CZ20022671A3 - Potrubní spoj se ąroubovým závitem - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká vzájemného spojování trubek nebo potrubí, a to zejména potrubí,určených pro využití podzemí, například v oblasti plynového a ropného průmyslu.

Dosavadní stav techniky

Při přepravě tekutin, jako je například ropa nebo zemní plyn, mezi dvěma místy, je nejúčinnějším způsobem použití potrubí. Tato potrubí bývají obvykle zkonstruována z jednotlivých trubek, vzájemně k sobě spojených. Oblasti spojů trubek vytvářejí nespojitosti jak na vnitřní, tak i na vnější ploše potrubí, přičemž jsou jako takové zdrojem zeslabení konečného potrubí.

Je velice důležité minimalizovat jakákoliv taková zeslabení do největší možné míry, jelikož veškeré úniky tekutiny z potrubí způsobují jednak ztráty zdrojů, a jednak jsou potenciálně škodlivé a nebezpečné pro životní prostředí. Kromě toho může únik tekutiny rovněž zvýšit riziko požáru nebo výbuchu, což je nebezpečné pro obsluhu. Výměna nedostatečných nebo unikajících spojů není vždy jednoduchá. Zejména v případě ropného a plynárenského průmyslu jsou potrubí často umístěna v poměrně nepřístupných místech, takže jejich výměna je obtížná a nákladná.

· · »9 · · 4 ·· 49 4444

Za účelem odstranění netěsností byla vyvinuta celá řada různých řešení. Nej obvyklejším a nej využívanějším řešením je šroubový závitový spoj, přičemž závity spoje spolu spolupracují za účelem zabránění oddělení jednotlivých trubek jak v osovém, tak i v radiálním směru.

Vytvářené spoje musejí být konstruovány tak, aby tekutiny, obsažené v potrubí, nemohly unikat. Musejí být rovněž schopny odolávat velkým tlakovým rozdílům přes radiální šířku spoje, kteréžto tlakové rozdíly mají obvykle kladnou složku ve ven směřujícím radiálním směru.

Šroubové závitové spoje vyžadují vzájemné spojení dvou závitových oblastí, umístěných na každé z trubek, které mají být spolu vzájemně spojeny. Spojování se běžně provádí působením kroutícího momentu. Dvě závitové oblasti jsou obvykle vyrobeny tak, že jejich závity jsou vzájemně vůči sobě doplňkové.

V patentovém spise GB 1 587 836 je popsáno šroubové spojení pro trubky, u kterého dorazové osazení na jedné trubce spolupracuje s doplňkovým dorazovým osazením na druhé trubce za účelem vytvoření těsnění.

Takové těsnění však má celou řadu problémů. Za prvé kovový materiál, ze kterého jsou dorazová osazení vytvořena, teče v důsledku působení vysokého kroutícího momentu při sešroubovávání trubek dohromady. Proto může při nedostatečné pozornosti dojít k prokluzu nebo vyboulení spoje. Za druhé může vytvořený spoj představovat krokovou nespojitost při přechodu z jednoho úseku potrubí do druhého.

• · · · · ·

Podstata vynálezu

Úkolem předmětu tohoto vynálezu je vyvinout šroubový závitový spoj, u kterého budou odstraněny shora uvedené problémy.

V souladu s předmětem tohoto vynálezu byl proto vyvinut potrubní spoj se šroubovým závitem, obsahující první potrubní kus, opatřený vnější šroubovou závitovou částí na jednom konci, a druhý potrubní kus, opatřený vnitřní částí na jednom konci, kterýžto konec je opatřen odpovídajícím šroubovým závitem, přičemž závity jsou uzpůsobeny pro vzájemný záběr podél větší části své osové délky, závity jsou skloněny ve stejném směru pod ostrým úhlem vzhledem ke středové podélné ose spoje, přičemž vnitřní závit zasahuje alespoň k dorazové patce, mající hlavovou část, která je umístěna přilehle k odpovídající dorazové patce na vnitřní části, přičemž odpovídající dorazová patka obsahuje kuželovou přijímací část, mající kuželový průřez a zaoblený přijímací vrchol, kuželová přijímací část je uzpůsobena pro utěsněné přijetí hlavové části, která má kuželový průřez a zaoblený vrchol o poloměru větším, než je poloměr vrcholu kuželové přijímací části, takže vytváří těsnicí povrchovou plochu při působení kroutícího momentu na spoj.

Při použití ven směřující kuželová stěna hlavové části svírá s výhodou úhel od 28 do 36° s podélnou osou spoje.

Kuželová stěna svírá s výhodou úhel od 30 do 33° s podélnou osou spoje.

♦ ·

Při použití dovnitř směřující kuželová stěna na kuželové přijímací části svírá s výhodou úhel 28 až 38° s podélnou osou spoje.

Úhel, pod kterým leží při využití dovnitř směřující kuželová stěna kuželové přijímací části, je větší, než úhel, pod kterým leží při využití ven směřující kuželová stěna hlavové části.

Vnější šroubová rozptylující plochu, potrubí.

závitová část obsahuje druhou napětí připojující dorazovou patku k závitu

V řezu druhá napětí rozptylující plocha opisuje konkávní křivku, vzájemně působící podélně s dorazovou patkou.

Poloměr zakřivení konkávní křivky u druhé napětí rozptylující plochy je s výhodou od 0,075 do 0,085 cm.

Poloměr zakřivení konkávní plochy u druhé napětí rozptylující plochy je s výhodou od 0,081 cm.

Vnější šroubová závitová část obsahuje koncové osazení, které svírá úhel od 14 do 24° s příslušnou rovinou, kolmou na podélnou osu potrubí.

Koncové osazení svírá úhel od 18 do 20° s rovinou, kolmou na podélnou osu potrubí.

Vnitřní závitová část obsahuje koncové osazení, které svírá úhel od 12 do 24° s rovinou, kolmou na podélnou osu vnitřní závitové části.

Koncové osazení vnitřní závitové části svírá úhel od 14 do 18 s rovinou, kolmou na podélnou osu vnitřní závitové části.

Úhel, pod kterým leží koncové osazení vnitřní závitové části, je menší, než úhel, pod kterým leží koncové osazení vnější závitové části.

Při využití vnitřní povrchová plocha dorazového osazení vnější závitové části je konkávní při pohledu z vnitřku potrubí.

Poloměr konkávní povrchové plochy je s výhodou od 4,9 do 5,2 cm.

Poloměr konkávní povrchové plochy je výhodně 5,1 cm.

Takže stěna kužele na vnější povrchové ploše vnější šroubové závitové části při využití výhodně svírá úhel od 28 do 36° s podélnou osou trubky. Obzvláště výhodně pak stěna kužele svírá s podélnou osou trubky úhel od 30 do 33°, přičemž nejvýhodněji svírá úhel o velikosti 30°.

Odpovídající kuželová stěna na vnitřní závitové části svírá s výhodou s podélnou osou vnější závitové části úhel o velikosti od 28 do 38°. Úhel, který svírá kuželová stěna vnitřní závitové části je s výhodou větší, než úhel, který svírá kuželová stěna vnější závitové části.

Vnější šroubová závitová část je s výhodou opatřena povrchovou plochou pro rozptylování napětí, která spojuje • 44 ·

49 ·· ·· «» • · 9 4 « * · · ♦ 9

4 4·· 4

4 4 4 9

44 94 4444 koncové osazení s prvním závitem čepu. Povrchová plocha pro rozptylování napětí s výhodou opisuje konkávní křivku.

Poloměr zakřivení konkávní křivky povrchové plochy pro rozptylování napětí má s výhodou velikost od 0,075 do 0,085 cm, přičemž má nejvýhodněji velikost 0,081 cm.

Vnější šroubová závitová část je s výhodou opatřena koncovým osazením nebo dorazovou patkou, která svírá s rovinou kolmou k podélné ose trubky úhel o velikosti 14 do 24°. Koncové osazení svírá s výhodou úhel o velikosti od 18 do 20°, přičemž nejvýhodněji svírá úhel o velikosti 20°.

Koncové osazení vnitřní závitové části s výhodou svírá úhel o velikosti od 12 do 24° s rovinou kolmou k podélné ose vnitřní závitové části. Tento úhel má s výhodou velikost od 14 do 18°. Úhel, který svírá koncové osazení vnitřní závitové části je s výhodou menší, než úhel, která svírá koncové osazení vnější závitové části.

Pokud je spoj stlačován v osovém směru, má vnější šroubová závitová část snahu se vydouvat směrem dovnitř v důsledku dovnitř směřujících radiálních sil, vyvolávaných stlačováním. Takto způsobená deformace je často nazývána jako válcová deformace.

Vnitřní povrchová plocha koncového osazení je při využití s výhodou konkávní za účelem snížení účinku válcové deformace. Poloměr konkávní povrchové plochy má s výhodou velikost od 4,9 do 5,2 cm, přičemž má nejvýhodněji velikost 5,1 cm.

• ·» · • ·· • 9 ·· • ♦ * ♦ · · • · · • 99 ·· 9···

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude v dalším podrobněji objasněn na příkladech jeho konkrétního provedení, jejichž popis bude podán s přihlédnutím k přiloženým obrázkům výkresů, kde:

obr. 1 znázorňuje pohled v osovém řezu na šroubový závitový spoj mezi čepem a hrdlem;

obr. 2 znázorňuje ve zvětšeném měřítku pohled v osovém

řezu	na	koncové osazení neboli dorazovou	patku	čepu	podle
obr.	1;
	obr.	3 znázorňuje pohled v osovém	řezu	na	druhé
provedení	koncového osazení neboli dorazové	patky	čepu;	a

obr. 4 znázorňuje pohled v osovém řezu na spojení čepu a hrdla.

Příklady provedeni vynálezu

Jak je nejprve znázorněno na vyobrazení podle obr. 1, tak čep 10, opatřený šroubovým závitem 11, je závitově spojen s hrdlem 12, opatřeným odpovídajícím šroubovým závitem 13. Vzájemné spojení čepu 10 s hrdlem 12 vytváří spoj. Čep 10 a hrdlo 12 jsou kuželovité skloněny ke svým příslušným koncům 14 a 15 tak, že celková šířka potrubní stěny v oblasti 16 zůstává v podstatě konstantní. Koncové osazení 17 na čepu 10 dosedá na odpovídající koncové osazení 18 hrdla 12 pro vytvoření těsnění.

a a ······ ··· ··· «· · *· ·* ····

V praxi jsou oba šroubové závity 11 a 13 spojeny prostřednictvím působení kroutícího momentu na obě trubky, až je vytvořeno těsnění prostřednictvím dotyku mezi povrchovými plochami 19, 20 a 21 koncového osazení 17 s příslušnými povrchovými plochami 22, 23 a 24 koncového osazení 18.

Koncové osazení čepu 10 je znázorněno podrobněji na vyobrazení podle obr. 2.

Čep 10 má na jednom konci dorazovou patku 31, která má v podstatě tvar komolého kužele. Dorazová patka 31 má několik povrchových ploch 32, 33 a 34, které dosedají na odpovídající dorazovou patku hrdla 12 . Mezi povrchovou plochou 33 a koncovou povrchovou plochou 34 je dorazová patka 31 zakřivena, a to s poloměrem zakřivení o velikosti 0,036 cm. Povrchová plocha 33 svírá úhel o velikosti 30° s podélnou osou čepu 10 .

Kromě toho koncová povrchová plocha 34 svírá úhel o velikosti 20° s rovinou, kolmou na podélnou osu čepu 10. Dorazová patka obsahuje hlavovou část, kterážto hlavová část má kuželovitý průřez se zakřiveným vrcholem, přičemž kuželovitý úsek je definován bočními stěnami 33 a 34.

Povrchová plocha 37, která připojuje stěnu 35 závitu 36 k povrchové ploše 32, je zakřivená. Povrchová plocha 37 má poloměr zakřivení o velikosti 0,081 cm.

Na vyobrazení podle obr. 3 je znázorněno další provedení čepu, který byl shora popsán ve spojitosti s vyobrazením podle obr. 2.

··· tet ··· ·* · * ····

U tohoto provedení čep 40 obsahuje další zakřivenou povrchovou plochu 41, která má poloměr zakřivení o velikosti 5,08 cm. Toto zakřivení je takové, že při působení kroutícího momentu na čep 40 při jeho připojování k hrdlu pak napětí, způsobované tímto kroutícím momentem, vytváří dovnitř směřující radiální sílu pro ohýbání čepu 40 tak, že povrchová plocha 41 se začíná vyrovnávat s hrdlem. Tímto způsobem není proudění tekutiny v potrubí narušováno výstupky nebo nespojitostmi v potrubí.

Takové narušování, které by případně mohlo způsobovat víření tekutinového proudu, má za důsledek nutnost vynakládání většího množství energie na dopravu tekutiny potrubím. Kromě toho jsou nespojitosti obvykle mnohem náchylnější vůči chemickému nebo fyzickému působení přepravované tekutiny, než ostatní části povrchové plochy, v důsledku čehož jsou mnohem náchylnější vůči korozi, způsobované proudící tekutinou.

Na vyobrazení podle obr. 4 je znázorněn další aspekt spojení čepu a hrdla podle tohoto vynálezu.

Povrchová plocha 51 čepu 50 má poloměr zakřivení o velikosti 0,036 cm. Tento poloměr zakřivení je větší, než je poloměr odpovídajícího zakřivení u zakřivené plochy 52 na hrdle 53, která má poloměr zakřivení o velikosti 0,030 cm. Výsledná mezera 54, způsobená rozdílem v zakřivení, může být využita během spojovacího procesu.

Plochy 51 a 52 spolu nepřicházejí do vzájemného styku, než čep 50 a hrdlo 53 jsou správně spojeny, přičemž napětí v těchto oblastech je udržováno na minimu pokud možno po co • 4 « » * 4 · • 4 · · · · «44 ·4 ·♦ 4444 nejdelší dobu. Jakmile jsou čep 50 a hrdlo 53 správně spojeny, jak je vyvozován další kroutící moment, tak materiál, ze kterého je potrubí vytvořeno, může začít být podrobován plastickému tečení v důsledku vysokého napětí, kterému je vystaven. Mezera 54 může být využívána za tím účelem, aby materiál, který je podrobován takovýmto plastickým silám, mohl vtékat do této mezery 54.

Nehledě na toto zdokonalené těsnění však tečení materiálu do prázdného prostoru nevytváří žádná přídavná napětí v čepu 50 nebo v hrdle 53. To bývá obvykle případ, kdy osazení čepu není schopno volně téci. Další výhoda rozdílu

zakřivení spočívá	v tom,	že lze	umožnit	mnohem	snadnější
dovnitř směřující	pohyb	těsnicí	oblasti	spoje,	což opět
snižuje nadměrná napětí.
Shora popsané	znaky	mohou	buď jednotlivě	nebo ve

vzájemné kombinaci snižovat oblasti vysokého napětí, které obvykle panuje na koncovém osazení, pokud je potrubí s tímto koncovým osazením připojováno k dalšímu potrubí. Tyto znaky umožňují, aby energie, přenášená na koncové osazení při působení kroutícího momentu, se mohla mnohem siřeji rozptýlit podél oblasti koncového osazení a do závitové oblasti.

Přestože není nutno se omezovat na některou konkrétní teorii, existuje přesvědčení, že v důsledku uplatnění shora uvedených znaků dochází k přerozdělování napětí, vytvářených v důsledku působení kroutícího momentu na spoj. Přibližně 80 až 95 % napětí je soustředěno v těsnicí oblasti spoje. Energie, naakumulovaná v této oblasti, snižuje nežádoucí plastickou poddajnost materiálu, ze kterého jsou trubky vyrobeny.

< · · · fc • •fcfc ·* ·» • 9 9 • · · • · * · · ·» fc·»·

Kromě v závitu, zátěžových geometrie, momentu, co toho v důsledku řádné kontroly zejména u kořene čepu, v křiženi bocích, stejně jako s využitím zdokonalené těsnicí může být spoj podroben působení vyššího kroutícího ž dále zlepšuje kompresní výkon spoje.

interference spoje a na

Přestože v souladu s vyobrazením podle obr. 4 jsou stěny 55 a 56 čepu vzájemně rovnoběžné a vymezují stejný úhel, jako stěny 57 a 58 hrdla, nemusí tomu tak být, přičemž u celé řady provedení předmětu tohoto vynálezu jsou rozdílné úhly výhodné.

Například u neznázorněného výhodného provedení pak povrchová plocha vnitřní závitové části, odpovídající povrchové ploše 33 podle obr. 2, leží pod úhlem o velikosti 32°, zatímco povrchová plocha, odpovídající povrchové ploše 34, leží pod úhlem o velikosti 18°.

Obecně může povrchová plocha 33 svírat úhel o velikosti od 28 do 36° s podélnou osou potrubí, zatímco odpovídající povrchová plocha vnitřní závitové části může svírat úhel o velikosti od 28 do 38°.

Obdobně může povrchová plocha 34 svírat úhel o velikosti od 14 do 24° s rovinou kolmou na podélnou osu potrubí, zatímco odpovídající povrchová plocha na vnitřní závitové části může svírat úhel o velikosti od 12 do 24°.

Rozdíly v úhlech snižují ohybové napětí v těsnicí oblasti při působení kroutícího momentu, přičemž umožňují,

♦ 4 ♦ * 44 • 4 4

4 44 • ♦ · 94 4 aby energie kroutícího momentu mohla být využívána mnohem efektivněj i.

Shora uvedené povrchové plochy nebo dorazové patky mohou být využívány při výrobě trubek z celé řady průmyslově běžně používaných materiálů.

Potrubí jsou obvykle vyráběna z oceli. Kvalita oceli používané k výrobě potrubí, může být zvolena z těch ocelí, které jsou běžně využívány v průmyslu výroby potrubí.

Jako vhodné pro využití u předmětu tohoto vynálezu jsou například následující oceli, označené s využitím normované nomenklatury jako K55, J55, N80, L80, C90, C95, P110 a Q125. Tato potrubí rovněž mohou být podrobena povrchovému ošetření z hlediska odolnosti proti oděru, a to ještě před jejich využitím.

Celková šířka potrubí je obvykle od 3,8 cm do 12 cm z hlediska celkového průměru. S výhodou to bývá od 6,0 cm do

11,5 cm.

Je zcela pochopitelné, že předmět tohoto vynálezu není omezen pouze na shora určité specifické podrobnosti, které byly uvedeny pouze ve formě příkladu, přičemž je možno provádět různé modifikace a změny v rozsahu předmětu tohoto vynálezu.

Claims (16)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Potrubní spoj se šroubovým závitem, obsahující první potrubní kus (10), opatřený vnější šroubovou závitovou částí (11) na jednom konci, a druhý potrubní kus (12), opatřený vnitřní částí na jednom konci, kterýžto konec je opatřen odpovídajícím šroubovým závitem (13), přičemž závity jsou uzpůsobeny pro vzájemný záběr podél větší části své osové délky, závity (11, 13) jsou skloněny ve stejném směru pod ostrým úhlem vzhledem ke středové podélné ose spoje, přičemž vnitřní závit (11) zasahuje alespoň k dorazové patce (31), mající hlavovou část, která je umístěna přilehle k odpovídající dorazové patce na vnitřní části, vyznačující se tím, že odpovídající dorazová patka obsahuje kuželovou přijímací část, mající kuželový průřez a zaoblený přijímací vrchol, kuželová přijímací část je uzpůsobena pro utěsněné přijetí hlavové části, která má kuželový průřez a zaoblený vrchol o poloměru větším, než je poloměr vrcholu kuželové přijímací části, takže vytváří těsnicí povrchovou plochu při působení kroutícího momentu na spoj.
2. 2. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 1, vyznačující se tím, že při použití ven směřující kuželová stěna (33) hlavové části svírá úhel od 28 do 36° s podélnou osou spoje.
3. 3. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 2, vyznačující se tím, že kuželová stěna (33) svírá úhel od 30 do 33° s podélnou osou spoje.

   • ·· · • · «

   9 « • «

   9 0 9 * 9« ··
4. 4. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle kteréhokoliv z předcházejících nároků vyznačující se tím, že při použití dovnitř směřující kuželová stěna (22) na kuželové přijímací části svírá úhel 28 až 38° s podélnou osou spoje.
5. 5. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle kteréhokoliv z předcházejících nároků vyznačující se tím, že úhel, pod kterým leží při využití dovnitř směřující kuželová stěna (22) kuželové přijímací části, je větší, než úhel, pod kterým leží při využití ven směřující kuželová stěna (33) hlavové části.
6. 6. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vnější šroubová závitová část obsahuje druhou napětí rozptylující plochu (37), připojující dorazovou patku (31) k závitu (36) potrubí.
7. 7. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 6, vyznačující se tím, že v řezu druhá napětí rozptylující plocha (37) opisuje konkávní křivku, vzájemně působící podélně s dorazovou patkou (31).
8. 8. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 7, vyznačující se tím, že poloměr zakřivení konkávní křivky u druhé napětí rozptylující plochy (37) je od 0,075 do 0,085 cm.
9. 9. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 8, vyznačující se tím, že poloměr zakřivení • 000 0 ·· 9 » 0 • ·

   999 999

   00 00

   9·

   9 0 • ·

   0 0 0

   0 0 • · « 0

   0 0 0

   0 *

   0 ·

   9 9999 konkávni plochy u druhé napětí rozptylující plochy (37) je od 0,081 cm.
10. 10. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vnější šroubová závitová část (10) obsahuje koncové osazení (34), které svírá úhel od 14 do 24° s příslušnou rovinou, kolmou na podélnou osu potrubí.

    11. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 10, vyznačující s e t í m , že koncové osazení (34) svírá úhel od 18 do 20° s rovinou, kolmou na podélnou osu potrubí. 12. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle

    kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vnitřní závitová část (12) obsahuje koncové osazení (23), které svírá úhel od 12 do 24° s rovinou, kolmou na podélnou osu vnitřní závitové části.
11. 13. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 12, vyznačující se tím, že koncové osazení vnitřní závitové části (12) svírá úhel od 14 do 18 s rovinou, kolmou na podélnou osu vnitřní závitové části.
12. 14. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 12 nebo 13, vyznačující se tím, že úhel, pod kterým leží koncové osazení (23) vnitřní závitové části, je menší, než úhel, pod kterým leží koncové osazení (34) vnější závitové části.

    • 9

    0« •

    ♦ 9 9 ·♦·* »00

    0 · • 09 • 9

    9 9 • 9

    9 9

    9999
13. 15. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že při využití vnitřní povrchová plocha (41) dorazového osazení (31) vnější závitové části je konkávní při pohledu z vnitřku potrubí.
14. 16. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 15, vyznačující se tím, že poloměr konkávní povrchové plochy (41) je od 4,9 do 5,2 cm.
15. 17. Potrubní spoj se šroubovým závitem podle nároku 16, vyznačující se tí povrchové plochy (41) je 5,1 cm.
16. 18. Potrubní spoj se vyznačující se tí zobrazen na přiložených obrázcích

    že poloměr konkávní šroubovým závitem, že byl shora popsán a

    výkresů.