СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ
METHOD OF JOINTING PIPES TOGETHER

Предлагаемый способ относится к строительному производству и к машиностроению и может быть применен, например, при строительстве магистральных трубопроводов.
Известен способ соединения металлических труб (патент СССР №2023931 от 31.07.1990 г., МКИ F16L 13/14). По этому способу на стык труб устанавливают герметизирующий элемент в виде цилиндрической прокладки. На трубы с внешней стороны насаживают обжимную муфту с кольцевой проточкой, имеющей сечение в виде трапеции на наружной поверхности. Затем производят редуцирование труб и муфты от каждого из двух торцов муфты к ее середине. Редуцирующую силу направляют под углом 70…84° к наружной поверхности муфты. Известный способ обеспечивает соединение труб. Однако прочность и надежность такого соединения, особенно при высоких и знакопеременных или пульсирующих нагрузках, невысока.
Известен также способ соединения труб (патент США №2903763 от 14 декабря 1953 г.), который принят за прототип. По прототипу на наружной поверхности концов медной и алюминиевой труб делают кольцевые канавки, образующие выступы, имеющие в поперечном сечении форму треугольника. Затем концы труб стыкуют. На стык труб устанавливают литейную форму и отливают в этой форме муфту из алюминия, имеющую трапецеидальную форму сечения стенок. Заливаемый в литейную форму алюминий заполняет канавки между выступами. Это обеспечивает прочность соединения труб под давлением циркулирующей в трубах среды. После охлаждения отлитой муфты литейную форму удаляют. Нарезка канавок на концах медной и алюминиевой труб не представляет трудностей. Однако при необходимости соединения стальных труб, особенно крупногабаритных, такая нарезка трудоемка. Кроме того, при осуществлении способа по прототипу могут образовываться местные несплавления металла отлитой на стыке труб муфты с поверхностями впадин и выступов. Это может привести к потере герметичности стыка труб. Таким образом, способ по прототипу также не обеспечивает надежность соединений.
Технический результат предлагаемого способа - повышение надежности соединения труб.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что концы труб стыкуют, после стыковки на стык труб устанавливают литейную форму и отливают в ней усиливающую муфту. Сечение стенки муфты выполняют в форме трапеции. После охлаждения усиливающей муфты литейную форму удаляют. В отличие от прототипа перед установкой литейной формы состыкованные концы труб сваривают между собой кольцевым швом. Перед отливкой усиливающей муфты стык труб и литейную форму подогревают. После удаления литейной формы торцы отлитой на стыке труб усиливающей муфты приваривают кольцевыми швами к поверхностям соединяемых труб. При этом сварку производят с проплавлением стенок труб в пределах 0,2…0,5 δ, где δ - толщина стенки трубы.
По другому варианту перед установкой на стык труб литейной формы на поверхности стыка труб устанавливают пространственный армирующий каркас из металла более тугоплавкого, чем металл, заливаемый в литейную форму. Усиливающую муфту отливают, используя металл, полученный в результате горения экзотермической смеси.
Совокупность действий и их условий, составляющая предлагаемый способ, обеспечивает достижение технического результата, вследствие того, что отлитая на поверхности стыка труб муфта, охлаждаясь и сжимаясь, плотно обожмет стык труб по всей его поверхности, обеспечив герметичность стыка и приняв на себя большую часть эксплуатационной нагрузки. Кольцевой сварной шов в стыке труб повысит прочность соединения, литая муфта компенсирует разупрочнение стыка в зоне термического влияния этого шва, а кольцевые швы приварки торцов муфты к поверхностям труб обеспечат повышение герметичности стыка, причем пределы глубины проплавления стенок труб сведут к минимуму разупрочнение этих стенок в результате нагрева при сварке. Установка на поверхность труб армирующего каркаса из металла более тугоплавкого, чем металл отливаемой муфты, повысит прочность стыка труб. Применение для отливки упрочняющей муфты металла, полученного в результате горения термитной смеси, обеспечит возможность осуществления способа в полевых условиях.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан процесс заливки металла в литейную форму, установленную на стыке соединяемых труб, на фиг.2 - отлитая на стыке труб муфта, на фиг 3 - сечение сварного шва, соединяющего торцы муфты с поверхностями труб.
Предлагаемый способ заключается в том, что торцы соединяемых труб 1 и 2 стыкуют, после чего на стык устанавливают литейную форму 3 (фиг.1). Затем в форму 3 заливают жидкий металл 4, например, из тигля 5. Металл 4 предварительно расплавляют в печи или используют жидкий металл, полученный в результате горения экзотермической смеси. В литейной форме 3 образуется усиливающая муфта 6 (фиг.2), плотно охватывающая стык труб 1 и 2. Сечение стенки муфты 6 выполняют в форме трапеции. Перед установкой формы 3 стык труб 1 и 2 сваривают кольцевым швом 7, например дуговой сваркой.
После охлаждения отлитой в форме 3 муфты 6 до заданной температуры, например до температуры окружающей среды, литейную форму 3 удаляют. Торцы отлитой на стыке труб 1 и 2 муфты 6 приваривают кольцевыми швами 8 и 9 к поверхностям соединяемых труб 1 и 2. Сварку торцов муфты 6 с поверхностями труб 1 и 2 ведут с проплавлением h в пределах h=0,2…0,5 δ, где δ - толщина стенки трубы 1 или 2 (фиг.3).
По другому варианту перед установкой на стык труб 1 и 2 литейной формы 3 на поверхности стыка устанавливают пространственный армирующий каркас 10, который выполняют из металла, более тугоплавкого, чем металл 4, заливаемый в литейную форму 3. Каркас 10 может быть изготовлен, например, из проволоки, из ленты или из профильного проката.
Отлитая на поверхности стыка труб 1 и 2 муфта 6, охлаждаясь до температуры окружающей среды, за счет усадки металла плотно приляжет к поверхностям соединяемых труб 1 и 2, что обеспечит герметичность и прочность соединения. Прочному сцеплению муфты 6 с поверхностью труб 1 и 2 способствует подогрев стыка труб 1 и 2 и установленной на этом стыке литейной формы 3 перед заливкой в нее металла 4. Применение для отливки муфты 6 жидкого металла 4, полученного в результате экзотермической реакции, например оксида железа с алюминием, удешевит процесс литья и позволит применять предлагаемый способ в полевых условиях. Выполнение муфты 6 с сечением ее стенки в форме трапеции обеспечит плавный переход муфты 6 к поверхностям труб 1 и 2 и позволит уменьшить концентрацию напряжений у торцов муфты 6. Это повысит надежность соединения.
Сварка стыка труб 1 и 2 кольцевым швом 7 перед установкой литейной формы 3 обеспечивает повышение прочности соединения. При этом разупрочнение металла труб 1 и 2 в результате нагрева при сварке компенсируется наличием муфты 6. Приварка торцов муфты 6 к поверхностям труб 1 и 2 швами 8 и 9 позволяет повысить надежность герметизации стыка и увеличивает прочность соединения в целом. Ограничение глубины проплавления швов 8 и 9 (h=0,2…0,5 δ, где δ - толщина стенки труб 1 и 2) уменьшает разупрочнение металла труб 1 и 2 от нагрева при сварке. Увеличение проплавления h>0,5 δ существенно увеличит ширину зоны термического влияния и уменьшит прочность стенок труб 1 и 2. При h<0,2 δ возникнет опасность непроваров в швах 8 и 9, что при больших эксплуатационных нагрузках может привести к потере герметичности соединения муфты 6 с трубами 1 и 2. Закрепление на стыке труб 1 и 2 пространственного арматурного каркаса 10 перед установкой литейной формы 3 обеспечит повышение прочности и надежности муфты 6, следовательно, и всего стыка труб 1 и 2. Применение для изготовления каркаса 10 металла более тугоплавкого, чем металл 4, заливаемый в форму 3, обеспечит возможность смачивания каркаса 10 металлом 4 и получение монолитной армированной муфты 6, что также повышает прочность и надежность соединения труб 1 и 2.
2
Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью известных в технике средств и материалов. Стыковку труб можно производить с применением известных устройств для торцовки труб и центраторов для совмещения их кромок, применяемых обычно при изготовлении и строительстве трубопроводов. Предварительную сварку стыка труб 1 и 2 кольцевым швом 7, а также швов 8 и 9, соединяющих торцы муфты 6 с поверхностями труб 1 и 2, можно производить, например, ручной дуговой сваркой штучными электродами или механизированной сваркой в среде СО, используя при этом известное, выпускаемое серийно сварочное оборудование. Литейную форму 3 можно установить на стыке труб 1 и 2, формуя ее непосредственно на этом стыке из формовочной смеси, применяемой в литейном производстве. Форму сечения стенки муфты 6 в форме трапеции можно обеспечить при изготовлении на стыке труб 1 и 2 литейной формы 3. Отливку муфты 6 в литейной форме 3 на стыке труб 1 и 2 можно выполнить, применяя известные в машиностроении способы композиционного литья (Специальные способы литья: Справочник. / В.А.Ефимов, Г.А.Анисович, В.Н.Бабич и др.; под общ. ред. В.А.Ефимова. - М.: Машиностроение, 1991. - С.668, глава 11 «Получение и применение композиционных отливок»). Подогрев стыка труб 1 и 2 и установленной на нем литейной формы 3 можно производить, например, известной газопламенной горелкой. В качестве материала муфты 6 можно использовать любой известный металл 4, как одинаковый с металлом труб 1 и 2, так и отличающийся от него. Металл 4 может быть предварительно расплавлен в печи, например электрической, и перенесен к литейной форме 3 с помощью огнеупорного тигля 5 или получен непосредственно в тигле 5 в результате экзотермической реакции, например, в виде термитной стали при горении термитной смеси, состоящей из порошков оксида железа и алюминия. Величину проплавления h=0,2…0,5 δ стенок труб 1 и 2 при приварке к ним торцов муфты 6 можно обеспечивать в заданных пределах путем подбора и стабилизации параметров режима сварки. Пространственный армирующий каркас 10 может быть изготовлен из проволоки, ленты или, при больших размерах труб 1 и 2, из профильного проката. Детали каркаса 10 могут быть соединены между собой и с поверхностями труб 1 и 2, например, с помощью дуговой прихватки. В качестве материала, из которого выполнен каркас 10, может быть использован металл или сплав, имеющий температуру плавления меньше, чем металл, заливаемый в литейную форму 6. Например, при выполнении муфты 6 из чугуна каркас 10 может быть выполнен из малоуглеродистой стали.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение технического эффекта, который заключается в повышении прочности и надежности соединения труб. Способ может быть осуществлен с помощью известных в технике средств и материалов.
Следовательно, предлагаемый способ соединения труб обладает промышленной применимостью.