компенсатор для металлических трубопроводов

Формула изобретения

1. Компенсатор для металлических трубопроводов, содержащий входную короткую трубу, выходную короткую трубу и муфту, внутри которой расположены оба противоположных внутренних конца коротких труб, образующих между собой компенсационный зазор, в котором размещен сильфонный элемент, имеющий, по меньшей мере, один гофр и способный растягиваться и сжиматься в осевом направлении под действием приложенной внешней силы, два конца сильфонного элемента соответственно соединены герметичным образом с внутренними концами двух коротких труб, и, по меньшей мере, один из двух концов муфты является свободным концом относительно двух коротких труб, вершина гофра сильфонного элемента выполнена с возможностью соприкосновения с внутренней поверхностью стенки муфты, отличающийся тем, что впадина гофра сильфонного элемента снабжена сопряженным со впадиной вкладышем, между поверхностями впадины и вкладыша образован зазор для обеспечения возможности деформации гофра без превышения его предела упругости, наружная поверхность стенки сопряженного со впадиной гофра вкладыша выполнена с возможностью соприкосновения со внутренней поверхностью стенки муфты, при этом вкладыш имеет многосегментную конструкцию.

2. Компенсатор по п.1, отличающийся тем, что вкладыш содержит жесткое тело и два упругих тела, прикрепленных соответственно к двум боковым поверхностям жесткого тела.

3. Компенсатор по п.1, отличающийся тем, что вкладыш содержит жесткое тело и гибкий слой, уложенный на поверхность жесткого тела.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается компенсатора, который применяется для соединения концов металлических труб при укладке металлических трубопроводов. Конкретнее, настоящее изобретение касается компенсатора, применимого для соединения напорных труб, например для соединения концов стальных труб, используемых в водоотводных трубопроводах гидроэлектростанции.

В металлических трубопроводах для транспортировки воды, нефти, газа или других сред, особенно в трубопроводах сравнительно большого диаметра, как, например, в водоотводных стальных трубопроводах гидроэлектростанции, трубы могут расширяться или сжиматься под влиянием физических характеристик транспортируемой среды и изменений окружающей температуры во время технологического процесса, и вызванные этим термические напряжения могут вызвать разрушение напорных труб. Следовательно, при укладке металлических трубопроводов необходимо применение компенсатора на концах соединяемых труб.

На фиг.1 показан используемый в настоящее время компенсатор для металлического трубопровода. Компенсатор состоит из двух коротких труб 1", 2" и муфты 3". Один конец муфты 3" герметизирован и соединен со стенкой короткой трубы 1", а ее другой конец соприкасается с короткой трубой 2" на наружной поверхности стенки ее концевой части. На соприкасающейся поверхности этой части трубы 2" помещено уплотнительное кольцо 4", которое закреплено нажимным кольцом 5". Между противоположными внутренними концами двух коротких труб расположен компенсационный зазор 6". При изменении осевых размеров труб вследствие их термической деформации противоположные концы двух коротких труб могут передвигаться в осевом направлении относительно друг друга, и, следовательно, термические напряжения могут быть устранены. Такой традиционный муфтовый компенсатор может иметь простую конструкцию, но короткие трубы подвержены радиальной деформации под действием внешних сил, прикладываемых во время процессов изготовления и монтажа, и, следовательно, уплотнительное кольцо 4" едва ли сможет играть свою надлежащую роль по удовлетворительному предотвращению утечки, особенно в случае транспортировки текучей среды под высоким давлением. По этой причине на практике требуется размещать водосборные колодцы под компенсатором и периодически сливать в эти колодцы вытекающую воду. В результате этого увеличиваются эксплуатационные расходы и всегда существует скрытое беспокойство в отношении надежности.

Известен трубопроводный компенсатор, содержащий соединенный с короткими патрубками сильфон и охватывающий их предохранительный кожух. Во впадинах гофр сильфона установлены армирующие элементы-кольца, наружные поверхности которых соприкасаются с внутренней поверхностью предохранительного кожуха (см. а.с. СССР 409051 от 18.04.1974).

Известен трубопроводный компенсатор, в котором сильфон соприкасается вершинами своих гофр с внутренней поверхностью защитного кожуха (см. патент США 2556544 от 12.06.1951).

Техническим результатом настоящего изобретения является создание компенсатора для металлических трубопроводов, предотвращающего утечку в высоконапорных металлических трубопроводах большого диаметра и имеющего стабильные и надежные рабочие характеристики.

Этот технический результат достигается тем, что компенсатор для металлических трубопроводов содержит входную короткую трубу, выходную короткую трубу и муфту, внутри которой расположены оба противоположных внутренних конца двух коротких труб, образующих между собой компенсационный зазор, в котором размещен сильфонный элемент, имеющий, по меньшей мере, один гофр и способный растягиваться и сжиматься в осевом направлении под действием приложенной внешней силы, два конца сильфонного элемента соответственно соединены герметичным образом с внутренними концами двух коротких труб, и, по меньшей мере, один из двух концов муфты является свободным концом относительно двух коротких труб; согласно изобретению вершина гофра сильфонного элемента выполнена с возможностью соприкосновения с внутренней поверхностью стенки муфты, отличающийся тем, что впадина гофра сильфонного элемента снабжена сопряженным со впадиной вкладышем, между поверхностями впадины и вкладыша образован зазор для обеспечения возможности деформации гофра без превышения его предела упругости, наружная поверхность стенки сопряженного со впадиной гофра вкладыша выполнена с возможностью соприкосновения со внутренней поверхностью стенки муфты, при этом вкладыш имеет многосегментную конструкцию.

Вкладыш может содержать жесткое тело и два упругих тела, прикрепленных соответственно к двум боковым поверхностям жесткого тела.

Вкладыш может содержать жесткое тело и гибкий слой, уложенный на поверхность жесткого тела.

Вышеизложенные и другие цели, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более ясными для специалиста в данной области из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

фиг. 1 изображает вид в разрезе компенсатора согласно предшествующему уровню техники;

фиг. 2 - вид в разрезе компенсатора согласно первому предпочтительному варианту воплощения изобретения;

фиг.3 - вид в разрезе модификации компенсатора, показанного на фиг.2;

фиг. 4 - вид в разрезе компенсатора согласно второму предпочтительному варианту воплощения изобретения;

фиг.5 - частичный увеличенный вид в разрезе сопряженного со впадиной гофра вкладыша согласно варианту выполнения компенсатора, показанного на фиг. 4;

фиг.6 - частичный увеличенный вид в разрезе сопряженного со впадиной гофра вкладыша согласно другому варианту выполнения компенсатора, показанного на фиг.4;

фиг.7 - вид в разрезе модификации компенсатора, показанного на фиг.4.

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи.

Как показано на фиг. 2, согласно первому предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения компенсатор 10 содержит, по существу, цилиндрические входную короткую трубу 1, выходную короткую трубу 2 и цилиндрическую цельную муфту 3. Противоположные внутренние концы двух коротких муфт 1, 2 находятся внутри муфты 3. Один конец муфты 3 приварен к наружной стенке внутреннего конца короткой трубы 1, а другой конец, будучи свободным концом, способен перемещаться в осевом направлении по наружной стенке короткой трубы 2. В компенсационном зазоре 6, образованном между противоположными внутренними концами двух коротких труб 1, 2, помещен сильфонный элемент 7, два конца которого соответственно соединены герметичным образом с внутренними концами двух коротких труб 1, 2. Сильфонный элемент 7 имеет, по меньшей мере, один гофр (в частности, пять гофр в данном варианте воплощения изобретения). Кроме того, в этом варианте воплощения изобретения гофр имеет круглый профиль, хотя он может быть выполнен с другим подходящим видом профиля. На конце муфты 3, сопряженном с короткой трубой 2, выполнена выемка, в которую помещено нажимное кольцо 5. Нажимное кольцо 5 закреплено болтами из соответствующей концевой части муфты 3.

На фиг. 3 показана модификация вышеописанного компенсатора 10, которая отличается от первого варианта воплощения тем, что гофры сильфонного элемента имеют в поперечном сечении гребенчатый профиль, предпочтительно с полукруглыми или закругленными вершинами. Кроме того, разъемная конструкция муфты 3 облегчает изготовление и монтаж компенсатора. Далее, между внутренней поверхностью правого конца 3а муфты 3 и наружной поверхностью короткой трубы 2 и между внутренней поверхностью нажимного кольца 5 и наружной поверхностью короткой трубы 2 имеется монтажный зазор 8, который может воспринимать микродеформацию, вызванную неравномерной радиальной пластической деформацией трубы. Между внутренней поверхностью правого конца 3а муфты 3 и наружной поверхностью короткой трубы 2 помещено уплотнительное кольцо 9, которое расположено в выемке 4, образованной на правой концевой части 3а муфты 3, и зажато нажимным кольцом 5. Нажимное кольцо 5 закреплено болтами на правой концевой части 3а муфты 3.

Компенсатор согласно первому варианту воплощения изобретения может быть применен для поддержки двух коротких труб 1, 2 и защиты наружной поверхности сильфонного элемента 7, а сильфонный элемент 7, кроме того, выполнен так, чтобы служить в качестве транспортирующей трубы для пропуска через нее текучей среды. Таким образом, компенсатор согласно первому варианту воплощения изобретения предпочтительно используют для транспортировки текучей среды под низким или нормальным давлением.

На фиг.4 показана конструкция компенсатора согласно второму варианту воплощения изобретения и одинаковыми позициями обозначены элементы, аналогичные или сходные с элементами, показанными на фигурах для первого варианта воплощения изобретения. Указанный компенсатор 10 содержит входную короткую трубу 1, выходную трубу 2 и муфту 3. Оба противоположных внутренних конца двух коротких труб 1, 2 находятся внутри муфты 3. Сильфонный элемент 7 из нержавеющей стали расположен в компенсационном зазоре 6, образованном между внутренними концами двух коротких труб 1, 2. Два конца сильфонного элемента 7 соответственно соединены герметичным образом с внутренними концами двух коротких труб 1, 2. Вершины гофр сильфонного элемента 7 выполнены с возможностью соприкосновения с внутренней поверхностью стенки муфты 3. Размер зазора 6, длина сильфонного элемента 7 и число гофр оцениваются и определяются в соответствии со степенью осевой деформации металлических трубопроводов. Правый конец муфты 3 сваркой или другим подходящим способом жестко соединен с наружной поверхностью короткой трубы 1. Левый конец муфты 3 является свободным концом, к которому болтами прикреплено нажимное кольцо 5. Между сопряженными поверхностями нажимного кольца 5 и муфты 3 расположено уплотнительное кольцо 21. На той же самой стороне внутренняя поверхность уплотнительного кольца 21 соприкасается с наружной поверхностью стенки короткой трубы. При возникновении осевой деформации в металлическом трубопроводе муфта 3 и короткая труба 1 осуществляют осевые перемещения относительно короткой трубы 2, и, следовательно, происходит сжатие или растяжение сильфонного элемента 7.

На фиг.5 и 6 впадина гофра сильфонного элемента снабжена сопряженным со впадиной вкладышем 14. Между поверхностями впадины гофра и вкладыша 14 образован зазор 15, который допускает деформацию сильфонного элемента 7 в виде сжатия или растяжения. Размер зазора 15 определяется в соответствии со степенью деформации, приходящейся на соответствующий гофр, и обеспечивает возможность при приложении радиальной силы поддерживать гофр в его пределах упругой деформации посредством вкладыша 14. Наружная поверхность стенки вкладыша 14 выполнена с возможностью соприкосновения с внутренней поверхностью стенки муфты 3. На фиг.5 показан один вид конструкции сопряженного со впадиной вкладыша 14, который состоит из жесткого тела 16 и двух упругих тел 17, прикрепленных соответственно к двум боковым поверхностям жесткого тела 16. Когда в какой-то степени происходит сжатие упругих тел 17, жесткое тело 16 вкладыша 14 начинает поддерживать гофр. На фиг.6 показан другой тип конструкции сопряженного со впадиной гофра вкладыша 14, состоящего из жесткого тела 18 и гибкого слоя 19, уложенного на поверхность жесткого тела 18. Когда под действием приложенной радиальной силы гофр будет деформироваться внутрь, вначале будет происходить сжатие гибкого слоя 19. Когда в какой-то степени произойдет сжатие гибкого слоя 19, жесткое тело 18 начнет поддерживать гофр. Сопряженный со впадиной гофра вкладыш может иметь многосегментную конструкцию, сегменты которой размещены по окружности в соприкосновении боковыми сторонами.

Кроме того, как показано на фиг.4, 7, на торцевой поверхности внутреннего конца короткой трубы 1, т.е. входной трубы, установлено износостойкое кольцо 11 для эффективного уменьшения абразивного износа внутренней поверхности сильфонного элемента 7 под действием транспортируемой текучей среды, и, таким образом, можно увеличить срок службы сильфонного элемента 7, который, следовательно, может соответствовать сроку службы металлических трубопроводов. Между левым концом износостойкого кольца 11 и внутренним концом короткой трубы 2, т.е. выходной трубы, образован зазор 12 для обеспечения возможности осевого расширения и сжатия металлических трубопроводов. Между наружной поверхностью стенки износостойкого кольца 11 и впадиной гофра сильфонного элемента 7 образован зазор 13, и, таким образом, гофры сильфонного элемента 7 имеют возможность радиально деформироваться в этом зазоре при сжатии сильфонного элемента 7. В этом варианте воплощения изобретения вершины гофр сильфонного элемента 7 соприкасаются с внутренней поверхностью стенки муфты 3. При деформации сильфонного элемента 7 под действием радиально приложенной силы муфта 3 может служить в качестве жесткой опоры.

Следовательно, сильфонный элемент 7, жестко поддерживаемый муфтой 3 и сопряженным со впадиной вкладышем 14, действует против приложенных радиальных сил подобно квазижесткому телу. Кроме того, заметно улучшается стабильность рабочих характеристик сильфонного элемента 7, предотвращается "потеря стабилизации" сильфонного элемента и, следовательно, эффективно обеспечивается надежность работы сильфонного элемента 7. Кроме того, становится возможным уменьшение толщины стенки сильфонного элемента 7 для ослабления действия напряжений на сильфонный элемент 7. Благодаря зазору между поверхностью сопряженного со впадиной вкладыша 14 и внутренней поверхностью впадины гофр сильфонный элемент 7 может проявлять свою первоначальную растяжимость в случае осевого перемещения металлических трубопроводов, и, следовательно, компенсатор 10 согласно настоящему изобретению обладает надежными рабочими характеристиками.

На фиг. 7 показана модификация компенсатора, изображенного на фиг.4, в которой оба конца муфты 3 являются свободными, т.е. обе короткие трубы могут перемещаться в осевом направлении относительно муфты 3, которая может удовлетворять потребностям осевого расширения и сжатия металлических трубопроводов. Согласно этому варианту воплощения изобретения на внутренней поверхности муфты 3 выполнена выемка 20. Вершины гофр сильфонного элемента 7 и наружная поверхность стенки сопряженного со впадиной вкладыша 14 соприкасаются с нижней поверхностью выемки 20, посредством чего предотвращается чрезмерное смещение в осевом направлении муфты 3, имеющей два свободных конца. На фигурах показаны другие особенности этого варианта воплощения изобретения.

Со ссылками на сопровождающие чертежи подробно описаны принцип действия и варианты выполнения компенсатора согласно настоящему изобретению. Кроме того, другие варианты, которые соответствуют сущности и пределам изобретения, считаются не выходящими за пределы охраны изобретения, как они определены в прилагаемой формуле изобретения. Что касается сильфонного элемента, раскрытого в описании изобретения, то можно легко сделать вывод, что кроме полукруглого, гребенчатого профилей или профиля с закругленными вершинами, упомянутых в заявке, гофр может иметь другие виды профиля. По этой причине в настоящем изобретении профиль гофра определен как имеющий любую форму кривой, соединяющей две точки, за исключением прямой линии.