Соединение трубопроводов

СОК)3 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) П ) 5 Е 161 19/О ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАВЕДОМСТВО СССР(57) Использование: в криогенной технике,судостроении, авиастроенииСущностьизобретения: между штуцером с внутренней конусной расточкой и накидной гайкойрасположено обжимное кольцо, на внутренИзобретение относится к машиностроению и может быть использовано в криогенной технике, судостроении, авиастроении и т.д., в частности в криогенных системах высокого давления.Целью изобретения является уменьшение массы соединения и увеличение ресурса за счет уменьшения усилия затяжки.На фиг.1 изображено соединение трубопроводов; на фиг.2-4 - сравнительный анализ прототипа и предложенного соединения; на фиг.5 - узел А на фиг,1; на фиг.6 - конкретный пример обжимного кольца.Соединение трубопроводов содержит штуцер 1 с внутренней конусной расточкой, переходящей в цилиндрическую. в которую входит труба 2, накидную гайку 3 и металлическое уплотнение в виде обжимного кольца 4, имеющего концентрические кромки 5-7, образованные проточкой. Количество кромок определяется типоразмером соединения. Поверхности контакта 8 обжимного ого выполнены стуонтактирующие по- гайки выполнены жности торовой пос.центром тяжести и проточекрасполоверхности, касательверхности тора с оянию от центра тяо оси кольца и радиым расстоянию от я кольца до поверхеской поверхности, ют. 6 ил. ней поверхности котор пенчатые проточки, К верхности кольца и торовыми, Центр окру верхности совмещен сечения кольца, Кромк жены на конической по ной к внутренней по радиусом, равным расст жести сечения кольца д усом окружности, равн центра тяжести сечени ности трубы. Оси конич кольца и трубы совпада кольца и накидной гайки выполнены торовыми, причем центр окружности торовой по. верхности с радиусом г совмещен с центромтяжести сечения обжимного кольца (ц.т.), акромки проточек расположены на конической поверхности, касательной.к внутренней поверхности тора с радиусом, равнымрасстоянию от центра тяжести сечению обжимного кольца до оси кольца и радиусомокружности, равным расстоянию от центратяжести сечения кольца до поверхности трубы, при этом оси конической поверхности,обжимного кольца и трубы совпадают.Рассматривая схему деформации конст- .рукции обжимного кольца в прототипе, можно заметить (см.фиг,2), что деформация идетпо следующим этапам;1, Всестороннее сжатие кольца (посредством двух клиновых поверхностей А и Бкольцо прижимается поверхностью С к трубе и заклинивает, исключая поворот сече-ния),180923032. Изгиб оставшейся свободной части Затем последовательно, методом увекольца над линией 1- . " личения прилагаемой нагрузки к цйлиндру,В пре,цложенном техническом решении имитирующему обжимное кольцо в прототиобжимное кольцо(см.фиг,З) имеет воэмож-пе,получили тот же уровень. перемещений, ность проворотаотносительноцентратяже на начале цилиндра Ф = 0,3 мм, при этом сти сечения кольца за счет торовой наибольшими являются меридионалъные . поверхности; снаружи и внутри цилинд 2 ра напряжения,Наглядно это видно из распечаток, пол- . равные 31=2,6 10 кгс/см при усилии ОЙ= .4ученных в результате расчета за ЭВМ мето- = 90000 кгс, что в 5,3 раза больше, чем в дом конечных элементов, Расчет велся для 10 случае цилиндра, имитирующего предластальных колец с модулем упругости Е = 2 хгаемое обжимное кольцо. Длятакогох 10 гкс/см, для различных геометриче- уровня напряжений (31-2,6 104 фкгс/сеР= скйх соотношений размеров и различных -260 кгс/мм, что превышает предел проч- прилагаемых нагрузках. Во всех случаях ности сталей ЗОХГСА и 07 Х 16 Н 6 в 2,3 раза) получились практически одинаковые ре- "5 практически невозможно подобрать матезультаты, т,е, соотношения усилий; дефор- риал для изготовления обжимного кольца маций и напряжений. Один из случаев . приданной геометрии идеформации, стем, расчета приводится ниже. Для йаглядности . чтобы кольцо работало в зоне упругости.иупрощения расчета эа базовое(для прото- На основании вышеизложенногоможно .типаи предложенного технического реве сделать сравнительные выводы;ния) обжимное кольцо принимали полый 1. Одинаковые перемещения в предло- цилиндр высотой 1,5 см, среднийф 3 диусом женном обжимном кольце по сравнению с 6 см и толщиной 0,8 см, Приложенная на- прототипоммогутбытьдостигнуты признагрузка Рг (см.фиг.23, 4) действует по верх-. чительно меньших усилиях затяжки при упнему краю цилиндра. 25 ругом повороте предложенного кольца, При .В предложенном техническом решении расчете не учитывалось уменьшение плеча, обжимное кольцо имитирует цилиндр со на котором действует нагрузка,эа счет засвободной горизонтального перемещения- клинивания части кольца в прототипе и не.9/см; исвободой угла поворота-ТЕТА, рад. учитывались дополнительные усилия на В прототипе обжимное кольцо имитирует 30 протягивание уже вступившей в контакт с тот же цилиндр, но с ограничением горизон- трубой части кольца, что привело бы к еще тального перемещенияи угла поворота на большей разнице в усилиях затяжки для конце цилиндра. предложенного соединения и прототипа.Фиг.4 поясняет обозначения, принятые 2. Значительное уменьшение действуюпри расчете, где: 35 щих напряжений внутри обжимного кольцаХнач и Хк 0 и - координаты начала и конца . позволит избежать его смятия и разрушецилйндра; ния, а также увеличит срок службы кольцаН - толщина цилиндра;. при многоразовом применении.В - средний радиус цилиндра; 3. Значительное уменьшение усилию эа- . Р, - приложенная нагрузка; 40 тяжки приведет к уменьшению. массы дета- ТЕТА - угол поворота начала цилиндра; лей соединения.Ч- вертикальное перемещение , Все эта приведет к уменьшению массы ЧЧ - горизонтальное перемещение; соединения и увеличению ресурса по срав- .1,2,321 - элементы разбивкисечениянениюс,прототипом.цилиндра 45Преобладание составляющих поворот.- К цилиндру, имитирующему предло- ной деформации кольца над другими дает женное обжимное кольцо, прилагалось возможность считать, чтодеформация кольрасйределенное усилие ОВ = 17000 кгпв. На- ца происходит только эа счет разворота сеибольшимй получились окбчжные рвстяги- чения относительно центра тяжести, Длявающие.напряжения 32 = 9,1 10 кгссм и 50 пояснения расположения кромок проточек горизонтальное перемещение на начале рассмотрим фиг.5; на которой изображено цилйндраЮ,8 10 см =0,3 мм на сторо- сечение обжимного кольца и трубы, Так какну. Притакомуровне напряженийдляиэго- при деформации сечение разворачивается товления обжимного кольца можновокруг центра тяжести, то значит каждая использовать например ЗОХГСА, а для сред, 55 точка сечения движется по окружности с вызывающихкоррозию, найример центром в центре тяжести сечения. Для то 07 Х 16 Н 6. Для полученных перемещений на го, чтобы при повороте сечения все кромки обжимйом кольце можно выполнить проточ- проточек одновременно коснулись трубы, ки:с перепадом диаметров около 0,2 мм; что что исключило бы дополнительные усилия технологически выполнимо. на протягивание уже вступившей в контактс трубой части кольца, кромки проточек 5-7 должны располагаться на линии касательной к окружности с радиусом г 1, равным расстоянию от центра тяжести сечения кольца до поверхности трубы. Переходя от сечения к соединению в целом в общем случае получим, что сроки проточек должны располагаться на конической поверхности, касательной к внутренней поверхности тора с радиусом, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до оси кольца и радиусом окружности, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до поверхности трубы, при этом оси конической поверхности, обжимного кольца и трубы совпадают,Предложенное устройство работаетследующим образом.При затяжке соединения от усилий, воз-.никающих по линии контакта торца обжим. ного кольца 4 и конической расточкойштуцера 1, происходит разворот сечения обжимного кольца вокруг центра тянести сечения с одновременным движением кольца в сторону конической расточки штуцера.После разворота сечения обжимного кольца.на угол а(см. фиг,5) все кромки 5-7 одновре-.менно коснутся трубы. При дальнейшей затяжке соединенйя начнется внедрение кромок 5-7 в тело трубы. Максимально внед, рится в тело трубй кромка 5 как наиболееудаленная от центра поворота сечения,меньше других кромок внедрится кромка 7как наиболее близкая к центру разворота сечения. То есть, внедрение кромок происходит пропорционально удаленности их от центраразворота сечения, поэтому и усилия.от контакта кромок с поверхностью трубы распределяются от максимального на самой удаленной кромке 5 от центра раз, ворота сечения до минимального на кромке 7; Такому распределению усилий соответствует и распределение усилий от составляющей силы затяжки Рг, так как распределение усилий по кромкам от Рг идет по закону треугольника, Рассматривая закон распределения усилий от внедрения кромок кольца в трубу и от силы Р, одновременно принимая во внимание, что материал кольца прочнее материала трубы, можно утверждать, что до момента эффективного уплотнения соединения деформации от разворота сечения будут преобладать над всеми остальными, На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что и в незатянутом состоянии, т.е. до деформации, и в затянутом, т.е, после деформации, или в любом другом промежуточном состоянии кромки проточек будут расположены на конической поверхности, касательной к внут ренней поверхности тора с радиусом, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до оси кольца и радиусом окружности, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до поверхности трубы.Уплотнение будет герметично и эффективно затянуто до момента, когда 10 Рг = (1,1-1,2) 2бтр тт + Рд (см.фиг.5) где ,= 1+ 2+хб,р - толщина стенки трубы;с - предел текучести по сжатию материала трубы;Рд - усилие для деформации кольца в 15 свободном состоянии на угол,При еще большей затяжке соединения произойдет пластическая деформация трубы, а далее и кольца (предполагается, что материал кольца в два и более раз прочнее 20 материала трубы), что ограничивает возможность многократного использования соединения и не даст большего эффекта уплотнения.На основании вышеизложенного можно 25 сделать выводы, Так как деформация обжимного кольца при затяжке соединения происходит вокруг центра тяжести сечения кольца, поэтому обжимное кольцо можно рассматривать кэк свободное кольцо, нагру 30 женное равномерно распределенным погонным моментом от усилий, возникающих при затяжке соединениями действующих по линии контакта торца обжимного кольца и конической расточки штуцера на плечо от точки контакта до линии, перпендикулярной оси вращения кольца и проходящей через центр тяжести сечения кольца, в этом случае получим максимальные перемещения об 40 жимного кольца. Сила трения, возникающая по торовой поверхности контакта обжимного кольца и нэкидной гайки при затяжке соединения мала по сравнению с погонным моментом на обжимном кольце, Поэтому при расчете соединения силой трения можно пренебречь, Для уменьшения силы трения по торовой поверхности контакта обжимного кольца и накидной гайки можНоприменить смазку или энтифрикционноепокрытие.Для пояснения вышеизложенного при 50 водим порядок расчета обжимного кольца и конкретный пример обжимного кольца с гесоединяемых трубопроводов и ответных частей соединения выполняются следующиеработы см,фиг,б): ометрией, подобной кольцу, в срэвнитель 55 ном расчете, Предварительно, исходя из размеров1. Проводится построение сечения обжимного кольца.2. Находится центр тяжести сечения кольца,3. Из центра тяжести радиусом В, рав ным Хо, определится торовая поверхность.4. После расчета геометрических характеристик сечения по заданной нагрузке определяем угол поворота сечения кольца.5. Проводим касательную к окружности 10 с г 1 под углом к поверхности трубы несколько меньшим расчетного (с учетом реализации расчетного угла поворота при затяжке соединения до полного уплотнения.6, Проводим построение проточексуче том расположения кромок на найденной касательной.7. Уточняем координаты центра тяжести сечения.8. Выполняем вычисления по пунктам 20 2-7 до тех пор, пока координаты центра тяжести сечения последующего расчета не совпадут с координатами центра тяжестисечения предыдущего расчета, Расчеты по пунктам 1-8 удобно производить с помощью 25 ЗВМ.В представленном примере (см.фиг.б) расчет геометрических характеристик и их уточнение проводился на вычислительной машине. После расчета окончательно полу чили; материал обжимного кольца ОЗХ 11 Н 10 М 2 Т-ВД с пределом прочности оа= - 125 кгс/мм и пределом текучести оЬ,2- =115 кгс/мм, действующая нагрузка Р -10000 кгс, Момент инерции Ь = 0,12 см, 35 момент сопротивленияЮг- - . ==0,14 см;Ь 0,12 з,0,85Хо 0,65 см; .40гц,т, + 2 о = 6+ 0,34 = 6,34 см;отР 1крутящий моиеит щ10000 0,85 213 4452 д 6,34Напряжения в кольце о -50 213,46,3 9663 кгс/см 2=96,6 кгс/мм 2(Ъ 20,14Угол пОворота сечения О = п г й 236 102 рад=2051 106 я 0,12Расчет представлен в упрощенном виде.Таким образом, предложенное соединение трубопроводов имеет по сравнению с прототипом следующие технико-экономические преимущества: обжимное кольцо имеет большую воэможность перемещений по сравнению с двухконусным обжимным кольцом той же геометрии в прототипе, которое подвергается всестороннему сжатию. Исключаются дополнительные усилия на протягивание уже вступившей в контакт с трубой части обжимного кольца в направлении штуцера, так как все кромки врезаются в трубу одновременно. Все это ведет к уменьшению усилий при затяжке соединения приблизительно в 5 раз, а следовательно, и к уменьшению массь 1 соединения также приблизительно в 5 раз, Уменьшение уровня напряжений в обжимном кольцеприведет к увеличению его ресурса, а значит и к увеличению ресурса соединения в целом при многоразовом применении, так как иэ всех деталей соединения наиболее нагруженным является обжимное кольцо. формула изобретения Соединение трубопроводов, содержащее штуцер с внутренней конусной расточ- кой, накидную гайку и расположенное между ними обжимное кольцо, на внутренней поверхности которого выполнены ступенчатые проточки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что контактирующие поверхности обжимного кольца и накидной гайки выполнены торовыми, причем центр окружности торовой поверхности совмещен с центром тяжести сечения обжимного кольца, а кромки проточек расположены на конической поверхности, касательной к внутренней поверхности тора с радиусом, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до оси кольца, и радиусом окружности, равным расстоянию от центра тяжести сечения обжимного кольца до поверхности трубы, при этом оси конической поверхности, обжимного кольца и трубы совпадают.1809230Х оставитель А, Бобехред М,Моргентал тор,А; Козо Редак Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 аказ 1276 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5