Сильфонное соединение труб
Изобретение относится к трубопроводному транспорту и используется для компенсации относительных перемещений участков трубопровода, соединенных между собой тонкостенным сильфоном, выполненным из мартенситностареющей стали в виде кольцевого гофра и двух цилиндрических бортиков, армированных с внешней стороны обмоткой. Соединение снабжено Г-образными в радиальном сечении втулками, выполненными из мартенситностареющей стали в виде цилиндрических колец с наружным радиальным выступом, обращенными радиальными выступами друг к другу. Повышает надежность соединения. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к конструкции сильфонных соединений труб с использованием тонкостенных металлических сильфонов, работающих в условиях высоких температур, давлений и агрессивных сред.
Тонкостенные металлические сильфоны широко используются в различных областях техники для соединения труб, например в атомной промышленности, авиастроении, двигателестроении, военной технике, нефтяной промышленности, в частности для обеспечения подвижного соединения трубчатых элементов машин или трубопроводов, для обеспечения или компенсации взаимного перемещения таких элементов под внешним воздействием или внутренним давлением.
Известно сильфонное соединение труб, состоящее из двух или более труб, соединенных между собой сильфонами, выполненными из высокопрочного упругого материала, в котором цилиндрические участки трубы с внешней стороны армированы обмоткой из высокопрочных волокон, сильфон выполнен с утолщениями стенок во впадине гофра со стороны, противоположной оси сильфона, и в переходе бортика в гофр (Патент РФ №2072887). Утолщение стенок во впадине гофра и в переходе бортика в гофр приводят к уменьшению внутренних напряжений в сильфонном соединении при заданном нагружении внутренним давлением.
Недостатком этого соединения является высокая сложность изготовления тонкостенного сильфона с переменной толщиной стенки гофра, особенно из высокопрочной мартенситностареющей стали.
Известно также сильфонное соединение, выбранное за прототип, в котором сильфон выполнен отдельно из непрофилированного металла (постоянной толщины) и прикреплен к трубам, причем места закрепления сильфона на трубах армированы обмоткой из волокна (Выложенная заявка №56-147916, Япония, 1981).
Недостатком этого соединения является недостаточная прочность сильфона в местах перегиба гофра из-за возникновения больших изгибных напряжений. Кроме этого, наличие радиусного перехода от цилиндрической поверхности бортика к внутренней поверхности гофра не позволяет армировать обмоткой из волокна эту часть сильфона, что приводит к снижению прочности сильфонного соединения при нагружении его внутренним давлением или центробежными силами при вращении с большой скоростью несмотря на применение высокопрочной мартенситностареющей стали для изготовления сильфона.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение прочности и надежности сильфонного соединения труб.
Техническим результатом изобретения является повышение конструктивной прочности сильфонного соединения при действии внутреннего давления или центробежной нагрузки за счет снижения максимальных напряжений в зоне перехода гофра сильфона в цилиндрический бортик и вершине гофра.
Сущность изобретения заключается в том, что сильфонное соединение труб, состоящее из труб, соединенных между собой тонкостенным сильфоном, выполненным из мартенситностареющей стали в виде кольцевого гофра и двух цилиндрических бортиков, армированных с внешней стороны обмоткой, снабжено Г-образными в радиальном сечении втулками, выполненными из мартенситностареющей стали в виде цилиндрических колец с наружным радиальным выступом, обращенными радиальными выступами друг к другу.
Кроме того, в сильфонном соединении труб бортики сильфона установлены на наружной поверхности труб.
Дополнительно, в сильфонном соединение труб бортики сильфона установлены на внутренней поверхности труб.
Кроме того, в сильфонном соединении труб бортики сильфона перекрывают в осевом направлении края цилиндрических колец.
Дополнительно, в сильфонном соединении труб кольца втулок установлены между трубами и ботиками сильфона.
Кроме того, в сильфонном соединении труб кольца втулок перекрывают в осевом направлении края бортиков сильфона.
Дополнительно, в сильфонном соединении труб концы труб упираются в радиальные выступы втулок.
Кроме того, в сильфонном соединении труб бортики сильфона соединены с цилиндрическими кольцами сваркой.
Дополнительно, в сильфонном соединении труб гофр выполнен с выпуклостью, обращенной к оси соединения.
Кроме того, в сильфонном соединении радиальные выступы заходят в осевом направлении на гофр сильфона.
На фиг.1 схематично показан разрез сильфонного соединения труб с бортиками сильфона на наружной поверхности труб и гофром, выполненным с выпуклостью, обращенной от оси соединения; на фиг.2 схематично показан разрез сильфонного соединения труб с бортиками сильфона на наружной поверхности труб и гофром, выполненным с выпуклостью, обращенной к оси соединения; на фиг.3 показано сильфонное соединение труб с бортиками сильфона, установленными на внутренней поверхности труб, и гофром, выполненным с выпуклостью, обращенной от оси соединения; на фиг.4 показано сильфонное соединение труб с бортиками сильфона, установленными на внутренней поверхности труб, и гофром, выполненным с выпуклостью, обращенной к оси соединения; на фиг.5 показано сильфонное соединение труб, в котором кольца втулок установлены между трубами и бортиками сильфона, а гофр выполнен с выпуклостью, обращенной от оси соединения; на фиг.6 показано сильфонное соединение труб, в котором кольца втулок установлены между трубами и бортиками сильфона, а гофр выполнен с выпуклостью, обращенной к оси соединения; на фиг.7 показано сильфонное соединение труб прототипа, гофр сильфона которого выполнен с выпуклостью, обращенной к оси соединения; на фиг.8 приведены интенсивности напряжений вдоль поверхностей сильфона в конструкции соединения труб на фиг.2; на фиг.9 приведены интенсивности напряжений вдоль поверхностей сильфона в конструкции прототипа на фиг.7.
Сильфонное соединение на фиг.1 состоит из труб 1, на внешней поверхности концов которых установлены цилиндрические бортики 2 сильфона с наружным кольцевым гофром 3, выполненного из мартенситностареющей стали. На бортиках 2 установлены Г-образные в радиальном сечении втулки из мартенситностареющей стали в виде цилиндрических колец 4 с радиальными выступами 5. Бортики 2 и кольца 4 прижаты к трубам 1 армирующей обмоткой 6, например, из углепластика. Бортики 2 сильфона перекрывают в осевом направлении края цилиндрических колец 4 на величину е.
Сильфонное соединение на фиг.2 состоит из труб 1, на внешней поверхности концов которых установлены цилиндрические бортики 2 сильфона с внутренним кольцевым гофром 3. На бортиках 2 установлены цилиндрические кольца 4 с радиальными выступами 5. Бортики 2 и кольца 4 прижаты к трубам 1 армирующей обмоткой 6, например, из углепластика. Бортики 2 сильфона перекрывают края цилиндрических колец 4 в осевом направлении на величину е, а радиальные выступы 5 заходят в осевом направлении на гофр 3 сильфона на величину с.
Сильфонное соединение на фиг.3 состоит из труб 1, на внутренней поверхности концов которых установлены цилиндрические бортики 2 сильфона с наружным кольцевым гофром 3. На наружной поверхности труб 1 установлены втулки в виде цилиндрических колец 4 с радиальными выступами 5. Кольца 4 прижаты к трубам 1 армирующей обмоткой 6, например, из углепластика, а трубы 1 в свою очередь прижаты к бортикам 2 сильфона. Бортики 2 сильфона перекрывают в осевом направлении края цилиндрических колец 4 на величину е.
Сильфонное соединение на фиг.4 состоит из труб 1, на внутренней поверхности концов которых установлены цилиндрические бортики 2 сильфона с внутренним кольцевым гофром 3. На наружной поверхности труб 1 установлены втулки в виде цилиндрических колец 4 с радиальными выступами 5. Кольца 4 прижаты к трубам 1 армирующей обмоткой 6, например, из углепластика, а трубы 1 в свою очередь прижаты к бортикам 2 сильфона. Бортики 2 сильфона перекрывают в осевом направлении края цилиндрических колец 4 на величину е, а радиальные выступы 5 заходят в осевом направлении на гофр 3 сильфона на величину с.
Сильфонное соединение на фиг.5 состоит из труб 1, между внутренними поверхностями концов которых и цилиндрическими бортиками 2 сильфона (с наружным кольцевым гофром 3) установлены втулки в виде цилиндрических колец 4 с радиальными выступами 5. Трубы 1 прижаты к кольцам 4, а кольца в свою очередь к бортикам 2 армирующей обмоткой 6, установленной с натягом на наружной поверхности труб 1. Кольца 4 перекрывают края бортиков 2 сильфона в осевом направлении на величину е, а концы 7 труб 1 упираются в радиальные выступы 5.
Сильфонное соединение на фиг.6 состоит из труб 1, между внутренними поверхностями концов которых и цилиндрическими бортиками 2 сильфона (с внутренним кольцевым гофром 3) установлены втулки в виде цилиндрических колец 4 с радиальными выступами 5. Кольца 4 зажаты между трубами 1 и бортиками 2 армирующей обмоткой 6, например, из углепластика, установленной с натягом на наружной поверхности труб 1. Кольца 4 перекрывают края бортиков 2 сильфона в осевом направлении на величину е, а радиальные выступы 5 заходят в осевом направлении на гофр 3 сильфона на величину с. Концы 7 труб 1 упираются в радиальные выступы 5. Бортики 2 сильфона приварены точечной сваркой 8 или сплошным кольцевым швом к кольцам 4.
Выполнение сильфонного соединения труб с Г-образными в радиальном сечении втулками из мартенситностареющей стали в виде цилиндрических колец с наружным радиальным выступом, обращенными радиальными выступами друг к другу, позволяет расположить максимально необходимое число слоев армирующей обмотки непосредственно вблизи радиусного перехода гофра в цилиндрические бортики. Благодаря этому полная толщина армирующей обмотки 6 продолжена дальше в сторону сильфона и армирует необходимым числом слоев упрочнения (без сбежек) участок перехода бортика сильфона в гофр как в сильфоне с наружным кольцевым гофром, так и еще более эффективно в сильфоне с внутренним кольцевым гофром, в случае, когда радиальные выступы 5 заходят в осевом направлении на гофр 3 сильфона на величину с. Для сравнения, на фиг.7 приведен в разрезе узел сильфонного соединения труб (прототип) со сбежками армирующей обмотки, т.е. технологическим уменьшением ее толщины по мере приближения к торцу трубы для предотвращения соскальзывания последующих витков обмотки с предыдущих.
Работа сильфонного соединения происходит следующим образом. При нагружении труб внутренним давлением или при центробежном нагружении во время вращения сильфонного соединения труб в конструкции соединения возникают рабочие напряжения, величина которых определяет работоспособность и надежность соединения. Максимальные напряжения при этих нагрузках возникают в вершине гофра сильфона и на радиусе перехода гофра сильфона в цилиндрический бортик. Проведенные исследования показали, что выполнение сильфонного соединения в соответствии с настоящим изобретением позволяет уменьшить эти максимальные напряжения в конструкции по сравнению с известными техническими решениями при прочих равных условиях.
Эффективность предлагаемого сильфонного соединения труб подтверждена расчетами методом конечных элементов внутренних напряжений в сильфоне сильфонного соединения труб при его центробежном нагружении. В качестве примера на фиг.8 и фиг.9 приведены расчетные значения напряжений 
тангенциальных (
) и осевых (
), а также интенсивностей (i) напряжений вдоль (по оси z) внутренней (А) и наружной (Б) поверхностей сильфона и его радиальной деформации (U) согласно конструкции сильфонного соединения труб по данному предложению и в варианте конструкции прототипа, соответственно.
На фиг.8 и фиг.9 видно, что при прочих равных условиях интенсивности напряжений в наиболее нагруженных местах сильфонного соединения, выполненного по настоящему изобретению, меньше чем в известной конструкции.
Из сравнения данных на фиг.8 и фиг.9 следует, что в предлагаемой конструкции сильфонного соединения максимальные значения внутренних напряжений и их интенсивностей, которые возникают при ее нагружении в работе, уменьшаются по крайней мере в 1,3 раза по сравнению с прототипом. Соответственно этому увеличивается прочность и надежность сильфонного соединения труб.
Формула изобретения
1. Сильфонное соединение труб, состоящее из труб, соединенных между собой тонкостенным сильфоном, выполненным из мартенситно-стареющей стали в виде кольцевого гофра и двух цилиндрических бортиков, армированных с внешней стороны обмоткой, отличающееся тем, что соединение снабжено Г-образными в радиальном сечении втулками, выполненными из мартенситно-стареющей стали в виде цилиндрических колец с наружным радиальным выступом, обращенными радиальными выступами друг к другу.
2. Сильфонное соединение труб по п.1, отличающееся тем, что бортики сильфона установлены на наружной поверхности труб.
3. Сильфонное соединение труб по п.1, отличающееся тем, что бортики сильфона установлены на внутренней поверхности труб.
4. Сильфонное соединение труб по п.2 или 3, отличающееся тем, что бортики сильфона перекрывают в осевом направлении края цилиндрических колец.
5. Сильфонное соединение труб по п.1, отличающееся тем, что кольца втулок установлены между трубами и бортиками сильфона.
6. Сильфонное соединение труб по п.5, отличающееся тем, что кольца втулок перекрывают в осевом направлении края бортиков сильфона.
7. Сильфонное соединение труб по п.5 или 6, отличающееся тем, что концы труб упираются в радиальные выступы втулок.
8. Сильфонное соединение труб по любому из пп.2, 4-7, отличающееся тем, что бортики сильфона соединены с цилиндрическими кольцами сваркой.
9. Сильфонное соединение труб по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что гофр выполнен с выпуклостью, обращенной к оси соединения.
10. Сильфонное соединение труб по п.9, отличающееся тем, что радиальные выступы втулок заходят в осевом направлении на гофр сильфона.
РИСУНКИ
