Неразъемное соединение
Изобретение относится к соединениям труб-оболочек из композиционных материалов с металлическими трубчатыми деталями, преимущественно неразъемным, установленных на их конце, и может быть использовано в трубах для транспортирования жидких или газообразных сред, в корпусах, баллонах высокого давления. Неразъемное соединение содержит трубу из композиционного материала, металлическую трубчатую деталь с наружными заостренными элементами и тонкостенным концевым пояском, облицованным защитной оболочкой. Труба может быть выполнена на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего. Поясок выполнен за одно целое с трубчатой деталью. Кольцевые переходы пояска смещены в аксиальном направлении. Защитная оболочка выполнена в виде кольца, охваченного упругоэластичным материалом и сужающегося по толщине к внутренней поверхности. Изобретение повышает прочность, надежность и герметичность стыка неразъемного соединения. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к соединениям труб-оболочек из композиционных материалов с металлическими трубчатыми деталями, преимущественно неразъемным, установленных на их конце, и может быть использовано в трубах для транспортирования жидких или газообразных сред, в корпусах высокого давления.
К неразъемным соединениям предъявляются повышенные требования по обеспечению жесткости, прочности, надежности и герметичности стыка, безопасности использования и недопустимости разрушения от воздействующих нагрузок. Известно неразъемное соединение, содержащее трубу из композиционного материала на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего, внутреннее защитное покрытие и металлическую трубчатую деталь с наружными радиальными заостренными элементами, зафиксированными в материале трубы, резьбовой нарезкой и кольцевым хвостовиком, заключенным в оболочку (патент РФ N 2079764, 6МПК F 16 L 47/00, 1977). Указанное неразъемное соединение пригодно для использования в трубах из композиционного материала, имеющих достаточно увеличенную толщину стенки. В тонкостенных трубах с таким соединением проявляется концентрация напряжений из-за неучета совместимости деформаций кольцевого хвостовика и стенки трубы при нагружении внутренним избыточным давлением, разрушение происходит по месту стыка. Известно также неразъемное соединение, содержащее трубу из композиционного материала на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего, внутреннее защитное покрытие и металлическую трубчатую деталь с радиальными отверстиями, охватывающую трубу, скрепленную с ней посредством радиально установленных крепежных заостренных элементов, зафиксированных концами в материале трубы (патент РФ N 2079765, 6МПК F 16 L 47/00, 1997). Известно аналогичное неразъемное соединение, содержащее трубу из пластмассы и металлическую трубчатую деталь, склеенные внахлест, с радиальными крепежными заостренными элементами на металлической концевой детали, зафиксированными в материале трубы (авторское свидетельство СССР N 596772, МПК F 16 L 47/00, 1978). Указанные аналоги обладают аналогичными недостатками. Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является неразъемное соединение по патенту РФ N 2079764. Основной задачей является создание неразъемного соединения особотонкостенных труб из композиционного материала с минимальной толщиной стенки и металлической трубчатой деталью на конце, имеющей наружные радиальные заостренные элементы, работающие под высоким избыточным давлением высокотемпературной жидкой или газообразной среды. Техническим результатом является обеспечение повышенной прочности, надежности и герметичности стыка неразъемного соединения. Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции неразъемного соединения, введения новых элементов и обеспечения совместности упругорадиального деформирования металлической трубчатой детали в переходной зоне в тонкостенную трубу из композиционного материала. Для этого в неразъемном соединении, содержащем трубу из композиционного материала на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего, внутреннее защитное покрытие и металлическую трубчатую деталь с наружными радиальными заостренными элементами, зафиксированными в материале трубы, резьбовой нарезкой и кольцевым хвостовиком, заключенным в оболочку, кольцевой хвостовик металлической трубчатой детали снабжен утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском, выполненным за одно целое с ним, с возможностью повышенного упругорадиального изгиба, со смещенными в аксиальном направлении один относительно другого, профилированными кольцевыми переходами по его внутренней и наружной поверхностям, облицованным защитной оболочкой из упругоэластичного материала, выполненной в виде охваченного им кольца, сужающегося по толщине к внутренней поверхности защитного покрытия трубы. Резьбовая нарезка в металлической трубчатой детали выполнена по ее внутренней поверхности под наружными радиальными заостренными элементами, которые могут быть расположены своими остриями на образующих конической поверхности, наклонной к стенке или торцу трубы. В концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика могут быть выполнены сквозные аксиальные прорези, заполненные материалом защитной оболочки, и сквозные радиальные отверстия, также заполненные материалом оболочки. Отличительными особенностями предложенного неразъемного соединения являются следующие признаки: - снабжение кольцевого хвостовика металлической трубчатой детали утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском, выполненным за одно целое с ним, - возможность повышенного упругорадиального изгиба концевого тонкостенного пояска, - наличие смещенных в аксиальном направлении одного относительно другого профилированных кольцевых переходов по внутренней и наружной поверхностям концевого тонкостенного пояска, - наличие облицовочной защитной оболочки на концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика из упругоэластичного материала, выполненной в виде охваченного им кольца, - суженность по толщине к внутренней поверхности защитного покрытия трубы облицовочной защитной оболочки, - выполнение резьбовой нарезки в металлической трубчатой детали по ее внутренней поверхности под наружными радиальными заостренными элементами, - расположение наружных радиальных заостренных элементов своими остриями на образующей конической поверхности, наклонной к стенке или торцу трубы, - выполнение в концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика сквозных аксиальных прорезей, заполненных материалом защитной оболочки, - выполнение в концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика сквозных радиальных отверстий, заполненных материалом оболочки. Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на выполнение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Снабжение кольцевого хвостовика металлической трубчатой детали утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском позволяет обеспечить плавный упругорадиальный изгиб кольцевого хвостовика по направлению перехода к особотонкостенной трубе из композиционного материала и совместное их деформирование без раскрытия стыка между ними под воздействием высокого избыточного давления, надежность герметизации облицовочной защитной оболочкой в виде охваченного им кольца, сужающегося по толщине к внутренней поверхности защитного покрытия. Наличие аксиальных прорезей на концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика уменьшает кольцевую жесткость и увеличивает деформативность пояска в аксиальном направлении, что расширяет возможность использования неразъемного соединения металлической трубчатой детали с различной толщиной трубы из композиционного материала. Размещение в аксиальных прорезях и радиальных отверстиях концевого тонкостенного пояска упругоэластичного материала повышает надежность герметизации стыка. Расположение остриев наружных радиальных остроконечных элементов на образующих конической поверхности, наклонной к стенке трубы или к ее торцу, также расширяет технические возможности закрепления металлической трубчатой детали в композиционном материале трубы в зависимости от ее толщины и геометрии профиля. Расположение резьбовой нарезки в теле металлической трубчатой детали под наружными радиальными заостренными элементами сокращает габариты металлической трубчатой детали по длине и увеличивает надежность закрепления присоединяемой детали посредством ее резьбовой нарезки. Наличие смещенных профилированных переходов на наружной и внутренней поверхностях концевого тонкостенного пояска к концевому хвостовику уменьшает концентрацию напряжений и обеспечивает плавный упругорадиальный изгиб тонкостенного пояска. Указанные отличительные существенные признаки неразъемного соединения являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение соответствием критерию "новизна". Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу создания высокоэффективного неразъемного соединения металлической трубчатой детали с особотонкостенной трубой из композиционного материала высокой прочности и надежности, что позволяет характеризовать новое техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом проектно-конструкторской разработки и экспериментальной отработки, творческого вклада, без использования стандартизованных решений, рекомендаций или указаний в данной области техники, в совокупности новых существенных и общих известных существенных признаков соответствует критерию "изобретательский уровень". Сущность изобретения поясняется чертежами и кратким их описанием. На фиг. 1 представлен общий вид (аксиальное сечение) неразъемного соединения металлической трубчатой детали с наружными радиальными заостренными элементами с трубой из композиционного материала, на фиг. 2 - кольцевой хвостовик металлической трубчатой детали с утоненным по толщине тонкостенным пояском с профилированными кольцевыми переходами по внутренней и наружной поверхностям, облицованный защитной оболочкой из упругоэластичного материала, на фиг. 3 и на фиг. 4 - варианты расположения остриев наружных радиальных заостренных элементов на наклонной конической поверхности, на фиг. 5 - концевой тонкостенный поясок кольцевого хвостовика металлической трубчатой детали с аксиально расположенными прорезями, на фиг. 6 - показ сквозных радиальных отверстий в концевом тонкостенном пояске кольцевого хвостовика. Более подробное описание сущности изобретения с указанием позиций на чертежах состоит в следующем. Неразъемное соединение содержит трубу 1 из композиционного материала на основе спирально навитых перекрещивающихся стеклонитей и полимерного связующего, внутреннее защитное покрытие 2 и металлическую трубчатую деталь 3 с наружными радиальными заостренными элементами 4, зафиксированными в материале трубы 1. Металлическая трубчатая деталь 3 имеет резьбовую нарезку 5 и кольцевой хвостовик 6, заключенный в оболочку 7, снабженный утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском 8, выполненным за одно целое с ним, с возможностью повышенного упругорадиального изгиба, со смещенными в аксиальном направлении один относительно другого профилированными кольцевыми переходами 9 и 10 по его внутренней и наружной поверхностям 11, 12, облицованным защитной оболочкой 7 из упругоэластичного материала, выполненной в виде охваченного им кольца, сужающегося по толщине к внутренней поверхности 13 защитного покрытия 2 трубы 1. Резьбовая нарезка 5 в металлической трубчатой детали 3 выполнена по ее внутренней поверхности 14 под наружными радиальными заостренными элементами 4. Наружные радиальные заостренные элементы 4 могут быть расположены своими остриями 15 на образующих конической поверхности 16, наклонной к стенке трубы 1 или к торцу 17. В концевом тонкостенном пояске 8 кольцевого хвостовика 6 могут быть выполнены сквозные аксиальные прорези 18 и/или сквозные радиальные отверстия 19, заполненные материалом 20 защитной оболочки 7. Изготовление оболочки 1 из композиционного материала с металлической трубчатой деталью 3 на ее конце заключается в установке на специальную оправку (условно не показано) металлической трубчатой детали 3, кольцевой хвостовик 6 которой совместно с утоненным по толщине концевым тонкостенным пояском 8 облицован защитной оболочкой 7 из упругоэластичного материала. Сквозные аксиальные прорези 18 и сквозные радиальные отверстия 19 заполнены упругоэластичным материалом 20 этой же оболочки 7 при ее выполнении. Затем на оправку наносят защитное покрытие 2 и спирально навиваемые перекрещивающиеся стеклонити, пропитанные полимерным связующим, так, что охватывают по своим направлениям наружные радиальные заостренные элементы 4. Полученную заготовку термообрабатывают по режимам полимеризации полимерного связующего, извлекают оправку и получают трубу 1 с металлической трубчатой деталью 3, соединенные неразъемным соединением. При использовании трубы 1 из композиционного материала на нее и металлическую трубчатую деталь 3 воздействует избыточное давление среды, например газового потока или транспортируемой жидкости. От аксиального перемещения металлическую трубчатую деталь 3 удерживают наружные радиальные заостренные элементы 4 и адгезионная связь слоев композиционного материала трубы 1 с наружной поверхностью металлической трубчатой детали 3. Благодаря совместности деформаций утоненного концевого тонкостенного пояска 8, облицованного упругоэластичным материалом защитной оболочки 7, и тонкостенной трубы 1 из композиционного материала неразъемное соединение не раскрывается, обеспечивает прочность и надежность стыка, защитная оболочка 7 из упругоэластичного материала, суженная по толщине к внутренней поверхности 11 защитного покрытия 2, одновременно деформируется в зоне стыка со стенкой трубы 1 и концевым тонкостенным пояском 8 кольцевого хвостовика 6. При этом смещенные один относительно другого профилированные кольцевые переходы 9 и 10 по внутренней и наружной поверхностям 11, 12 обеспечивают плавный упругий изгиб концевого тонкостенного пояска 8 относительно кольцевого хвостовика 6 без концентрации напряжений, которые могли бы вызвать в пояске 8 остаточные деформации и соответственно раскрытие стыка. Неразъемное соединение трубы 1 из композиционного материала с металлической трубчатой деталью 3, изготовленное с использованием нового технического решения, подвергалось гидравлическим испытаниям на воздействие высокого избыточного давления, результаты испытаний положительные. Таким образом, новое техническое решение воспроизводимо промышленным способом, при реализации в неразъемных соединениях труб из композиционных материалов с металлическими трубчатыми деталями дает новый технический результат, в предложенной совокупности новых и известных существенных признаков является высокоэффективным и технологичным, соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения. Следует отметить, что могут быть различные варианты выполнения неразъемного соединения в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема изобретения, изложенного в пунктах формулы.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6