армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления

Формула изобретения

Армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления, содержащая силовой каркас из слоистого композиционного материала и фланцы, установленные по полюсным отверстиям днищ, скрепленные с каркасом конгруэнтными профилированными поверхностями со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами, находящимися в зацеплении опорными кольцевыми поясками выпуклой и вогнутой кривизны, отличающаяся тем, что фланцы выполнены с кольцевой седловиной с расположенными в ее углублении кольцевыми выступами, снабженными одинарными коническими поясками, обратной конусностью направленными в полость трубы-оболочки, а охватывающие их слои композиционного материала силового каркаса в пределах длины образующей каждого из них выполнены равной длины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в армированных трубах-оболочках для сверхвысокого давления, в частности в трубах-оболочках из композиционных материалов.

Известна армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления, содержащая силовой каркас из слоистого композиционного материала и фланцы, установленные по полюсным отверстиям днищ, скрепленные с каркасом конгруэнтными профилированными поверхностями со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами [1]

К недостаткам известной трубы-оболочки следует отнести неравномерное распределение армирующего материала в пределах кольцевого выступа каждой ступени и наличие за ними утонений слоев, разрушение каркаса в зоне полюсных отверстий из-за повышенной концентрации напряжений и выдавливание фланцев.

Известна также армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления аналогичной конструкции, в которой в местах утонений вокруг полюсных отверстий предусмотрена установка прокладок, а также изменение угла нанесения армировки [2]

Эффективность конструкции данной армированной трубы-оболочки по сравнению с вышеуказанной повышена незначительно.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления, содержащая силовой каркас из слоистого композиционного материала и фланцы, установленные по полюсным отверстиям днищ, скрепленные с каркасом конгруэнтными профилированными поверхностями со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами, находящимися в зацеплении опорными кольцевыми поясками выпуклой и вогнутой кривизны [3]

В указанной трубе-оболочке слои ее силового каркаса, армированные в каждой кольцевой канавке, заканчиваются у соседнего кольцевого выступа и являются разнодлинными по сравнению со слоями в той же канавке у предыдущего кольцевого выступа, напряжения по ним перераспределяются неравномерно, возникают сдвиговые напряжения, приводящие к расслаиванию слоистого каркаса и вырыву фланцев при нагружении трубы-оболочки внутренним давлением.

Основной задачей разработки является создание армированной трубы-оболочки для сверхвысокого давления такой конструкции, которая позволяла бы исключить перечисленные недостатки, не разрушалась бы при нагрузке, обладала технологичностью при изготовлении, обладала высоким качеством укладки армирующих слоев между кольцевыми выступами.

Техническим результатом, который может быть получен от использования армированной трубы-оболочки в предложенном исполнении, является повышение ее прочности и надежности.

Поставленная задача решена и технологический результат достигнут за счет изменения профиля конгруэнтных профилированных поверхностей фланцев и силового каркаса, обеспечения равнонапряженности слоев композиционного материала в пределах каждой ступени кольцевого выступа.

Для этого в армированной трубе-оболочке для сверхвысокого давления, содержащей силовой каркас из слоистого композиционного материала и фланцы, установленные по полюсным отверстиям днищ, скрепленные с каркасом конгруэнтными профилированными поверхностями со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами, находящимися в зацеплении опорными кольцевыми поясками выпуклой и вогнутой кривизны, фланцы выполнены с кольцевой седловиной с расположенными в ее углублении кольцевыми выступами, снабженными одинарными коническими поясками, обратной конусностью направленными в полость трубы-оболочки, а охватывающие их слои композиционного материала силового каркаса в пределах длины образующей каждого из них выполнены равной длины.

Отличительными особенностями армированной трубы-оболочки для сверхвысокого давления являются следующие признаки:

выполнение фланцев трубы-оболочки с кольцевой седловиной, с расположенными в углублении кольцевой седловины кольцевыми выступами;

снабжение кольцевых выступов одинарными коническими поясками, обратной конусностью направленными в полость трубы-оболочки;

выполнение слоев композиционного материала силового каркаса, охватывающих конические пояски, в пределах длины образующей каждого из них равной длины.

Указанные отличительные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию "Новизна".

Новые отличительные признаки предложенной трубы-оболочки, каждый в отдельности и совместно направлены на решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата. Так, например, невыполнение на фланцах кольцевой седловины не дает ощутимых преимуществ, так как не обеспечивается надежное силовое замыкание с силовым каркасом по конгруэнтным поверхностям. Невыполнение кольцевых выступов с коническими поясками обратной конусности не обеспечивает равнодлинность слоев композиционного материала и их равнонапряженное состояние, что также не обеспечивает повышенной прочности и надежности конструкции. Поэтому указанные новые отличительные признаки являются существенными.

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками обеспечивает решение поставленной задачи и достижение нового положительного эффекта технического результата, выраженного в повышении прочности и надежности предложенной трубы-оболочки, характеризует ее в новом исполнении существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Армированная труба-оболочка на основе нового технического решения является результатом научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы, творческого вклада, создана без использования стандартных проектных решений или известных общепринятых методических указаний, по оригинальности решения превышает известный уровень техники, аналоги и прототип, характеризуется соответствием критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид армированной трубы-оболочки для сверхвысокого давления, на фиг. 2 соединение силового каркаса из слоистого композиционного материала с фланцем, на фиг. 3 конструктивные особенности конгруэнтных поверхностей фланца и каркаса.

Армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления содержит силовой каркас 1 из слоистого композиционного материала и фланцы 2, 3, установленные по полюсным отверстиям днищ 4, 5, скрепленные с каркасом 1 конгруэнтными профилированными поверхностями 6, 7 со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами 8 11 и 12 15, находящимися в зацеплении опорными кольцевыми поясками 16 18 и 19 21 соответственно выпуклой и вогнутой кривизны. Фланцы 2, 3 выполнены с кольцевой седловиной 22, 23 с расположенными в ее углублении кольцевыми выступами 8 10, снабженными одинарными коническими поясками 24 26, обратной конусностью направленными в полость 27 трубы-оболочки, охватывающие их слои 28 30 композиционного материала силового каркаса 1 в пределах длины образующей каждого из них выполнены равной длины.

Каркас 1 из слоистого композиционного материала представляет собой нитенамотанную структуру из спирально уложенных лент непрерывных волокон, скрепленных отвержденными полимерным связующим. В качестве армирующих волокон могут быть использованы стекловолокна, органические арамидные волокна, углеродные волокна, другие синтетические волокна и их комбинации. В качестве связующего могут быть использованы полимерные композиции на основе эпоксидных смол, эпоксифенольных, формальдегидных смол и другие. Для повышения герметичности армированной трубы-оболочки ее каркас 1 совместно с фланцами 2, 3 облицован по внутренней поверхности сплошным покрытием 31 из резиноподобного или термопластичного материала.

Фланцы 2, 3 представляют собой осесимметричные детали, выполненные, например, из высокопрочной стали, титанового или других специальных сплавов, стойких к коррозионному воздействию среды, находящейся в трубе-оболочке. Во фланцах 2, 3 выполнены центральные каналы 32, 33 с резьбовыми участками 34, 35 для присоединения присоединительных штуцеров. Со стороны полости 27 трубы-оболочки на фланцах 2, 3 предусмотрены кольцевые канавки 36, 37 для закрепления законцовок покрытия 31.

Порядок использования нового технического решения заключается в следующем.

На удаляемую оправку (не показано) наносится герметизирующее покрытие 31 и устанавливаются фланцы 2, 3, после чего на намоточном устройстве по заданной программе производится намотка нитями силового каркаса 1, полученная заготовка отверждается по режиму полимеризации связующего с одновременной вулканизацией покрытия 31. После термообработки оправка извлекается и полученная армированная труба-оболочка готова к дальнейшим операциям, включая испытания.

Функционирование армированной трубы-оболочки состоит в следующем. По подсоединенным к фланцам 2, 3 штуцерам подается под давлением рабочая среда в виде жидкости или газа. Созданное внутреннее давление воспринимается силовым каркасом 1 и фланцами 2, 3 через нанесенное на него внутреннее герметизирующее покрытие 31. Каркас 1 трубы-оболочки воспринимает и кольцевые и осевые усилия. Благодаря выполненным кольцевым седловинам 22, 23, фланцы охватывают каркас 1 по полюсным отверстиям днищ 4, 5 и опорными кольцевыми поясками 16-18 выпуклой кривизны, выполненными на кольцевых выступах 9-11 и 12-14 в их углублении, передает нагрузку на кольцевые пояски 19-21 вогнутой кривизны на кольцевых выступах каркаса 1 и удерживаются вместе с ними с высокой прочностью и надежностью. Натурные образцы армированной трубы-оболочки для сверхвысокого давления, изготовленные с использованием нового технического решения, подвергались испытаниям на воздействие сверхвысоких давлений. Результаты испытаний положительные, разрушений армированной трубы-оболочки в местах соединения каркаса 1 с фланцами 2, 3 не происходило.

Таким образом, новое техническое решение при реализации в армированных трубах-оболочках воспроизводимо промышленным путем, его сущность, выраженная новой совокупностью признаков, соответствует и критерию "Промышленная применимость", т. е. уровню изобретения, на его создание и использование целесообразно обеспечение защиты исключительных прав патентом.