлены на обеспечение указанного технического результата за счет создания условий для беспрепятственного осевого перемещения частей устройства при воздействии на него усилий, действующих в осевом направлении, что повышает надежность работы и долговечность заявленного устройства, исключает повреждение его частей, а также продлевает срок службы трубопровода в целом.
Податливый гофрированный участок, выполненный на гидрозащитной трубе-оболочке, придает ей способность воспринимать осевые деформации без разрушения одновременно со стальным сильфонным компенсатором, причем гофрированный участок гидрозащитной трубы-оболочки надежно защищен от воздействия внешней среды кольцевым защитным кожухом, установленным поверх гофрированного участка и выходящего за пределы этого участка на цилиндрическую поверхность трубы-оболочки, при этом кожух прикреплен только с одного конца к цилиндрической части трубы-оболочки, что позволяет трубе-оболочке при наличии осевых перемещений свободно скользить по внутренней поверхности кожуха (вторая концевая часть кожуха не закреплена на трубе-оболочке), чему способствует также антифрикционное покрытие, нанесенное на соприкасающиеся поверхности кожуха и гидрозащитной трубы-оболочки (на внутреннюю поверхность кожуха и/или вершины гофра), при этом кожух плотно опирается на поверхности гидрозащитной трубы-оболочки как на цилиндрические, так и на гофрированный участок (по вершинам гофров) и имеет возможность перемещения относительно них; кроме того, использование теплоизоляции из эластичного материала под гофрированным участком не препятствует осевым деформациям гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки и сильфонного компенсатора и исключает разрушение теплоизоляции под воздействием деформирующихся гофров; при этом выполнение жесткого защитного корпуса сильфонного компенсатора из двух не соединенных друг с другом частей, прикрепленных к патрубкам, связанным с соответствующей частью рабочей трубы по разные стороны от стального сильфонного компенсатора, вмонтированного в рабочую трубу, обеспечивает возможность их осевого перемещения друг относительно друга.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется чертежом, на котором изображена конструкция компенсационного устройства, воспринимающего температурные осевые перемещения изолированного трубопровода, общий вид.
На чертеже позициями обозначено:
1 - рабочая труба;
2 - стальной сильфонный компенсатор осевых перемещений;
3 - защитный стальной корпус сильфонного компенсатора;
4 - гидрозащитная труба-оболочка;
5 - гофрированный участок на гидрозащитной трубе-оболочке;
6 - кожух;
7 - теплоизоляция из жесткого пенополиуретана;
8 - теплоизоляция из эластичного материала, например, вспененного каучука;
9 - проводники системы оперативно-дистанционного контроля;
10 - кольцевой шов соединения гидрозащитной трубы-оболочки с кожухом;
11 - кольцевой шов гидрозащитной трубы-оболочки образованной, например из двух частей, сваркой встык;
12 - термоусаживаемая лента, перекрывающая кольцевой сварной шов;
13 - антифрикционный слой нанесенный на внутреннюю поверхность в средней части кожуха.
Для упрощения изображения конструкции вспомогательные элементы в виде центрирующих опор и др. условно не показаны.
Компенсационное устройство изолированного трубопровода устанавливается на участке трубопроводной системы и неразъемно соединяется с рабочей трубой 1 (встраивается в рабочую трубу трубопровода) посредством патрубков. Гидрозащитная труба-оболочка, при установке устройства в трубопровод, соединяется со смежными гидрозащитными трубами-оболочками трубопровода через термоусаживаемую муфту, а образованное кольцевое пространство между ними теплоизолируют, например, вспенивающими компонентами.
Конструкция компенсационного устройства изолированного трубопровода содержит сильфонный компенсатор 2 из нержавеющей стали (далее по тексту - сильфонный компенсатор 2), по разные стороны от которого неразъемно закреплены патрубки для соединения с рабочей трубой, причем сильфонный компенсатор 2 заключен в жесткий металлический защитный корпус 3. Жесткий защитный корпус 3 выполнен из двух частей (см. чертеж), каждая из которых соединена с рабочей трубой или соответствующим патрубком, при этом места жесткого соединения защитного корпуса 3 с патрубками располагаются по обе стороны сильфонного компенсатора 2.
Зона расположения сильфонного компенсатора 2 охвачена гидрозащитной трубой-оболочкой 4, в полости под которой размещен слой теплоизоляции. Слой теплоизоляции может представлять собой комбинированную теплоизоляцию, т.е. комбинацию из двух теплоизолирующих материалов, а именно, часть слоя теплоизоляции образована слоем 7 из твердого теплоизоляционного материала, например жесткого ППУ, другая часть - слоем 8 из эластичного материала, например, эластичного пенополиуретана, вспененного каучука и др.
Гидрозащитная труба-оболочка 4 может быть образована одним элементом или быть изготовленной из отдельных частей, в частности, двух, трех или более, при этом эти части неразъемно и герметично соединены между собой известным способом, например сваркой встык, с образованием единой конструкции. На чертеже показан пример, в соответствии с которым гидрозащитная труба-оболочка 4 образована из двух частей, сваренных встык кольцевым швом в месте, показанном на чертеже позицией 11.
Как минимум, на одной части гидрозащитной трубы-оболочки 4 выполняют податливый гофрированный участок 5, необходимый для того, чтобы позволить гидрозащитной трубе-оболочке 4 производить осевые перемещения (сжиматься, растягиваться) при осевых перемещениях сильфонного компенсатора 2. Гофрированный участок 5 может быть выполнен на одной, на двух (или более) частях гидрозащитной трубы-оболочки 4, например, по обе стороны от сильфонного компенсатора 2 (на чертеже приведен пример с одним гофрированным участком 5), а именно гофрированный участок 5 может располагаться как над стальным сильфонным компенсатором в средней части устройства, так и ближе к одному из торцов, или, при наличии двух или более гофрированных участков - одновременно в нескольких местах, например, в средней части и вблизи торца (торцов) устройства.
Для того, чтобы слой теплоизоляции не препятствовал деформации гофрированного участка 5, под поверхностью этого участка 5 располагают слой 8 теплоизоляции из эластичного теплоизоляционного материала. Слой 8 теплоизоляции из эластичного теплоизоляционного материала может располагается под поверхностью каждого гофрированного участка 5 гидрозащитной трубы-оболочки, если таких участков более одного. Эластичный теплоизоляционный материал, например, эластичный пенополиуретан, не препятствует изменению конфигурации гофрированного участка гидрозащитной трубы-оболочки, деформируясь под его воздействием. Остальная часть гидрозащитной трубы-оболочки - оболочка трубчатой формы со слоем теплоизоляции 7 из отвержденного, например, жесткого ППУ.
Слои теплоизоляции 7 и 8 из жесткого ППУ и эластичного теплоизоляционного материала соответственно, расположены в кольцевой полости между гидрозащитной трубой-оболочкой 4 и рабочей трубой 1 с сильфонным компенсатором 2 и содержат проводники системы оперативно дистанционного контроля 9 (СОДК).
Гофрированный участок 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4 придает ей способность одновременно сжиматься или растягиваться при сжатии или растяжении сильфонного компенсатора 2, а слой 8 из эластичного теплоизоляционного материала деформируется под воздействием гофрированного участка 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4. Гофрированный участок 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4 отделен от внешней среды при помощи кольцевого защитного кожуха 6, располагаемого в зоне расположения гофрированного участка 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4 поверх указанного участка 5. Это сделано для предотвращения внешнего воздействия на гофры гофрированного участка 5 гидрозащитной трубы-оболочки 4, например, для исключения попадания в гофры грунта, что может изменить свойства гофрированного участка, механически повредить его, снизить работоспособность и надежность устройства в целом или повлиять на герметичность устройства.
С одной стороны вблизи торца кожух 6 прочно прикрепляют к наружной поверхности гидрозащитной трубы-оболочки кольцевым сварным швом 10, при этом после термоусадки кожух плотно опирается на соприкасающиеся с ним участки поверхности гидрозащитной трубы-оболочки 4.
Длина кожуха, перекрывающего гофрированный участок (или участки), выполнена достаточной для охвата гофрированного участка (или участков) и при этом превышает длину гофрированного участка. В случае если имеется более одного гофрированного участка допускается возможность установки кожухов на каждый отдельный гофрированный участок.
Для снижения сил трения грунта и защиты кольцевого сварного шва 10 его плотно поверх закрывают термоусаживаемой лентой 12, кромки которой слегка заходят на наружные поверхности кожуха и гидрозащитной трубы-оболочки, а между соприкасающимися поверхностями кожуха и гидрозащитной трубы-оболочки нанесен антифрикционный слой 13.
Кожух 6 надвигают сверху и располагают над гофрированной частью гидрозащитной трубы-оболочки 4, далее его термоусаживают известными способами, например, газовой горелкой, после чего вблизи одного из торцов кожуха 6 прикрепляют к гидрозащитной трубе-оболочке 4 с помощью сварного кольцевого шва 10. Данная технологическая операция может выполняться как при производстве компенсационного устройства на заводе-производителе, так и в процессе монтажа.
Предварительно на внутреннюю поверхность кожуха и/или на вершины гофра наносят антифрикционный слой 13. Полученный шов 10 защищают от воздействия внешней среды (сил трения грунта) накладывая поверх его термоусаживаемую ленту 12, которую также термоусаживают вышеуказанным известным способом. В результате кожух 6 плотно, т.е. без наличия зазоров, прилегает обеими концевыми частями к цилиндрическим наружным поверхностям гидрозащитной трубы-оболочки, а средней частью - к гофрам на гидрозащитной трубе-оболочке 4.