RU2011100C1

RU2011100C1 - Threaded joint for thin-walled metal pipes with polymer outer coating

Info

Publication number: RU2011100C1
Authority: RU
Inventors: Ю.К. Белянчиков; А.А. Земсков; В.Д. Леоничев; В.Н. Абраменков; В.К. Вегеле
Original assignee: Белянчиков Юрий Кириллович
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1994-04-15

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: outer surface of taper end of male part which is free of thread is engageable with plain taper inner surface of female part, their conicity being equal. Threaded portion of male part and its end are made of polymer flexible material which is identical to and integral with polymer material of coating. Free end is provided with circular fillets forming common conicity. Outer diameter of the largest fillet is less than or equal to the maximum diameter of taper surface of female part. Outer diameter of the minimum fillet exceeds minimum diameter of engageable surface of female part by amount adequate for maximum deformation of all fillets in height within elasticity of polymer material in screwing the threaded parts together. EFFECT: enhanced reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к строительству трубопроводов, а более конкретно к устройствам для соединения тонкостенных сварных труб среднего и большого диаметра с наружным противокоррозионным полимерным покрытием, в качестве которого в мировой практике самое широкое распространение получил полиэтилен. The invention relates to the construction of pipelines, and more particularly to devices for connecting thin-walled welded pipes of medium and large diameter with an external anticorrosive polymer coating, in which polyethylene is most widely used in world practice.

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при строительстве трубопроводов систем мелиорации и водоснабжения, в которых эксплуатируются трубы с двухсторонним (наружным и внутренним) противокоррозионным покрытием, ибо при сооружении этих трубопроводов стыковая сварка труб недопустима, т. к. в зоне сварного шва происходит выгорание внутреннего покрытия, восстановление которого сопряжено с значительными трудностями, а на трубах диаметром менее 0,8 метра практически невозможно. The invention can be most effectively used in the construction of pipelines for land reclamation and water supply systems, in which pipes with a two-sided (external and internal) anti-corrosion coating are operated, because during the construction of these pipelines butt welding of pipes is unacceptable, since the internal coating burns out in the weld zone , the restoration of which is associated with significant difficulties, and on pipes with a diameter of less than 0.8 meters is almost impossible.

В настоящее время для соединения тонкостенных труб с двухсторонним покрытием используются муфты различных типов с резиновыми уплотнительными кольцами, которые, однако, не гарантируют высокие напорные характеристики трубопроводов в силу значительных технологических отклонений сечения трубы от окружности, а долговечность работы соединения - из-за старения уплотнительных резиновых элементов. Currently, various types of couplings with rubber o-rings are used to connect thin-walled pipes with a double-sided coating, which, however, do not guarantee high pressure characteristics of pipelines due to significant technological deviations of the pipe cross section from the circumference, and the durability of the connection is due to aging of rubber sealing elements.

Одним из наиболее перспективных путей решения проблемы массовой стыковки тонкостенных труб с двухсторонним противокоррозионным покрытием является создание прочного резьбового соединения с высокими эксплуатационными характеристиками и надежностью при обеспечении простоты технологии стыковки. One of the most promising ways to solve the problem of mass docking of thin-walled pipes with a double-sided anticorrosion coating is to create a durable threaded connection with high performance and reliability, while ensuring the simplicity of the joining technology.

Известен ряд технических решений, призванных обеспечить высокую герметичность резьбового трубного соединения за счет использования в качестве уплотняющего звена либо прокладок (см. патент Великобритании N 2138905, кл. F 16 l 15/00, патенты США N 4568113, кл. F 16 l 25/00, N 4712815, кл. F 16 l 15/00), либо плотного контакта охватываемой и охватывающей конусных поверхностей (см. ГОСТ 632-80 Трубы обсадные и муфты к ним в разделе Трубы с высокогерметичным соединением и муфты к ним, патент Великобритании N 2119044, кл. F 16 l 15/00, патент США N 3870351, кл. F 16 l 15/00), либо сочетание обоих упомянутых элементов (см. патент Великобритании N 2162607, кл. F 16 l 15/04). A number of technical solutions are known to ensure high tightness of a threaded pipe connection by using either gaskets as a sealing element (see UK patent N 2138905, CL F 16 l 15/00, US patents N 4568113, CL F 16 l 25 / 00, N 4712815, class F 16 l 15/00), or tight contact of male and female conical surfaces (see GOST 632-80 Casing pipes and couplings to them in the section Pipes with a tight seal and couplings to them, UK patent N 2119044, class F 16 l 15/00, US patent N 3870351, class F 16 l 15/00), or a combination of both wet elements (see UK patent N 2162607, CL F 16 l 15/04).

Основной недостаток известных технических решений заключается в том, что они, будучи предназначенными для уплотнения стыка толстостенных труб нефтяного сортамента с достаточно толстой стенкой, не могут быть реализованы для герметичного соединения тонкостенных сварных труб среднего и большого диаметра, т. к. на последних исключена возможность нарезания полноценной резьбы по всей окружности и получения качественных поверхностей для уплотнения по конусу или прокладками в силу того, что тонкостенные трубы изготавливаются на трубосварочных станах с отклонениями по наружному диаметру от ± 1,5 мм до ± 2,5 мм и овальностью сечения до 1-2% номинального наружного диаметра, а толщина стенки по экономическим соображениям не превышает 3-4 мм. The main disadvantage of the known technical solutions lies in the fact that, being designed to seal the junction of thick-walled tubes of oil assortment with a sufficiently thick wall, they cannot be implemented for the hermetic connection of thin-walled welded pipes of medium and large diameters, since the possibility of cutting is excluded on the latter full thread around the entire circumference and obtaining high-quality surfaces for sealing along the cone or gaskets due to the fact that thin-walled pipes are made for pipe welding mills with deviations in the outer diameter from ± 1.5 mm to ± 2.5 mm and an oval section up to 1-2% of the nominal outer diameter, and the wall thickness for economic reasons does not exceed 3-4 mm.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является винтовое соединение для нефтяных труб, содержащее охватывающую деталь, имеющую конусную полость с гладкой внутренней поверхностью, в которую при ввинчивании с натягом входит выпуклая сферическая конусная наружная поверхность охватываемой детали. The closest in technical essence to the invention is a screw connection for oil pipes containing a female part having a conical cavity with a smooth inner surface, which, when screwed in tightly, includes the convex spherical conical outer surface of the male part.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что для его реализации также требуются трубы с толстой стенкой, на которой можно выполнить резьбу и уплотнительные поверхности, достаточно прочные для создания герметизирующего контакта в зоне стальных конических элементов. Применительно к экономичным тонкостенным сварным трубам эти мероприятия исключены по указанным ранее причинам, а попытки создать натяг в сопряженных конусных элементах приводит к потере устойчивости сечения охватываемой детали. A disadvantage of the known technical solution is that its implementation also requires pipes with a thick wall, on which threads and sealing surfaces can be made, strong enough to create a sealing contact in the area of the steel conical elements. With regard to economical thin-walled welded pipes, these measures are excluded for the reasons indicated above, and attempts to create an interference fit in the conjugated conical elements leads to a loss of stability of the cross section of the covered part.

Целью настоящего изобретения является обеспечение герметичности соединения тонкостенных сварных металлических труб с двухсторонним противокоррозионным (в т. ч. наружным полимерным) покрытием, повышение и стабилизация его эксплуатационных характеристик и долговечности несмотря на относительно малую толщину стенки и имеющие место в производстве и допускаемые техническими условиями отклонения сечения труб по диаметру и овальность. The aim of the present invention is to ensure the tightness of the connection of thin-walled welded metal pipes with a double-sided anticorrosive (including external polymer) coating, increasing and stabilizing its operational characteristics and durability despite the relatively small wall thickness and the deviations of the section occurring in the production and allowed by the technical conditions pipes in diameter and ovality.

Поставленная цель достигается тем, что в известном резьбовом соединении, содержащем охватываемую и охватывающую резьбовые детали со свободными от резьбы конусным концом внешней поверхности охватываемой детали и сопряженной с последней гладкой конусной внутренней поверхностью охватывающей детали, имеющими одинаковую конусность, резьбовая часть охватываемой трубной детали и ее свободный от резьбы заходный конусный конец изготовлены из полимерного упругого материала, идентичного и составляющего единое целое с полимерным материалом покрытия и является утолщением последнего. При этом на свободном от резьбы заходном конусном конце охватываемой детали выполнено не менее двух кольцевых валиков, образующих общую конусность. This goal is achieved by the fact that in the known threaded connection containing male and female threaded parts with a thread-free conical end of the external surface of the male part and mating with the last smooth conical internal surface of the female part having the same taper, the threaded part of the male pipe part and its free from the thread, the inlet conical end is made of a polymeric elastic material that is identical and integral with the polymeric material PTFE coating and a thickening of the latter. At the same time, at least two annular rollers forming a common taper are made on the thread-free inlet taper end of the male part.

Кольцевые валики выполнены таким образом, что наружный диаметр наибольшего из них меньше или равен наибольшему диаметру гладкой конусной внутренней поверхности охватывающей детали, сопрягающейся с ним, а наружный диаметр наименьшего валика превышает минимальный диаметр сопряженной гладкой конусной внутренней поверхности на величину, обеспечивающую при свинчивании упомянутых резьбовых деталей (трубы и муфты) максимальную деформацию всех валиков по высоте в пределах упругости полимерного материала. The annular rollers are made in such a way that the outer diameter of the largest of them is less than or equal to the largest diameter of the smooth conical inner surface of the female part mating with it, and the outer diameter of the smallest roller exceeds the minimum diameter of the conjugated smooth conical inner surface by an amount that ensures the above-mentioned threaded parts (pipes and couplings) the maximum deformation of all the rollers in height within the elasticity of the polymer material.

Тем самым при выполнении резьбовой и конусной частей охватываемой детали из упругого полимерного материала в отличие от известных технических решений создаются условия герметизации стыка охватываемой и охватывающей деталей, изготовленных не только с высокой точностью размеров, как это имеет место в случае нарезания концов толетостенных обсадных труб, но и при соединении тонкостенных сварных труб, имеющих значительные отклонения в геометрии сечения, т. е. у предлагаемого технического решения появляется свойство, не совпадающее со свойствами известных технических решений, что позволяет сделать вывод о том, что предложенное нами техническое решение обладает "существенными отличиями". Thus, when performing the threaded and conical parts of the male part from an elastic polymer material, in contrast to the known technical solutions, the conditions for sealing the joint of the male and female parts made not only with high dimensional accuracy are created, as is the case in the case of cutting ends of casing pipes, but and when connecting thin-walled welded pipes having significant deviations in the geometry of the section, i.e., the proposed technical solution has a property that does not match its known technical solutions, which allows us to conclude that the proposed technical solution has “significant differences”.

Конусная заходная часть охватываемой детали оформляется в виде нескольких (не менее двух) узких кольцевых валиков для облегчения упругого деформирования при четком определении конуса. The conical lead-in of the covered part is formed in the form of several (at least two) narrow annular rollers to facilitate elastic deformation with a clear definition of the cone.

На фиг. 1 изображено резьбовое соединение при помощи муфты двух тонкостенных труб с наружным полимерным покрытием, разрез вдоль оси; на фиг. 2 - заходная часть охватываемой детали в начале свинчивания при заходе кольцевых валиков в конусную полость охватывающей детали; на фиг. 3 - заходная часть охватываемой детали, подвергнутая деформации при полном свинчивании трубы и муфты. In FIG. 1 shows a threaded connection using a sleeve of two thin-walled pipes with an external polymer coating, a section along the axis; in FIG. 2 - the lead-in part of the male part at the beginning of make-up when the annular rollers enter the conical cavity of the female part; in FIG. 3 - the lead-in part of the covered part, subjected to deformation with full screwing of the pipe and coupling.

Устройство содержит две тонкостенные сварные трубы 1 с упругим наружным полимерным покрытием 2 и резьбовую соединительную муфту 3. Полимерное покрытие на трубы нанесено таким образом, что на концах образовано утолщение 4, оформленное в виде резьбы 5 со свободной от нее заходной частью в виде двух или более кольцевых валиков 6 с общей конической образующей, ось конуса которой совпадает с осью резьбы. Соединительная муфта с двух концов по краям имеет внутреннюю резьбу 7, аналогичную полимерной резьбе труб, а ее средняя часть выполнена в виде двух конусных полостей с гладкой поверхностью 8 со сходящимися вершинами и конусностью, равной конусности заходных частей труб. The device contains two thin-walled welded pipes 1 with an elastic outer polymer coating 2 and a threaded connection sleeve 3. The polymer coating on the pipes is applied in such a way that a thickening 4 is formed at the ends, decorated in the form of a thread 5 with a free part in the form of two or more ring rollers 6 with a common conical generatrix, the axis of the cone of which coincides with the axis of the thread. The connecting sleeve at both ends has an internal thread 7 similar to the polymer pipe thread, and its middle part is made in the form of two conical cavities with a smooth surface 8 with converging vertices and a taper equal to the conicity of the pipe inlet parts.

Для обеспечения свободного захода кольцевых валиков трубы в конусную полость муфты наружный диаметр наибольшего валика принимается равным или менее наибольшего диаметра конусной полости муфты, а для гарантированного уплотнения стыка с учетом компенсации возможных отклонений сечения труб минимальный диаметр конусной части муфты принимается меньше наружного диаметра наименьшего валика на такую величину, которая обеспечивала бы при полном свинчивании трубы и муфты максимальную радиальную деформацию сжатия валиков в пределах упругости полимерного материала, что составляет, например, для полиэтилена 3-7% . To ensure free entry of the annular pipe rollers into the conical cavity of the coupling, the outer diameter of the largest roller is taken to be equal to or less than the largest diameter of the conical cavity of the coupling, and for guaranteed seal of the joint, taking into account compensation for possible deviations in the cross section of the pipes, the minimum diameter of the conical part of the coupling is taken to be less than the outer diameter of the smallest roller a value that would ensure, when the pipe and coupling were fully screwed up, the maximum radial deformation of the compression of the rollers within the elastic range ty of polymer material, which is, for example, for polyethylene 3-7%.

Величина упругой деформации валиков определяется из тех условий, что для полиэтилена высокого давления модуль упругости равен Е = 1200-2600 кгс/см², предел текучести σ_т = 90-160 кгс/см² и наибольшие допустимые напряжения в пределах упругости могут составить [σ ] = 80-150 кгс/см².The magnitude of the elastic deformation of the rollers is determined from those conditions that for high-pressure polyethylene the elastic modulus is E = 1200-2600 kgf / cm ² , the yield strength σ _t = 90-160 kgf / cm ² and the maximum allowable stresses within the elasticity range can be [σ ] = 80-150 kgf / cm ² .

В соответствии с законом Гука упругие деформации составят
ε=

=

= 6,7÷5,8%
Применительно к покрытию из полиэтилена низкого давления, для которого модуль упругости равен Е = 6500-7500 кгс/см², предел текучести σ_т = 250-350 кгс/см² и наибольшие допустимые напряжения в пределах упругости [ σ] = 240-340 кгс/см², упругие деформации радиального сжатия в кольцевых валиках при полном свинчивании трубы и муфты следует предусматривать в соответствии с законом Гука
ε=

=

= 3,7÷4,5%
В соответствии с этими параметрами устанавливаются длина конусной полости муфты, а для трубы - длина заходной конусной части и расстояние до кольцевых валиков от края резьбы. Ширина кольцевых валиков должна приниматься, очевидно, соизмеримой с расстоянием между ними.In accordance with Hooke’s law, elastic deformations will be
ε =

=

= 6.7 ÷ 5.8%
In relation to a coating of low-pressure polyethylene, for which the elastic modulus is E = 6500-7500 kgf / cm ² , yield strength σ _t = 250-350 kgf / cm ² and the maximum allowable stress within elasticity [σ] = 240-340 kgf / cm ² , elastic deformations of radial compression in the annular rollers with full screwing of the pipe and coupling should be provided in accordance with Hooke's law
ε =

=

= 3.7 ÷ 4.5%
In accordance with these parameters, the length of the conical cavity of the coupling is set, and for the pipe, the length of the inlet conical part and the distance to the annular rollers from the edge of the thread. The width of the annular rollers should be taken, obviously, commensurate with the distance between them.

Выполнение валиков конусной заходной части трубы и гладкой конусной части муфты по размерам в указанных пределах позволит обеспечить высокую герметичность соединения тонкостенных сварных труб с двухсторонним, в т. ч. наружным полимерным, покрытием с компенсацией овальности сечения и отклонений по диаметру от номинала, а ограничив деформацию герметизирующих валиков упругой областью - возможность многократного использования соединения и его долговечность. The implementation of the rolls of the conical inlet part of the pipe and the smooth conical part of the coupling in size within the specified limits will allow for high tightness of the connection of thin-walled welded pipes with a two-sided, including external polymer, coating with compensation for ovality of the cross section and deviations in diameter from the nominal, and limiting deformation sealing rollers with elastic region - the possibility of multiple use of the connection and its durability.

Трубы с полимерными резьбовыми и уплотнительными элементами могут изготавливаться различными способами: либо литьем под давлением со сплавлением отливаемых элементов с предварительно нанесенным ровным покрытием, либо нанесением утолщенного на концах покрытия с дальнейшим оформлением геометрии профиля резьбы и уплотнительных кольцевых валиков на резьбонарезных станках. Pipes with polymer threaded and sealing elements can be manufactured in various ways: either by injection molding with fusion of the casting elements with a pre-applied even coating, or by applying a thickened coating at the ends of the coating with further design of the geometry of the thread profile and sealing ring rollers on thread cutting machines.

Соединительные муфты могут изготавливаться литьем или резанием из металла либо из полимерного материала, армированного металлической обечайкой. Couplings can be made by casting or cutting from metal or from a polymeric material reinforced with a metal shell.

Резьба в предлагаемой конструкции соединения может использоваться любого профиля, а также как цилиндрическая, так и коническая. The thread in the proposed connection design can be used of any profile, as well as cylindrical and conical.

Испытания, проведенные на натурных образцах стальных тонкостенных спиральношовных труб диаметром 159 мм с наружным покрытием, резьбовыми элементами и уплотнительными кольцевыми валиками из полиэтилена высокого давления марки 102-10К, показали надежную водонепроницаемость стыка при давлении в трубопроводе 2,4 МПа (испытательном давлении для систем мелиорации). (56) Патент Великобритании N 2160609, кл. F 16 L 15/00, 1987. Tests conducted on full-scale samples of steel thin-walled spiral-seam pipes with a diameter of 159 mm with an external coating, threaded elements and O-rings made of high-pressure polyethylene of grade 102-10K showed reliable watertightness of the joint at a pressure in the pipeline of 2.4 MPa (test pressure for drainage systems ) (56) UK patent N 2160609, CL F 16 L 15/00, 1987.

Claims

THREADED CONNECTION FOR THIN-WALL METAL PIPES WITH EXTERNAL POLYMER COATING, containing male and female threaded parts with a thread-free conical end of the external surface of the male part and mating with the last smooth conical internal surface of the female part having the same part having the same the parts and its threaded-free inlet conical end are made of a polymer elastic material that is identical and constituent o is integral with the polymer coating material, and at least two annular rollers forming a common taper are made on the thread-free inlet conical end, the outer diameter of the largest of which is less than or equal to the largest diameter of the smooth inner conical surface of the enclosing part, and the outer diameter of the smallest roller exceeds the minimum diameter of the mating smooth inner conical surface of the female part by an amount that ensures the maximum de the formation of all the rollers in height within the elasticity of the polymer material.