RU2393052C1

RU2393052C1 - Method of jointing pipes together

Info

Publication number: RU2393052C1
Application number: RU2008146375/02A
Authority: RU
Inventors: Юрий Васильевич Казаков (RU); Юрий Васильевич Казаков; Владимир Петрович Сидоров (RU); Владимир Петрович Сидоров; Александр Иванович Ковтунов (RU); Александр Иванович Ковтунов
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2010-06-27
Also published as: RU2008146375A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention can be used, for example in construction of main pipelines. Pipe end faces are butt-jointed and welded together by circular seam. Casting mould is arranged on said joint to heat it and casting mould for reinforcing coupling to be cast therein. Cast coupling cooled down, casting mould is removed. End faces of said cast coupling are welded by circular seams to surfaces of jointed pipes with their walls penetration within 0.2…0.5 δ, where δ is pipe wall thickness. Prior to arranging casing mould on joint surface, a spatial reinforcing metal carcass can be arranged thereon made from more refractory metal as compared with that cast in mould. To cast said coupling, metal molten in furnace or produced by exothermic mix combustion.

EFFECT: higher strength and reliability of pipes joint.

2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к строительному производству и к машиностроению и может быть применен, например, при строительстве магистральных трубопроводов.The proposed method relates to construction production and engineering and can be applied, for example, in the construction of trunk pipelines.

Известен способ соединения металлических труб (патент СССР №2023931 от 31.07.1990 г., МКИ F16L 13/14). По этому способу на стык труб устанавливают герметизирующий элемент в виде цилиндрической прокладки. На трубы с внешней стороны насаживают обжимную муфту с кольцевой проточкой, имеющей сечение в виде трапеции на наружной поверхности. Затем производят редуцирование труб и муфты от каждого из двух торцов муфты к ее середине. Редуцирующую силу направляют под углом 70…84° к наружной поверхности муфты. Известный способ обеспечивает соединение труб. Однако прочность и надежность такого соединения, особенно при высоких и знакопеременных или пульсирующих нагрузках, невысока.A known method of connecting metal pipes (USSR patent No. 2023931 from 07/31/1990, MKI F16L 13/14). According to this method, a sealing element in the form of a cylindrical gasket is installed on the pipe joint. A crimp sleeve with an annular groove having a section in the form of a trapezoid on the outer surface is mounted on the pipes from the outside. Then, the pipes and couplings are reduced from each of the two ends of the coupling to its middle. The reducing force is directed at an angle of 70 ... 84 ° to the outer surface of the coupling. The known method provides the connection of pipes. However, the strength and reliability of such a connection, especially at high and alternating or pulsating loads, is low.

Известен также способ соединения труб (патент США №2903763 от 14 декабря 1953 г.), который принят за прототип. По прототипу на наружной поверхности концов медной и алюминиевой труб делают кольцевые канавки, образующие выступы, имеющие в поперечном сечении форму треугольника. Затем концы труб стыкуют. На стык труб устанавливают литейную форму и отливают в этой форме муфту из алюминия, имеющую трапецеидальную форму сечения стенок. Заливаемый в литейную форму алюминий заполняет канавки между выступами. Это обеспечивает прочность соединения труб под давлением циркулирующей в трубах среды. После охлаждения отлитой муфты литейную форму удаляют. Нарезка канавок на концах медной и алюминиевой труб не представляет трудностей. Однако при необходимости соединения стальных труб, особенно крупногабаритных, такая нарезка трудоемка. Кроме того, при осуществлении способа по прототипу могут образовываться местные несплавления металла отлитой на стыке труб муфты с поверхностями впадин и выступов. Это может привести к потере герметичности стыка труб. Таким образом, способ по прототипу также не обеспечивает надежность соединений.There is also known a method of connecting pipes (US patent No. 2903763 from December 14, 1953), which is adopted as a prototype. According to the prototype, annular grooves are formed on the outer surface of the ends of the copper and aluminum pipes, forming protrusions having a triangle shape in cross section. Then the ends of the pipes are joined. A pipe mold is mounted on the pipe joint and an aluminum sleeve having a trapezoidal sectional shape of the walls is cast in this form. Die-cast aluminum fills the grooves between the protrusions. This ensures the strength of the pipe connection under the pressure of the medium circulating in the pipes. After cooling the molded sleeve, the mold is removed. Cutting grooves at the ends of copper and aluminum pipes is not difficult. However, if it is necessary to connect steel pipes, especially large ones, such cutting is laborious. In addition, when implementing the prototype method, local non-fusion of metal cast at the junction of the coupling pipe with the surfaces of the depressions and protrusions can form. This can lead to loss of tightness of the pipe joint. Thus, the prototype method also does not provide reliable connections.

Технический результат предлагаемого способа - повышение надежности соединения труб.The technical result of the proposed method is to increase the reliability of the pipe connection.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что концы труб стыкуют, после стыковки на стык труб устанавливают литейную форму и отливают в ней усиливающую муфту. Сечение стенки муфты выполняют в форме трапеции. После охлаждения усиливающей муфты литейную форму удаляют. В отличие от прототипа перед установкой литейной формы состыкованные концы труб сваривают между собой кольцевым швом. Перед отливкой усиливающей муфты стык труб и литейную форму подогревают. После удаления литейной формы торцы отлитой на стыке труб усиливающей муфты приваривают кольцевыми швами к поверхностям соединяемых труб. При этом сварку производят с проплавлением стенок труб в пределах 0,2…0,5 δ, где δ - толщина стенки трубы.The essence of the proposed method lies in the fact that the ends of the pipes are joined, after joining, a mold is installed on the pipe joint and the reinforcing sleeve is cast in it. The section of the wall of the coupling is in the form of a trapezoid. After cooling the reinforcing sleeve, the mold is removed. Unlike the prototype, before installing the mold, the joined ends of the pipes are welded together with an annular seam. Before casting the reinforcing coupling, the pipe joint and the mold are heated. After removal of the mold, the ends of the reinforcing sleeve cast at the pipe joint are welded with annular seams to the surfaces of the pipes to be joined. In this case, welding is carried out with the penetration of the pipe walls within 0.2 ... 0.5 δ, where δ is the thickness of the pipe wall.

По другому варианту перед установкой на стык труб литейной формы на поверхности стыка труб устанавливают пространственный армирующий каркас из металла более тугоплавкого, чем металл, заливаемый в литейную форму. Усиливающую муфту отливают, используя металл, полученный в результате горения экзотермической смеси.According to another option, before installing the pipe mold on the pipe joint, a spatial reinforcing frame of metal is more refractory than metal poured into the mold on the surface of the pipe joint. The reinforcing sleeve is cast using metal obtained by burning an exothermic mixture.

Совокупность действий и их условий, составляющая предлагаемый способ, обеспечивает достижение технического результата, вследствие того, что отлитая на поверхности стыка труб муфта, охлаждаясь и сжимаясь, плотно обожмет стык труб по всей его поверхности, обеспечив герметичность стыка и приняв на себя большую часть эксплуатационной нагрузки. Кольцевой сварной шов в стыке труб повысит прочность соединения, литая муфта компенсирует разупрочнение стыка в зоне термического влияния этого шва, а кольцевые швы приварки торцов муфты к поверхностям труб обеспечат повышение герметичности стыка, причем пределы глубины проплавления стенок труб сведут к минимуму разупрочнение этих стенок в результате нагрева при сварке. Установка на поверхность труб армирующего каркаса из металла более тугоплавкого, чем металл отливаемой муфты, повысит прочность стыка труб. Применение для отливки упрочняющей муфты металла, полученного в результате горения термитной смеси, обеспечит возможность осуществления способа в полевых условиях.The set of actions and their conditions that make up the proposed method ensures the achievement of a technical result due to the fact that the coupling molded on the pipe joint surface, cooling and contracting, tightly compresses the pipe joint over its entire surface, ensuring the joint tightness and taking on most of the operational load . An annular weld in the pipe joint will increase the strength of the joint, a molded sleeve compensates for the softening of the joint in the heat affected zone of this weld, and ring welds welding the ends of the coupling to the pipe surfaces will increase the tightness of the joint, and the limits of the penetration depth of the pipe walls will minimize the softening of these walls as a result heating during welding. Installing on the surface of the pipes a reinforcing cage made of metal that is more refractory than the metal of the molded sleeve will increase the joint strength of the pipes. The use for casting a reinforcing sleeve of a metal obtained by burning a thermite mixture will provide the possibility of implementing the method in the field.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан процесс заливки металла в литейную форму, установленную на стыке соединяемых труб, на фиг.2 - отлитая на стыке труб муфта, на фиг 3 - сечение сварного шва, соединяющего торцы муфты с поверхностями труб.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the process of pouring metal into a mold installed at the junction of pipes to be joined, in Fig. 2, a coupling molded at the joint of pipes, and Fig. 3, a section of a weld connecting the ends of the coupling to pipe surfaces.

Предлагаемый способ заключается в том, что торцы соединяемых труб 1 и 2 стыкуют, после чего на стык устанавливают литейную форму 3 (фиг.1). Затем в форму 3 заливают жидкий металл 4, например, из тигля 5. Металл 4 предварительно расплавляют в печи или используют жидкий металл, полученный в результате горения экзотермической смеси. В литейной форме 3 образуется усиливающая муфта 6 (фиг.2), плотно охватывающая стык труб 1 и 2. Сечение стенки муфты 6 выполняют в форме трапеции. Перед установкой формы 3 стык труб 1 и 2 сваривают кольцевым швом 7, например дуговой сваркой.The proposed method consists in the fact that the ends of the connected pipes 1 and 2 are joined, after which the mold 3 is installed on the joint (Fig. 1). Then, molten metal 4 is poured into mold 3, for example, from crucible 5. Metal 4 is preliminarily melted in a furnace or liquid metal obtained by burning an exothermic mixture is used. In the mold 3, a reinforcing sleeve 6 is formed (FIG. 2), tightly covering the joint of the pipes 1 and 2. The section of the wall of the sleeve 6 is in the form of a trapezoid. Before installing form 3, the joint of the pipes 1 and 2 is welded with an annular seam 7, for example by arc welding.

После охлаждения отлитой в форме 3 муфты 6 до заданной температуры, например до температуры окружающей среды, литейную форму 3 удаляют. Торцы отлитой на стыке труб 1 и 2 муфты 6 приваривают кольцевыми швами 8 и 9 к поверхностям соединяемых труб 1 и 2. Сварку торцов муфты 6 с поверхностями труб 1 и 2 ведут с проплавлением h в пределах h=0,2…0,5 δ, где δ - толщина стенки трубы 1 или 2 (фиг.3).After cooling the mold 6 of the sleeve 6 to a predetermined temperature, for example to ambient temperature, the mold 3 is removed. The ends of the sleeve 6 cast at the junction of pipes 1 and 2 of the sleeve 6 are welded with annular seams 8 and 9 to the surfaces of the connected pipes 1 and 2. Welding of the ends of the sleeve 6 with the surfaces of pipes 1 and 2 is carried out with the penetration of h in the range h = 0.2 ... 0.5 δ where δ is the wall thickness of the pipe 1 or 2 (figure 3).

По другому варианту перед установкой на стык труб 1 и 2 литейной формы 3 на поверхности стыка устанавливают пространственный армирующий каркас 10, который выполняют из металла, более тугоплавкого, чем металл 4, заливаемый в литейную форму 3. Каркас 10 может быть изготовлен, например, из проволоки, из ленты или из профильного проката.In another embodiment, before installing pipe 1 and 2 of the mold 3 on the joint, a spatial reinforcing carcass 10 is installed on the joint surface, which is made of metal that is more refractory than metal 4 poured into the mold 3. The carcass 10 can be made, for example, of wire, from tape or from profile hire.

Отлитая на поверхности стыка труб 1 и 2 муфта 6, охлаждаясь до температуры окружающей среды, за счет усадки металла плотно приляжет к поверхностям соединяемых труб 1 и 2, что обеспечит герметичность и прочность соединения. Прочному сцеплению муфты 6 с поверхностью труб 1 и 2 способствует подогрев стыка труб 1 и 2 и установленной на этом стыке литейной формы 3 перед заливкой в нее металла 4. Применение для отливки муфты 6 жидкого металла 4, полученного в результате экзотермической реакции, например оксида железа с алюминием, удешевит процесс литья и позволит применять предлагаемый способ в полевых условиях. Выполнение муфты 6 с сечением ее стенки в форме трапеции обеспечит плавный переход муфты 6 к поверхностям труб 1 и 2 и позволит уменьшить концентрацию напряжений у торцов муфты 6. Это повысит надежность соединения.The coupling 6 cast on the joint surface of pipes 1 and 2, being cooled to ambient temperature, will fit snugly against the surfaces of the connected pipes 1 and 2 due to metal shrinkage, which will ensure tightness and strength of the connection. A strong coupling of the coupling 6 with the surface of the pipes 1 and 2 is facilitated by heating the joint of the pipes 1 and 2 and the mold 3 installed on this joint before pouring metal into it 4. Application for casting the coupling 6 of molten metal 4 obtained by an exothermic reaction, for example, iron oxide with aluminum, reduce the cost of the casting process and allow you to apply the proposed method in the field. The implementation of the coupling 6 with a section of its wall in the form of a trapezoid will ensure a smooth transition of the coupling 6 to the surfaces of the pipes 1 and 2 and will reduce the stress concentration at the ends of the coupling 6. This will increase the reliability of the connection.

Сварка стыка труб 1 и 2 кольцевым швом 7 перед установкой литейной формы 3 обеспечивает повышение прочности соединения. При этом разупрочнение металла труб 1 и 2 в результате нагрева при сварке компенсируется наличием муфты 6. Приварка торцов муфты 6 к поверхностям труб 1 и 2 швами 8 и 9 позволяет повысить надежность герметизации стыка и увеличивает прочность соединения в целом. Ограничение глубины проплавления швов 8 и 9 (h=0,2…0,5 δ, где δ - толщина стенки труб 1 и 2) уменьшает разупрочнение металла труб 1 и 2 от нагрева при сварке. Увеличение проплавления h>0,5 δ существенно увеличит ширину зоны термического влияния и уменьшит прочность стенок труб 1 и 2. При h<0,2 δ возникнет опасность непроваров в швах 8 и 9, что при больших эксплуатационных нагрузках может привести к потере герметичности соединения муфты 6 с трубами 1 и 2. Закрепление на стыке труб 1 и 2 пространственного арматурного каркаса 10 перед установкой литейной формы 3 обеспечит повышение прочности и надежности муфты 6, следовательно, и всего стыка труб 1 и 2. Применение для изготовления каркаса 10 металла более тугоплавкого, чем металл 4, заливаемый в форму 3, обеспечит возможность смачивания каркаса 10 металлом 4 и получение монолитной армированной муфты 6, что также повышает прочность и надежность соединения труб 1 и 2.Welding the joint of pipes 1 and 2 with an annular seam 7 before installing the mold 3 provides an increase in the strength of the connection. In this case, the softening of the metal of the pipes 1 and 2 as a result of heating during welding is compensated by the presence of the sleeve 6. Welding the ends of the sleeve 6 to the surfaces of the pipes 1 and 2 with seams 8 and 9 allows to increase the reliability of the joint sealing and increases the joint strength as a whole. The limitation of the penetration depth of welds 8 and 9 (h = 0.2 ... 0.5 δ, where δ is the wall thickness of pipes 1 and 2) reduces the softening of the metal of pipes 1 and 2 from heating during welding. An increase in penetration h> 0.5 δ will significantly increase the width of the heat-affected zone and reduce the strength of the walls of pipes 1 and 2. For h <0.2 δ, there will be a risk of lack of penetration in welds 8 and 9, which at high operating loads can lead to loss of tightness of the joint couplings 6 with pipes 1 and 2. Fastening at the junction of pipes 1 and 2 of the spatial reinforcement cage 10 before installing the mold 3 will increase the strength and reliability of the coupling 6, therefore, the entire junction of pipes 1 and 2. Application for the manufacture of metal frame 10 is more tight In comparison with metal 4 poured into mold 3, it will be possible to wet the frame 10 with metal 4 and obtain a monolithic reinforced coupling 6, which also increases the strength and reliability of the connection of pipes 1 and 2.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью известных в технике средств и материалов. Стыковку труб можно производить с применением известных устройств для торцовки труб и центраторов для совмещения их кромок, применяемых обычно при изготовлении и строительстве трубопроводов. Предварительную сварку стыка труб 1 и 2 кольцевым швом 7, а также швов 8 и 9, соединяющих торцы муфты 6 с поверхностями труб 1 и 2, можно производить, например, ручной дуговой сваркой штучными электродами или механизированной сваркой в среде СО₂, используя при этом известное, выпускаемое серийно сварочное оборудование. Литейную форму 3 можно установить на стыке труб 1 и 2, формуя ее непосредственно на этом стыке из формовочной смеси, применяемой в литейном производстве. Форму сечения стенки муфты 6 в форме трапеции можно обеспечить при изготовлении на стыке труб 1 и 2 литейной формы 3. Отливку муфты 6 в литейной форме 3 на стыке труб 1 и 2 можно выполнить, применяя известные в машиностроении способы композиционного литья (Специальные способы литья: Справочник. / В.А.Ефимов, Г.А.Анисович, В.Н.Бабич и др.; под общ. ред. В.А.Ефимова. - М.: Машиностроение, 1991. - С.668, глава 11 «Получение и применение композиционных отливок»). Подогрев стыка труб 1 и 2 и установленной на нем литейной формы 3 можно производить, например, известной газопламенной горелкой. В качестве материала муфты 6 можно использовать любой известный металл 4, как одинаковый с металлом труб 1 и 2, так и отличающийся от него. Металл 4 может быть предварительно расплавлен в печи, например электрической, и перенесен к литейной форме 3 с помощью огнеупорного тигля 5 или получен непосредственно в тигле 5 в результате экзотермической реакции, например, в виде термитной стали при горении термитной смеси, состоящей из порошков оксида железа и алюминия. Величину проплавления h=0,2…0,5 δ стенок труб 1 и 2 при приварке к ним торцов муфты 6 можно обеспечивать в заданных пределах путем подбора и стабилизации параметров режима сварки. Пространственный армирующий каркас 10 может быть изготовлен из проволоки, ленты или, при больших размерах труб 1 и 2, из профильного проката. Детали каркаса 10 могут быть соединены между собой и с поверхностями труб 1 и 2, например, с помощью дуговой прихватки. В качестве материала, из которого выполнен каркас 10, может быть использован металл или сплав, имеющий температуру плавления меньше, чем металл, заливаемый в литейную форму 6. Например, при выполнении муфты 6 из чугуна каркас 10 может быть выполнен из малоуглеродистой стали.The proposed method can be carried out using known in the art means and materials. Pipe joining can be performed using known devices for trimming pipes and centralizers to align their edges, which are usually used in the manufacture and construction of pipelines. Pre-welding of the joint of pipes 1 and 2 with an annular seam 7, as well as seams 8 and 9 connecting the ends of the sleeve 6 with the surfaces of the pipes 1 and 2, can be performed, for example, by manual arc welding with piece electrodes or mechanized welding in a CO ₂ medium, using famous, commercially available welding equipment. The mold 3 can be installed at the junction of pipes 1 and 2, molding it directly at this junction from the moldable mixture used in foundry. The cross-sectional shape of the wall of the sleeve 6 in the form of a trapezoid can be provided when manufacturing at the junction of pipes 1 and 2 of the mold 3. Casting of the sleeve 6 in the mold 3 at the junction of the pipes 1 and 2 can be performed using compositional casting methods known in machine building Reference book / V.A. Efimov, G.A. Anisovich, V.N. Babich and others; under the general editorship of V.A. Efimov. - M .: Mechanical Engineering, 1991. - P.668, chapter 11 “Preparation and use of composite castings”). The joint of the pipes 1 and 2 and the mold 3 mounted on it can be heated, for example, with a well-known gas-flame burner. As the material of the coupling 6, any known metal 4 can be used, both identical to and different from the metal of the pipes 1 and 2. The metal 4 can be pre-molten in a furnace, for example electric, and transferred to the mold 3 using a refractory crucible 5 or obtained directly in the crucible 5 as a result of an exothermic reaction, for example, in the form of thermite steel when burning a thermite mixture consisting of iron oxide powders and aluminum. The penetration value h = 0.2 ... 0.5 δ of the walls of the pipes 1 and 2 when welding the ends of the coupling 6 to them can be ensured within the specified limits by selecting and stabilizing the parameters of the welding mode. The spatial reinforcing frame 10 can be made of wire, tape, or, with large sizes of pipes 1 and 2, of shaped steel. The details of the frame 10 can be connected to each other and to the surfaces of the pipes 1 and 2, for example, using an arc tack. As the material from which the frame 10 is made, a metal or alloy having a melting point lower than the metal poured into the mold 6 can be used. For example, when the sleeve 6 is made of cast iron, the frame 10 can be made of mild steel.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение технического эффекта, который заключается в повышении прочности и надежности соединения труб. Способ может быть осуществлен с помощью известных в технике средств и материалов.Thus, the proposed method provides a technical effect, which consists in increasing the strength and reliability of the pipe connection. The method can be carried out using means and materials known in the art.

Следовательно, предлагаемый способ соединения труб обладает промышленной применимостью.Therefore, the proposed method for connecting pipes has industrial applicability.

Claims

1. A method of connecting pipes, including joining the ends of the pipes, installing a mold on the joint, casting in it a reinforcing sleeve having a trapezoidal wall shape in cross section, and removing the mold after cooling the reinforcing sleeve, characterized in that before the installation of the mold, the joined pipe ends they are welded together with an annular seam, before joining the reinforcing sleeve, the pipe joint and mold are heated, and after removing the mold, the ends of the reinforcing sleeve cast at the pipe joint are welded with annular welds to the top the connecting pipe, while the walls of the pipes are melted in the range of 0.2-0.5 δ, where δ is the thickness of the pipe wall.

2. The method according to claim 1, characterized in that before installing the mold on the surface of the pipe junction, a spatial reinforcing frame is made of metal, more refractory than metal poured into the mold, and the reinforcing sleeve is cast using metal obtained by combustion exothermic mixture.