соединение труб из композиционных материалов

Формула изобретения

1. Соединение труб из композиционных материалов, содержащее сопряженные друг с другом соединительные элементы - раструб и ниппель, образующие соединение посредством двух стопорных элементов и, по меньшей мере, одного уплотнительного элемента, под установку стопорных элементов выполнены канавки и входные отверстия в раструбе и канавки в ниппеле, а под уплотнительные элементы - канавки в ниппеле, раструб сформирован намоткой четырех-десяти пакетов, каждый из которых содержит пропитанные полимерным связующим два-три спирально-перекрестных слоя ровинга с углом армирования 40-50 и кольцевой слой ровинга, причем половина из спирально-перекрестных слоев, образующих раструб, одновременно образуют конструкционную стенку трубы, одна из поверхностей канавок раструба является рабочей и образована боковой поверхностью усеченного конуса с углом наклона к оси 45-55, а другая поверхность выполнена в виде поверхности тела вращения с криволинейной образующей, радиус кривизны которой превышает на 0,5-1 мм радиус стопорных элементов, входные отверстия в раструбе под стопорные элементы разнесены относительно друг друга на угол 110-150 в плоскости, перпендикулярной оси трубы, причем ось этих отверстий смещена на 0,5-1 мм от внутреннего диаметра раструба под установку стопорных элементов в сторону, противоположную оси трубы, а диаметр этих отверстий превышает диаметр стопорного элемента в 1,1-1,5 раза, ниппель содержит в зоне концентрации нагрузки от действия стопорных элементов образованный намоткой радиальных слоев ровинга с пропиткой полимерным связующим двойной клин, жестко закрепленный от осевого смещения за счет обжатия пропитанным полимерным связующим спирально-перекрестными слоями ровинга с углом армирования 40-50, диаметр поверхности ниппеля в месте выполнения канавок под установку уплотнительных элементов меньше диаметра поверхности ниппеля в месте выполнения канавок под установку стопорных элементов, радиус канавок ниппеля под установку стопорных элементов превышает радиус стопорных элементов на 0,5-1 мм, а ширина одной из канавок больше ширины другой на 0,5-1 мм.

2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что в качестве элемента использован канат.

3. Соединение по п.2, отличающееся тем, что в качестве стопорного элемента использован металлический витой канат со стальным сердечником.

4. Соединение по п.1, отличающееся тем, что стопорный элемент выполнен в виде монолитного металлического или полимерного стержня прямоугольного сечения, при этом профиль канавок ниппеля и раструба для установки стопорных элементов соответствует профилю стопорного элемента.

5. Соединение по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что уплотнительный элемент выполнен в виде кольца.

6. Соединение по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что в качестве полимерного связующего используется связующее на основе эпоксидных и полиэфирных смол.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к соединениям труб из композиционных материалов и может быть использовано при изготовлении и эксплуатации нефтепромысловых труб с условным проходом до 600 мм, работающих при давлениях до 6,0 МПа, преимущественно для труб с условным проходом от 400 до 600 мм и рабочим давлением от 4,0 до 6,0 МПа.

Известно трубное соединение, содержащее входящие одна в другую концами сочлененные трубы, наружная из которых имеет раструб с установленными в нем кольцевыми уплотнительным и металлическим элементами, с коническим поверхностями по их передним торцам и дну раструба, и стяжную гайку [Патент РФ 2124159, кл. F 16 L 19/025, 29.03.1999].

Однако в данном соединении задействовано относительно большое количество соединительных элементов, включая элементы, подверженные коррозии, что снижает надежность трубопроводной системы в целом и усложняет монтаж трубопроводов в условиях нефтепромыслов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является соединение труб из композиционных материалов, содержащее трубообразную муфту и сопряженные с ее поверхностью ниппельные законцовки труб, образующие герметичное соединение посредством как минимум двух стопорных и двух уплотнительных элементов, при этом стопорные элементы установлены в кольцевых канавках, образованных на наружной поверхности ниппельных законцовок, а уплотнительные элементы установлены со стороны наружной поверхности ниппельных законцовок труб и контактируют с внутренней поверхностью муфты [Патент РФ 2154767, кл. F16 L 47/06].

Однако данное соединение не применимо на трубопроводах с условным проходом от 400 до 600 мм, работающих при давлениях от 4,0 до 6,0 МПа, что связано со следующими причинами:

- нагрузки от рабочего давления трубопровода распределены в сторону увеличения радиальной составляющей от действия стопорного элемента на ниппель за счет малого угла наклона стопорных канавок раструба. В трубопроводах с указанным диаметром и действующим давлением данная нагрузка достигает достаточно больших значений, что делает неприменимой конструкцию ниппеля;

- усилия среза в стопорном элементе замещены на усилия смятия за счет малого угла наклона канавок раструба, что позволяет снизить величину осевого усилия при сборке, но вместе с тем приводит к выкрашиванию поверхностей канавок при возникновении толчкового режима работы нефтепромыслового трубопровода и как следствие потере надежности соединения;

- ниппельные элементы труб соединяются между собой посредством трубообразной муфты, что удваивает количество комплектующих элементов на сборку одного соединения, понижая тем самым надежность соединения в целом.

Основной задачей изобретения является создание достаточно прочного соединения труб из композиционных материалов, обеспечивающего надежную работу трубопроводов в условиях нефтепромыслов с условными проходами от 100 до 600 мм и рабочим давлением до 6,0 МПа, упрощение монтажа таких трубопроводов и повышение эффективности их использования.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемое соединение труб из композиционных материалов, содержащее сопряженные друг с другом соединительные элементы раструб и ниппель, образующие соединение посредством двух стопорных элементов и, по меньшей мере, одного уплотнительного элемента, под установку стопорных элементов выполнены канавки и входные отверстия в раструбе и канавки в ниппеле, а под уплотнительные элементы - канавки в ниппеле, раструб сформирован намоткой четырех-десяти пакетов, каждый из которых содержит пропитанные полимерным связующим два-три спирально-перекрестных слоя ровинга с углом армирования 40-50^o и кольцевой слой ровинга, причем половина из спирально-перекрестных слоев, образующих раструб, одновременно образуют конструкционную стенку трубы, одна из поверхностей канавок раструба является рабочей и образована боковой поверхностью усеченного конуса с углом наклона к оси 45-55^o, а другая поверхность канавки выполнена в виде поверхности тела вращения с криволинейной образующей, радиус кривизны которой превышает на 0,5-1 мм радиус стопорных элементов, входные отверстия в раструбе под стопорные элементы разнесены друг относительно друга на угол 110-150^o в плоскости, перпендикулярной оси трубы, причем ось этих отверстий смещена на 0,5-1 мм от внутренней поверхности раструба в сторону, противоположную оси трубы, а диаметр этих отверстий превышает диаметр стопорного элемента в 1,1-1,5 раза, ниппель содержит в зоне концентрации нагрузки от действия стопорных элементов образованный намоткой радиальных слоев ровинга с пропиткой полимерным связующим двойной клин, жестко закрепленный от осевого смещения за счет обжатия пропитанными полимерным связующим спирально-перекрестными слоями ровинга с углом армирования 40-50^o, диаметр ниппеля в месте выполнения канавок под установку уплотнительных элементов меньше диаметра поверхности ниппеля в месте выполнения канавок под установку стопорных элементов на 0,5-1 мм, а ширина одной из канавок больше ширины другой на 0,5-1 мм.

Поставленная задача решается также тем, что для достижения требуемой надежности и долговечности соединения в качестве стопорного элемента использован канат.

Поставленная задача решается также тем, что для достижения требуемой надежности и долговечности соединения в качестве стопорного элемента использован металлический витой канат со стальным сердечником.

Поставленная задача решается также тем, что для трубопроводов с рабочим давлением, не превышающим 2,0 МПа, стопорный элемент может быть выполнен в виде монолитного металлического или полимерного стержня прямоугольного сечения, при этом профиль канавок ниппеля и раструба для установки стопорных элементов соответствует профилю стопорного элемента.

Для проведения монтажа трубопровода в условиях низких температур и для быстрого проведения ремонта или замены стеклопластиковых труб уплотнительный элемент может быть выполнен в виде кольца.

В зависимости от химических характеристик транспортируемой среды в качестве полимерного связующего могут быть использованы связующие на основе эпоксидных или полиэфирных смол.

Выполнение предлагаемого соединения труб из композиционных материалов в виде сопряженных друг с другом соединительных элементов ниппеля и раструба, образующих соединение посредством двух стопорных элементов, и, по меньшей мере, одного уплотнительного элемента, позволяет отказаться от соединительного элемента муфты и задействовать в соединении меньшее количество стопорных и уплотнительных элементов, что дает возможность повысить надежность этого соединения.

В предлагаемом соединении раструб соединения сформирован намоткой четырех-десяти пакетов, каждый из которых содержит пропитанные полимерным связующим два-три спирально-перекрестных слоя ровинга с оптимальным углом армирования 40-50^o и кольцевой слой ровинга, причем половина из спирально-перекрестных слоев, образующих раструб, одновременно образуют конструкционную стенку трубы.

Такая схема армирования раструба позволяет отказаться от трудоемких операций использования стеклоткани и повысить качество конечного изделия за счет улучшения технологических характеристик раструба при его изготовлении. Экспериментально установлено, что угол армирования раструба спирально-перекрестными слоями в пределах 40-50^o обеспечивает надлежащую прочность соединения в осевом направлении, что позволяет решить задачу изобретения.

Одновременное формование раструба и конструкционной стенки трубы повышает надежность соединения за счет достижения монолитности тела трубы и соединительного элемента. Экспериментально установлено, что угол наклона рабочей поверхности канавки раструба 45-55^o обеспечивает оптимальное распределение радиального и осевого усилия по соединению труб.

На фиг.1 представлен продольный разрез описываемого соединения, где 1 - ниппель, 2 - раструб, 3, 4 - стопорные элементы, 5 - уплотнительный элемент, 6 - канавка ниппеля под установку уплотнительного элемента, 7 - канавка раструба для установки стопорного элемента, 8 - рабочая поверхность канавки раструба для установки стопорного элемента, 9 - вторая поверхность канавки раструба, 10, 11 - ниппельные канавки для установки стопорных элементов.

На фиг. 2 изображен вид А-А фиг.1, где 1- ниппель, 2 - раструб, 3, 4 - стопорные элементы, 12 - входные отверстия в стенке раструба для установки стопорных элементов.

На фиг.3 представлена схематически в разрезе конструкция стенки ниппеля, где: 10, 11 - ниппельные канавки, 13 - двойной клин, 14 - спирально-перекрестные слои ровинга.

На фиг. 4 представлена схематически в разрезе конструкция стенки раструба, где 15 - спирально-перекрестные слои ровинга, 16 - кольцевые слои ровинга, 17 - спирально-перекрестные слои, образующие конструкционную стенку трубы.

Соединение труб из композиционных материалов (фиг.1 и 2) содержит ниппель 1 и сопряженный с ним раструб 2, образующие соединение посредством стопорных элементов 3, 4 и как минимум одного уплотнительного элемента 5. При этом диаметр канавок 6 ниппеля под установку уплотнительных элементов 5 меньше диаметра канавок под установку стопорных элементов 3 и 4, угол рабочей поверхности 8 канавки 7 раструба 2 составляет 45-55^o к оси трубы, а ее противоположная поверхность 9 выполнена в виде поверхности тела вращения с криволинейной образующей, радиус кривизны которой превышает на 0,5-1 мм радиус стопорных элементов 3 и 4.

В стенке раструба выполнены входные отверстия 12 для установки стопорных элементов 3 и 4, при этом они разнесены друг относительно друга на угол 110-150^o в плоскости, перпендикулярной оси трубы. Ось входных отверстий 12 раструба 2 под стопорные элементы 3 и 4 смещена на 0,5-1 мм от внутренней поверхности раструба 2 в сторону, противоположную оси трубы, а диаметр этих отверстий раструба 2 превышает диаметр стопорных элементов в 1,1-1,5 раза.

Ниппель (фиг.3) содержит в зоне концентрации нагрузки от действия элементов образованный намоткой радиальных слоев ровинга с пропиткой полимерным связующим двойной клин 13, жестко закрепленный от осевого смещения за счет обжатия спирально-перекрестными слоями ровинга 14 с углом армирования 40-50^o, пропитанными полимерным связующим, диаметр ниппеля 1 в месте выполнения канавок 10 и 11 под установку уплотнительных элементов 5 меньше диаметра ниппеля в месте выполнения канавок под установку стопорных элементов 3 и 4, радиус канавок ниппеля 10 и 11 под установку стопорных элементов 3 и 4 превышает радиус стопорного элемента на 0,5-1 мм, а ширина канавки 11 больше ширины канавки 10 на 0,5-1 мм.

Конструкция раструба 2 (фиг.4), содержащая канавки для установки стопорных элементов 3 и 4, образована намоткой четырех-десяти пакетов, каждый из которых состоит из пропитанных полимерным связующим двух-трех спирально-перекрестных слоев ровинга 15 с оптимальным углом армирования 40-50^o и одного кольцевого слоя ровинга 16. Половина спирально-перекрестных слоев ровинга 17 одновременно образует конструкционную стенку трубы.

Сборка соединения труб из композиционных материалов осуществляется в следующей последовательности: на ниппель 1 устанавливают уплотнительные элементы 5. Затем, используя специальную сборочную лебедку, осевым перемещением ниппеля 1 и раструба 2 совмещают положение ниппельных и раструбных канавок для установки стопорных элементов. После этого во входные отверстия 12 заводят стопорные элементы 3 и 4. Разборка соединения проводится в обратном порядке.

Для обеспечения работы соединения при толчковом режиме работы трубопровода, что имеет место в условиях нефтепромыслов, вторая поверхность канавки раструба, противоположная рабочей поверхности. выполнена в виде поверхности тела вращения с криволинейной образующей, радиус кривизны которой превышает на 0,5-1 мм радиус стопорных элементов. Фиксация соединения происходит посредством установки стопорных элементов в соответствующие канавки ниппеля и раструба в собранном виде.

Для этого в раструбе выполнены входные отверстия 12 под установку стопорных элементов, разнесенные друг относительно друга на угол 110-150^o в плоскости, перпендикулярной оси трубы, что в свою очередь разносит концентрацию напряжений от отверстий по периферии раструба. Для упрощения установки стопорных элементов через соответствующие входные отверстия 12 раструба 2, ось этих отверстий смещена на 0,5-1 мм от внутренней поверхности раструба в сторону, противоположную оси трубы, а диаметр этих отверстий превышает диметр каната в 1,1-1,5 раза.

Для обеспечения работы соединения при воздействии возникающих в трубопроводе нагрузок при рабочем давлении от 4,0 до 6,0 МПа конструкция ниппеля содержит в зоне концентрации нагрузки двойной клин 13, образованный намоткой радиальных слоев ровинга с пропиткой полимерным связующим и обеспечивающий заданную прочность ниппеля в радиальном направлении. Двойной клин жестко закреплен от осевого смещения за счет обжатия спирально-перекрестными слоями ровинга 14 с углом армирования 40-50^o, пропитанными полимерным связующим и одновременно образующими конструкционную стенку трубы. Помимо закрепления двойного клина спирально-перекрестные слои с оптимальным углом армирования, значения которого находятся в пределах 40-50^o, обеспечивают необходимую прочность ниппеля в осевом направлении, а одновременное образование раструба и конструкционной стенки трубы повышает надежность соединения за счет достижения монолитности тела трубы и соединительного элемента.

Диаметр поверхности ниппеля в месте выполнения канавок под установку уплотнительных элементов меньше диаметра поверхности ниппеля в месте выполнения канавок под установку стопорных элементов, что обеспечивает снижение осевого усилия при сборке соединения и предоставляет возможность многократно производить сборку-разборку соединения без повреждения уплотнительных элементов. Для упрощения установки стопорных элементов радиус данных канавок ниппеля превышает радиус каната на 0,5-1 мм, а ширина одной из канавок больше ширины другой на 0,5-1 мм.