ТРУБНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ЗАКЛИНИВАЮЩЕЙ КАНАВКОЙ
TUBULAR ELEMENT WITH WEDGING GROOVE

Ссылка на родственную заявку
Настоящая заявка основана на предварительной заявке на патент США № 62/287,015, поданной 26 января 2016, по которой испрашивается приоритет, и которая настоящим включена в нижеприведенное описание путем ссылки.
Область техники, к которой относится изобретения
Настоящее изобретение относится к усовершенствованным формам канавки для элементов труб, соединяемых механическими муфтами, и к формам замка муфты, совместимым с усовершенствованными формами канавки.
Предпосылки к созданию изобретения
Как показано на фиг. 1, один тип механической муфты 10 для соединения трубных элементов 12 и 14 торец к торцу основан на дугообразных выступах, известных как замки 16, которые находятся в механическом зацеплении с периферийными канавками 18 в элементах труб. Хотя такие муфты оказались очень эффективными и экономичными, такая известная конфигурации имеет ряд ограничений. Например, когда на такое соединение действуют нагрузки, особенно нагрузки на торцы, вызванные внутренним давлением, осевые растягивающие силы и изгиб, соединение может не выдержать таких нагрузок, даже не достигающих полного предела прочности при растяжении образованных типов труб. Для увеличения потенциальной прочности трубного элемента и, тем самым, для увеличения способности соединения выдерживать давление, к трубным элементам можно приварить внешние кольца, содержащие канавки, чтобы создать механическое зацепление с замами муфты в конфигурации, которая не изменяет боковую стенку трубного элемента либо путем удаления материала (механические канавки), либо путем деформирования боковой стенки (накатанные канавки).
Хотя приваренные внешние кольца могут позволить повысить прочность соединения до полного предела прочности трубы, недостаток такого решения заключается в необходимости приваривать кольца на трубные элементы. Эта процедура повышает издержки, требует времени и опытных сварщиков, затрудняет производство. Очевидно, что существует потребность в конструкции трубы, которая реализует прочность трубного элемента и, следовательно, позволяет повысить внутреннее давление и пределы осевых растягивающих нагрузок, достижимых с использованием механических муфт без необходимости в внешних приваренных кольцах.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к трубному элементу, имеющему первый и второй расположенные противоположно концы. В одном иллюстративном варианте трубный элемент содержит боковую стенку, окружающую продольную ось и образующую канал. Боковая стенка имеет внешнюю поверхность. Первая канавка расположена во внешней поверхности. Первая канавка продолжается по окружности вокруг канала и расположена рядом с первым концом. Первая канавка образована первым множеством вспомогательных поверхностей внешней поверхности, включая:
первую вспомогательную поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и обращенную от первого конца;
вторую вспомогательную поверхность, ориентированную под углом к продольной оси, при этом вторая вспомогательная поверхность отнесена то первой вспомогательной поверхности и обращена к ней;
третью вспомогательную поверхность, прилегающую к первой вспомогательной поверхности, при этом третья вспомогательная поверхность ориентирована под углом к продольной оси и наклонена ко второй вспомогательной поверхности;
четвертую вспомогательную поверхность, прилегающую к третьей и второй вспомогательным поверхностям, при этом четвертая вспомогательная поверхность ориентирована под углом к продольной оси.
В конкретном иллюстративном варианте первая вспомогательная поверхность ориентирована под углом от 80° до 90° к продольной оси. Далее, например, первая вспомогательная поверхность ориентирована под углом 89° к продольной оси. В другом примере третья вспомогательная поверхность ориентирована под углом от 1° до 25° к продольной оси. В еще одном примере третья вспомогательная поверхность ориентирована под углом 10° к продольной оси. В другом примере вторая вспомогательная поверхность ориентирована под углом 90° к продольной оси. Далее, например, вторая вспомогательная поверхность ориентирована под углом от 40° до 70° к продольной оси. В иллюстративном варианте вторая вспомогательная поверхность ориентирована под углом 50° к продольной оси. В еще одном примере четвертая вспомогательная поверхность ориентирована под углом от +5° до -5° к продольной оси.
В иллюстративном варианте трубный элемент далее содержит вторую канавку, расположенную во внешней поверхности. Вторая канавка продолжается по окружности вокруг канала и расположена рядом со вторым концом. Вторая канавки образована вторым множеством вспомогательных поверхностей внешней поверхности, включая:
пятую вспомогательную поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и обращенную от второго конца;
шестую вспомогательную поверхность, ориентированную под углом к продольной оси, при этом шестая вспомогательная поверхность отнесена то пятой вспомогательной поверхности и обращена к ней;
седьмую вспомогательную поверхность, прилегающую к пятой вспомогательной поверхности, при этом седьмая вспомогательная поверхность ориентирована под углом к продольной оси и наклонена к шестой вспомогательной поверхности;
восьмую вспомогательную поверхность, прилегающую к седьмой и шестой вспомогательным поверхностям, при этом восьмая вспомогательная поверхность ориентирована под углом к продольной оси.
В другом иллюстративном варианте первая и пятая вспомогательные поверхности ориентированы под углом от 80° до 90° к продольной оси. Далее, например, первая и пятая вспомогательные поверхности ориентированы под углом 89° к продольной оси. В другом примере третья и седьмая вспомогательные поверхности ориентированы под углом от 1° до 25° к продольной оси. В еще одном примере третья и седьмая вспомогательные поверхности ориентированы под углом 10° к продольной оси. В другом примере вторая и шестая вспомогательные поверхности ориентированы под углом 90° к продольной оси. В другом примере вторая и шестая вспомогательные поверхности ориентированы под углом от 40° до 70° к продольной оси. Далее, например, вторая и шестая вспомогательные поверхности ориентированы под углом 50° к продольной оси. В другом примере четвертая и восьмая вспомогательные поверхности ориентированы под углом от +5° до -5° к продольной оси.
Настоящее изобретение далее охватывает, в комбинации, трубный элемент, описанный выше, и муфту. В одном примере муфта содержит множество сегментов, прикрепленных друг к другу торец к торцу, окружая первый конец трубного элемента. На каждом конце сегментов расположены регулируемые крепежные элементы для крепления сегментов друг к другу. На одной стороне каждого из сегментов расположен по меньшей мере один дугообразный выступ, находящийся в зацеплении с первой канавкой. Этот по меньшей мере один дугообразный выступ содержит множество сопрягаемых поверхностей, включая:
первую сопрягаемую поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и обращенный к первой вспомогательной поверхности;
вторую сопрягаемую поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и обращенную ко второй вспомогательной поверхности;
третью сопрягаемую поверхность, расположенную под углом к продольной оси и контактирующую с третьей вспомогательной поверхностью; и
четвертую сопрягаемую поверхность, обращенную к четвертой вспомогательной поверхности.
В иллюстративном варианте между четвертой сопрягаемой поверхностью и четвертой вспомогательной поверхностью имеется зазор. В другом примере этот по меньшей мере один дугообразный выступ содержит выполненное в нем углубление, образующее зазор между четвертой сопрягаемой поверхностью и четвертой вспомогательной поверхностью.
Другой иллюстративный вариант содержит в комбинации трубный элемент, описанный выше и муфту. Например, муфта содержит множество сегментов, прикрепленных друг к другу торец к торцу, окружая первый конец трубного элемента. На каждом конце сегментов расположены регулируемые крепежные элементы для крепления сегментов друг к другу. На одной стороне каждого из сегментов расположен по меньшей мере один дугообразный выступ, находящийся в зацеплении с первой канавкой. Этот по меньшей мере один дугообразный выступ содержит множество сопрягаемых поверхностей, включая:
первую сопрягаемую поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и обращенный к первой вспомогательной поверхности;
вторую сопрягаемую поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и обращенную ко второй вспомогательной поверхности;
третью сопрягаемую поверхность, расположенную под углом к продольной оси и контактирующую с третьей вспомогательной поверхностью; и
четвертую сопрягаемую поверхность, обращенную к четвертой вспомогательной поверхности.
Например, между четвертой сопрягаемой поверхностью и четвертой вспомогательной поверхностью имеется зазор. В другом примере этот по меньшей мере один дугообразный выступ содержит выполненное в нем углубление, образующее зазор между четвертой сопрягаемой поверхностью и четвертой вспомогательной поверхностью. В иллюстративном варианте муфта содержит не более двух сегментов.
Изобретение также относится к муфте для соединения элементов труб. В иллюстративном варианте муфта содержит множество сегментов, прикрепленных друг дугу торец к торцу, окружая центральное пространство для приема трубных элементов. На каждом конце сегментов расположены регулируемые крепежные элементы для крепления сегментов друг к другу. На первой стороне каждого сегмента расположен по меньшей мере первый дугообразный выступ. Первый дугообразный выступ содержит множество сопрягаемых поверхностей, включая:
первую сопрягаемую поверхность, ориентированную под углом к продольной оси, проходящей через центральное пространство соосно с сегментами;
вторую сопрягаемую поверхность, отнесенную от первой сопрягаемой поверхности и ориентированную под углом к продольной оси;
третью сопрягаемую поверхность, прилегающую к первой сопрягаемой поверхности и ориентированную под углом к продольной оси; и
четвертую сопрягаемую поверхность между третьей и второй сопрягаемыми поверхностями и ориентированную под углом к продольной оси.
В иллюстративном варианте трубный элемент далее содержит второй дугообразный выступ, расположенный на второй стороне каждого из сегментов. Второй дугообразный выступ содержит множество сопрягаемых поверхностей, включая:
пятую сопрягаемую поверхность, ориентированную под углом к продольной оси;
шестую сопрягаемую поверхность, отнесенную от пятой сопрягаемой поверхности и ориентированную под углом к продольной оси;
седьмую сопрягаемую поверхность, прилегающую к пятой сопрягаемой поверхности и ориентированную под углом к продольной оси; и
восьмую сопрягаемую поверхность, продолжающуюся между шестой и седьмой сопрягаемыми поверхностями и ориентированную под углом к продольной оси.
В иллюстративном варианте первая сопрягаемая поверхность ориентирована под углом от 80° до 90° к продольной оси. В другом иллюстративном варианте первая сопрягаемая поверхность ориентирована под углом 89° к продольной оси. В другом примере третья сопрягаемая поверхность ориентирована под углом от 1° до 25° к продольной оси. В другом примере третья сопрягаемая поверхность ориентирована под углом 10° к продольной оси. В другом примере вторая сопрягаемая поверхность ориентирована под углом 90° к продольной оси. В другом примере вторая сопрягаемая поверхность ориентирована под углом от 40° до 70° к продольной оси. Далее, например, вторая сопрягаемая поверхность ориентирована под углом 50° к продольной оси. В другом примере четвертая сопрягаемая поверхность ориентирована под углом от +5° до -5° к продольной оси. В иллюстративном варианте первая и пятая сопрягаемые поверхности ориентированы под углом от 80° до 90° к продольной оси. Далее, например, первая и пятая сопрягаемые поверхности ориентированы под углом 89° к продольной оси. В другом примере третья и седьмая сопрягаемые поверхности ориентированы под углом от 1° до 25° к продольной оси. Далее, например, третья и седьмая сопрягаемые поверхности ориентированы под углом 10° к продольной оси. Также, например, вторая и шестая сопрягаемые поверхности ориентированы под углом 90° к продольной оси. В иллюстративном варианте вторая и шестая сопрягаемые поверхности ориентированы под углом от 40° до 70° к продольной оси. В другом примере вторая и шестая сопрягаемые поверхности ориентированы под углом 50° к продольной оси. В другом примере четвертая и восьмая сопрягаемые поверхности ориентированы под углом от +5° до -5° к продольной оси.
Настоящее изобретения также охватывает в комбинации муфту, описанную выше, и трубный элемент. В одном иллюстративном варианте трубный элемент содержит боковую стенку, окружающую продольную ось, и образующую канал. Боковая стенка имеет внешнюю поверхность. Во внешней поверхности выполнена первая канавка. Первая канавка продолжается по окружности вокруг канала и расположена рядом с первым концом. Первая канавка образована первым множеством вспомогательных поверхностей внешней поверхности, включая:
первую вспомогательную поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и обращенную к первой сопрягаемой поверхности;
вторую вспомогательную поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и обращенную ко второй сопрягаемой поверхности;
третью вспомогательную поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и контактирующую с третьей сопрягаемой поверхностью; и
четвертую вспомогательную поверхность, обращенную к четвертой сопрягаемой поверхности.
В иллюстративном варианте между четвертой сопрягаемой поверхностью и четвертой вспомогательной поверхностью имеется зазор. В иллюстративном варианте первый дугообразный выступ содержит выполненное в не углубление, образующее зазор между четвертой сопрягаемой поверхностью и четвертой вспомогательной поверхностью.
Другой иллюстративный вариант содержит в комбинации муфту, описанную выше, и трубный элемент. Например, трубный элемент содержит:
боковую стенку, окружающую продольную ось и образующую канал, при этом боковая стенка имеет внешнюю поверхность;
первую канавку, расположенную во внешней поверхности, при этом первая канавка продолжается по окружности вокруг канала и расположена рядом с первым концом, при этом первая канавка образована первым множеством вспомогательных поверхностей внешней поверхности, включая
первую вспомогательную поверхность, ориентированную перпендикулярно продольной оси и обращенную к первой сопрягаемой поверхности;
вторую вспомогательную поверхность, ориентированную перпендикулярно к продольной оси и обращенную ко второй сопрягаемой поверхности;
третью вспомогательную поверхность, ориентированную под углом к продольной оси и контактирующую с третьей сопрягаемой поверхностью, и
четвертую вспомогательную поверхность, обращенную к четвертой сопрягаемой поверхности.
Например, между четвертой сопрягаемой поверхностью и четвертой вспомогательной поверхностью имеется зазор. В иллюстративном варианте первый дугообразный выступ содержит выполненное в нем углубление, образующее зазор между четвертой сопрягаемой поверхностью и четвертой вспомогательной поверхностью.
В иллюстративном варианте муфта содержит не более двух сегментов.
Настоящее изобретение также охватывает способ сборки муфты, имеющей дугообразный выступ, с трубным элементом. В одном иллюстративном варианте способ содержит этапы, на которых:
вводят в контакт третью вспомогательную поверхность канавки с участком дугообразного выступа;
вводят в контакт вторую вспомогательную поверхность канавки с другой частью дугообразного выступа.
Настоящее изобретение также охватывает способ эксплуатации муфты, имеющей дугообразный выступ, находящийся в зацеплении с канавкой трубного элемента. В одном примере способ содержит этапы, на которых:
прилагают растягивающую силу между трубным элементом и муфтой, тем самым заставляя дугообразный участок войт в зацеплении с первой вспомогательной поверхностью, а другой участок дугообразного выступа войти в зацепление с третьей вспомогательной поверхностью.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - продольное сечение трубного соединение по предшествующему уровню техники.
Фиг. 2 - вид в изометрии примера комбинации муфты и элементов труб по настоящему изобретению.
Фиг. 3 - продольное сечение части примера муфты и элементов труб, показанных на начальном этапе сборки.
Фиг. 3А - продольное сечение части другого примера муфты и элементов труб по настоящему изобретению.
Фиг. 3В - продольное сечение части примера муфты и элементов труб, показанных на фиг. 3, в полностью нагруженном состоянии.
Фиг. 4 - частичное продольное сечение примера элемента труы по настоящему изобретению.
Фиг. 5 - частичное продольное сечение, иллюстрирующее устройство и способ для формирования элементов труб по настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
На фиг 2 показан пример механической трубной муфты 20 по настоящему изобретению, соединяющую иллюстративные элементы 22 и 24 труб по настоящему изобретению. Муфта 20 содержит сегменты 26 и 28, скрепленные торец к торцу так, чтобы окружать центральное пространство 30, в которое вставлены элементы 22 и 24 труб. Крепление сегментов друг к другу осуществляется регулируемыми крепежными элементами 32 и 34, которые в этом примере содержать проушины 36, 38, которые, соответственно выступают с противоположных концов каждого сегмента 26, 28. Проушины 36, 38 в этом примере имеют усиливающие угольники 40 и отверстия 42, в которые вставлены крепежные элементы 44, в этом примере шпильки 46 и гайки 48.
Как показано в сечении на фиг. 3, каждый сегмент (в сечении оказан сегмент 26) имеет два дугообразных выступа, также известных как замки 50 и 52, расположенные на противоположных сторонах каждого сегмента. Замки 50 и 52 выступают в сторону центрального пространства 30 и находятся в механическом зацеплении с соответствующей периферийной канавкой 54 и 88 на каждом трубном элементе. Герметичность стыка обеспечивается уплотняющим кольцом 56, захваченным и сжатым между сегментами 26 и 28 и элементами 22 и 24 труб, когда крепежные элементы 44 (см. фиг. 2) регулируемо затянуты, чтобы стянуть сегменты 26 и 28 друг к другу и ввести их в зацепление с трубными элементами для формирования соединения.
На фиг. 4 подробно показан элемент 24 труб и его канавка 54. В этом примере элемент 24 содержит боковую стенку 58, окружающую продольную ось 60 и образующую канал 62. Канавка 54 выполнена во внешней поверхности 64 боковой стенки 58. Канавка 54 продолжается по окружности вокруг канала 62 и расположена рядом с концом 66 трубного элемента 24. Как показано на фиг. 3, положение канавки 54 относительно конца 66 трубы координируется с муфтой 20 так, чтобы создать площадки 70 для герметизирующего зацепления с манжетами 72 уплотняющего кольца 56.
Как показано на фиг. 4, канавка 54 содержит первую вспомогательную поверхность 74, показанную ориентированной перпендикулярно (90°) к продольно оси 60. Угол 73 ориентации первой вспомогательной поверхности 74 может быть от 80° до 90° к продольной оси 60, при этом предпочтительным является угол 89°. Первая вспомогательная поверхность 74 обращена от конца 66 трубного элемента 24. Вторая вспомогательная поверхность 76 отнесена от первой вспомогательной поверхности 74 и обращена к концу 66 трубного элемента 24. третья вспомогательная поверхность 78 прилегает к первой вспомогательной поверхности 74, ориентирована под углом к продольной оси 60 и наклонена к второй вспомогательной поверхности 76. Четвертая вспомогательная поверхность 80 прилегает и к второй, и к третьей вспомогательным поверхностям. Четвертая вспомогательная поверхность 80 показана ориентированной параллельно (угол 0°) продольной оси 60, но в практической конструкции угол 79 ее ориентации может составлять от +5° до -5°. Термины "перпендикулярно", "параллельно" и "ориентирована под углом" означают перпендикулярно, перпендикулярно или ориентацию под углом относительно опорной оси с нормальными производственными допусками для рассматриваемого трубного элемента.
В практической конструкции вторая вспомогательная поверхность 76 может иметь угол 82 ориентации от прибл. 40° до прибл. 70° относительно продольной оси 60; угол 82 ориентации, равный прибл. 50°, считается предпочтительным для некоторых вариантов применения. Аналогично, третья вспомогательная поверхность 78 может иметь угол 84 ориентации от прибл. 1° до прибл. 25° относительно продольной оси 60, и угол 84 ориентации, равный прибл. 10° считается предпочтительным для некоторых вариантов применения.
Как далее показано на фиг. 4, трубный элемент 4 может иметь второй конец 86, расположенные напротив конца 66 (который моно считать "первым" концом), и второй конец 86 имеет вторую канавку 88, конфигурация которой аналогична конфигурации первой канавки 53. В этом иллюстративном варианте вторая канавка содержит пятую вспомогательную поверхность 90, показанную ориентированной перпендикулярно (90°) к продольной оси 60. Угол 91 ориентации пятой вспомогательной поверхности 90 может составлять от 80° до 90° к продольной оси 60, при этом этот угол ориентации, равный 89° является предпочтительным. Пятая вспомогательная поверхность 90 обращена от второго конца 86 трубного элемента 24. Шестая вспомогательная поверхность 92 ориентирована под углом к к продольной оси 60. Шестая вспомогательная поверхность 92 отнесена от пятой вспомогательной поверхности 90 и обращена ко второму концу 86 трубного элемента 24. Седьмая вспомогательная поверхность 94 прилегает к пятой вспомогательной поверхности 90, ориентирована под углом к продольной оси 60 и наклонена к шестой вспомогательной поверхности 92. Восьмая вспомогательная поверхность 96 показана ориентированной параллельно (0°) продольной оси 60, но в практической конструкции ее угол 97 ориентации может быть от +5° до -5°.
В практической конструкции шестая вспомогательная поверхность 92 может иметь угол 98 ориентации от прибл. 40° до прибл. 70° относительно продольной оси 60; угол 98 ориентации, равный прибл. 50°, считается предпочтительным для некоторых вариантов применения. Аналогично, седьмая вспомогательная поверхность 94 может иметь угол 100 ориентации от прибл. 1° до прибл. 25° относительно продольной оси 60, и угол 100 ориентации, равный прибл. 10° считается предпочтительным для некоторых вариантов применения.
Канавки 54, 88 могут быть сформированы в элементах 34, 36 труб выдавливанием, как показано на фиг. 5. Как показано для примера для канавки 54 трубного элемента 24, трубный элемент подвергают холодной обработке, вращая его между внутренним роликом 101, который контактирует с внутренней поверхностью 103 трубного элемента, и внешним роликом 105, который контактирует с внешней поверхностью 107 трубного элемента. Типично, внутренний ролик 101 является ведущим (вращается вокруг оси 109, параллельной продольной оси 60 трубного элемента 24). Ведущий внутренний ролик 101 вращает трубный элемент, который, в свою очередь, вращает внешний ролик 1-5 вокруг оси 111, в результате контактного трения между роликами и трубным элементом. Внешний ролик 105, являющийся ведомым, обычно прижимается в направлении внутреннего ролика 101 гидравлическим домкратом 113, деформируя трубный элемент и формируя канавку 54, имеющую форму, определяемую формой внутреннего и внешнего роликов 101 и 105. Канавки 54 и 88 также можно формировать машинной обработкой.
На фиг. 2 и 3 показана комбинация трубного элемента (22 и/или 24) и муфты 20, соединяющей трубные элементы торец к торцу. На фиг. 3 подробно показана геометрия сечения дугообразных выступов или замков 50 и 52, входящих в механическое зацепление с проходящими по окружности канавками 88 и 54 в каждом трубном элементе 22 и 24 сначала при сборке соединения, т.е., перед созданием внутреннего давления, создающего нагрузку на торцы, осевые растягивающие силы и изгибающие нагрузки.
В этом иллюстративном варианте замок 52 содержит множество сопрягаемых поверхностей, включая первую сопрягаемую поверхность 102, показанную ориентированной перпендикулярно продольной оси 60 и обращенную к первой вспомогательной поверхности 74. Следует отметить, что сначала, при сборке обычно будет возникать зазор между первой сопрягаемой поверхность 102 и и первой вспомогательной поверхностью 74, поскольку угловое соотношение между вспомогательной поверхностью 78 и вспомогательной поверхностью 80 стремиться сместить положение замка 52 от вспомогательной поверхности 74. Вторая сопрягаемая поверхность 104 ориентирована под углом к продольной оси 60, отнесена от первой сопрягаемой поверхностью 102 и первоначально, при сборке, контактирует со второй вспомогательной поверхностью 76 Третья сопрягаемая поверхность 106 ориентирована под углом к продольной оси 60 и прилегает к первой сопрягаемой поверхности 102. Третья сопрягаемая поверхность 106 первоначально, при сборке, контактирует с третьей вспомогательной поверхностью 78. Четвертая сопрягаемая поверхность 108 продолжается между второй и третьей сопрягаемыми поверхностями 104 и 106, обращена к четвертой вспомогательной поверхности 80 и отнесена от нее, тем самым образуя зазор 115. Этот зазор 115 формируется благодаря наличию углубления в четвертой сопрягаемой поверхности 108 дугообразного выступа (замка) 52. Аналогично, замок 50 также содержит множество сопрягаемых поверхностей, включая пятую сопрягаемую поверхность 110, показанную ориентированной перпендикулярно продольной оси 60 и обращенную в пятой вспомогательной поверхности 90. Между пятой сопрягаемой поверхностью 110 и пятой вспомогательной поверхностью 90 первоначально при сборке присутствует зазор, поскольку угловое соотношение между вспомогательной поверхностью 94 и вспомогательной поверхностью 96 стремится сместить положение замка 50 от вспомогательной поверхности 90. Шестая сопрягаемая поверхность 112 ориентирована под углом к продольной оси 60, отнесена от пятой сопрягаемой поверхности 110 и первоначально, при сборке контактирует с шестой вспомогательной поверхностью 92. Седьмая сопрягаемая поверхность 114 ориентирована под углом к продольной оси 60 и прилегает к пятой сопрягаемой поверхности 110. Седьмая сопрягаемая поверхность 114 первоначально при сборке контактирует с седьмой вспомогательной поверхностью 94. Восьмая сопрягаемая поверхность 116 продолжается между шестой и седьмой сопрягаемыми поверхностями 112 и 114, обращена к восьмой вспомогательной поверхности 96 и отнесена от нее, тем самым образуя зазор 117. Этот зазор 117 формируется благодаря наличию углубления в восьмой сопрягаемой поверхности 116 дугообразного выступа (замка) 50.
В практической конструкции сопрягаемые поверхности имеют углы ориентации, согласованные с соответствующими вспомогательными поверхностями, с которыми они контактируют. Так, первая сопрягаемая поверхность 102 может иметь угол 119 ориентации от прибл. 80° до прибл. 90° к продольной оси 60, при этом предпочтительным является угол, равный прибл. 89°. Вторая сопрягаемая поверхность 104 может иметь угол 118 ориентации от прибл. 40° до прибл. 70° к продольной оси 60. Для некоторых вариантов применения предпочтительным считается угол 118 ориентации, равный прибл. 50°. Третья сопрягаемая поверхность 106 может иметь угол 120 ориентации от прибл. 1° до прибл. 25° к продольной оси 60. Для некоторых вариантов применения предпочтительным считается угол 120 ориентации, равный прибл. 10°. Угол 121 ориентации четвертой сопрягаемой поверхности 108 может составлять от прибл. +5° до прибл. -5° к продольной оси 60.
На фиг. 3А показан другой иллюстративный вариант, в котором муфта 20а соединяет элементы 22а и 24а труб. В этом примере вспомогательная поверхность 92а на трубном элементе 22а и сопрягаемая с ней поверхность 112а на замке 50 муфты 20а ориентированы под углом прибл. 90° к продольной оси 60. Аналогично, вспомогательная поверхность 76а на трубном элементе 24а и сопрягаемая с ей поверхность 104 на замке 52а муфты 20а ориентированы под углом прибл. 90° к продольной оси 60. Как свидетельствует отсутствие зазоров между сопрягаемой поверхностью 110 и вспомогательной поверхностью 90, и сопрягаемой поверхностью 102 и вспомогательной поверхностью 74, соединение показано под воздействием внутреннего давления, создающего нагрузку на торцы и/или осевые растягивающие силы, как более подробно описано ниже.
Иллюстративные элементы 22 и 24 (или 22а и 24а) труб, используемые в комбинации с иллюстративной муфтой 20 (или муфтой 20а, соответственно) дают выраженное улучшение по сравнению с известными соединительными системами с канавкой, полученной непосредственной механической деформацией или резанием. Это улучшение характеристик происходит из-за лучшего распределения осевых нагрузок, которые, в отличие от известных муфт, воздействуют не исключительно на первую и пятую вспомогательные поверхности 74 и 90. Вместо этого часть осевой нагрузки воздействует на вспомогательные поверхности 74 и 90 в результате контакта между третьей сопрягаемой поверхностью 106 и третьей вспомогательной поверхностью 78 и седьмой сопрягаемой поверхностью 114 и седьмой вспомогательной поверхностью 94. Эти сопрягаемые поверхности на муфте и вспомогательные поверхности на элементах труб ориентированы под углом к продольной оси 60. Таким образом, когда, как показано на фиг. 3В, на трубное соединение воздействуют торцевые нагрузки, создаваемые внутренним давлением, и/или осевые растягивающие силы, элементы 22 и 24 (или 22а и 24а) труб сдвигаются в осевом направлении друг от друга, вышеуказанные сопрягаемые поверхности 106 и 114 въезжают по наклонным вспомогательным поверхностям 78 и 94 чтобы войти в больший расклинивающий, зажимающий контакт с сопрягаемыми поверхностями 106 и 114, соответственно, пока сопрягаемые поверхности 102 и 110 не войдут в плотный контакт с первой и пятой вспомогательными поверхностями 74 и 90 элементов 22 и 24 (или 22а и 24а) труб. Торцевым нагрузкам, создаваемым внутренним давлением и/или осевым растягивающим силам, таким образом, оказывает сопротивление не только контакт между сопрягаемыми поверхностями 102 и 110 муфты и вспомогательными поверхностями 74 и 90 элементов труб, но и расклинивающий, зажимающий контакт сопрягаемых поверхностей 106 и 114 с наклонными вспомогательными поверхностями 78 и 94. Замки 50 и 52 (также 50а и 52а) сконструированы так, что они е полностью заполняют соответствующие канавки 88 и 54. Когда трубное соединение находится под нагрузкой, элементы 22 и 24 труб выталкиваются друг от друга, пока вспомогательные поверхности 74 и 90 не войдут в контакт с сопрягаемыми поверхностями 102 и 110 соответственно. Это открывает зазор между вспомогательными поверхностями 92 и 76 и их соответствующими сопрягаемыми поверхностями 112 и 114. Отход четвертой сопрягаемой поверхности 108 от четвертой вспомогательной поверхности 80 и отход восьмой сопрягаемой поверхности 116 от восьмой вспомогательной поверхности 96 дает необходимое пространство, чтобы достичь контакта между вспомогательной поверхностью 78 и сопрягаемой поверхностью 116, а также между вспомогательной поверхностью 94 и сопрягаемой поверхностью 114.
Распределение нагрузки, которое обеспечивает повышение характеристик, осуществляется за счет геометрии замков 50 и 52 и соответствующих канавок 88 и 54, с которыми они входят в зацепление, а также за счет способа сборки и эксплуатации муфты и элементов труб по настоящему изобретению. В иллюстративном варианте одного способа сборки, описанного для трубного элемента 24 и муфты 20 со ссылками на фиг. 3, способ содержит этапы, на которых вводят в контакт третью вспомогательную поверхность 78 канавки 54 с частью (третьей сопрягаемой поверхностью 106) дугообразного выступа (замка) 52 и вводят в контакт вторую вспомогательную поверхность 76 канавки 54 с другой частью (второй сопрягаемой поверхностью 104) дугообразного выступа (замка) 52. Когда комбинация включает второй трубный элемент 22, сборка осуществляется аналогично: вводят в контакт седьмую вспомогательную поверхность 94 канавки 88 с частью (седьмой сопрягаемой поверхностью 114) дугообразного выступа (замка) 50, и вводят в контакт шестую вспомогательную поверхность 92 канавки 88 с другой частью (шестой сопрягаемой поверхностью 112) дугообразного выступа (замка) 50.
Иллюстративный способ эксплуатации муфты 20, имеющей дугообразные выступы 50, 52, находящиеся в зацеплении с канавками 88, 54 элементов 22 и 24 труб, как показано на фиг. 3 и 3В, содержит этапы, на которых собирают элементы 26 и 28 муфты вокруг элементов 22 и 24 труб так, чтобы замки 50, 52 находились в канавках 88 и 54, соответственно (фиг. 3). Крепежные элементы 44 вставляют и затягивают для соединения соединительных элементов 32 и 34 и обеспечения того, чтобы по меньшей мере сопрягаемые поверхности 106 и 114 вошли в контакт с вспомогательными поверхностями 78 и 94, соответственно. Как показано на фиг. 3В, к муфте прилагают силы (возникающие в результате давления в системе, гравитационных или других торцевых нагрузок), которые создают растягивающую силу между трубными элементами и муфтой, тем самым заставляя соответствующие части дугообразных выступов (первая и пятая сопрягаемые поверхности (102, 110) войти в зацепление, соответственно, с первой и пятой вспомогательными поверхностями 74 и 90 канавок 54 и 88, а другие части (третью и седьмую сопрягаемые поверхности 106 и 114) дугообразных выступов 52 и 50 соответственно войти в зацепление с третьей и седьмой вспомогательными поверхностями 78 и 94.
Трубные элементы и соответствующие муфты по настоящему изобретению показали выраженное улучшение при достижении цели использования большей части потенциальной прочности трубного элемента по сравнению с известными трубными элементами и муфтами.