RU2620859C2 - Трубчатые тела и способ их формования - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к производству труб для нефте- и газопроводов. Трубчатое изделие (10) имеет продольную ось Х и содержит внутреннюю и внешнюю отдельные полосы (12, 14) спирально намотанного внахлест материала. Каждая из полос (12, 14) имеет продольную ось L и первую и вторую кромки (16, 18 16', 18'), и содержит два или более продольно проходящих гребней (20, 22, 20', 22'), каждый из которых проходит вдоль продольной оси L параллельно один другому. Каждый из этих гребней (20, 22, 20', 22') содержит асимметричные гребни, имеющие переднюю кромку (24, 24') и не контактирующие участки (26, 26') задней кромки, которые разнесены друг от друга на расстояние G. Каждая из этих передних кромок (24, 24') находится в контакте друг с другом и образует контактный участок (28, 28'). 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

Предпосылки к созданию изобретения

Настоящее изобретение относится к трубчатым телам и к способу их формования и, более конкретно, но не исключительно, относится к производству труб для использования в таких системах, как трубопроводы для транспортировки углеводородов, газообразных или жидких продуктов под давлением.

Описание прототипа

В настоящее время хорошо известно строительство трубопроводов из секций труб, каждая из которых была изготовлена способом прокатки в трубчатую структуру из плоской полосы или плиты и сварена по шву на трубопрокатном стане, после чего эти секции сваривают встык друг с другом на месте для получения готового трубопровода. Экономическая эффективность таких труб ограничена стоимостью используемых материалов и весом готового изделия, который необходимо транспортировать и устанавливать в положение, часто в очень сложных условиях, а также проблемами окончательной сборки. Окончательная сборка типично требует бригады сварщиков численностью до тридцати человек для сварки друг с другом фиксированных сегментов труб вручную, при этом дополнительно часто требуется обслуживающая бригада численностью до двухсот человек. Логистика, связанная с перемещением и обеспечением такого количества людей, часто в очень удаленных местах может быть чрезмерно дорогой и сложной. Кроме того, такие трубы изначально являются жесткими и прямыми, и навигация по пересеченной местности требует специальных гибочных станций, которые принудительно гнут жесткие секции длиной до 40 диаметров и возвращают их для сварки в трубопровод. Этот ручной процесс не менялся уже 75 лет. Процесс, предлагаемый настоящим изобретением, может быть автоматизирован и сокращает или устраняет потребность в гибочных станциях.

В GB 2280889 раскрывается способ формования пустотелого удлиненного или трубчатого тела, который содержит этапы, на которых спирально внахлест наматывают по меньшей мере одну полосу материала для получения многослойной трубчатой структуры. В этом случае полосу предварительно формуют для создания поперечного сечения, имеющего по меньшей мере одну ступень, которая на каждом витке полосы принимает наложенную часть следующего витка. Таким образом, из одной полосы материала можно непрерывно изготавливать трубчатое тело с толщиной стенки, образованной множеством витков, и толщина стенки будет по существу больше на толщину одной полосы, чем количество ступеней, сформированных на сечении полосы. Такая конструкция показана на фиг. 1. В такой конструкции также можно применить проходящие по окружности ребра, образованные путем пластической деформации профиля поперечного сечения полосы перед ее намоткой, и такие ребра наложены друг на друга и вставлены друг в друга так, чтобы образовать замок, который сопротивляется и осевым и окружным нагрузкам, действующим на готовую структуру.

Вышеописанная структура может быть снабжена внутренней облицовкой, форма которой зависит от варианта применения, для которой предназначена такая трубчатая структура, но может содержать прокатанный и сваренный по шву трубчатый элемент. При изготовлении такой трубчатой структуры внутренняя облицовка может формоваться предварительно, чтобы образовать оправку или сердечник, на который спирально наматывают усиливающую полосу.

В GB 2433453 описан производственный этап, связанный с типом трубчатой структуры, раскрытым в GB 2280889, на котором саму усиливающую полосу заставляют пластически деформироваться до диаметра, немного меньше, чем диаметр сердечника или облицовки, на которую должна наматываться такая полоса так, чтобы полоса по существу самостоятельно позиционировалась и оказывала на сердечник небольшое давление, но недостаточное для возникновения коробления.

В обоих описанных решениях необходимо обрабатывать усиливающую полосу так, чтобы учитывать изменение диаметра полосы между внутренним диаметром и наружным диаметром. Такая обработка может быть проблематичной и может приводить к возникновению нежелательных напряжений в материале. Кроме того, характер наложенных гребней в вышеописанных конструкциях усложняет точное позиционирование и взаимное зацепление гребней. Для получения требуемого изменения диаметра нужен дополнительный технологический этап, а это приводит к возникновению дополнительной остаточной деформации в материале, которая может быть нежелательной и может привести к утрате неприемлемо большой части относительно ограниченной пластичности, имеющейся в высокопрочных материалах, таких как высокопрочная сталь.

Хотя обе вышеописанные конструкции дают удовлетворительное решение проблемы производства трубчатых структур, было найдено еще одно усовершенствование производства таких трубчатых структур и именно к такому усовершенствованию относится настоящая заявка.

Краткое описание изобретения

Соответственно, согласно настоящему изобретению предлагается трубчатое изделие, имеющее продольную ось X, содержащее внутреннюю и внешнюю отдельные полосы спирально намотанного внахлест материала, каждая из которых имеет продольную ось L и первую и вторую кромки, отличающееся тем, что каждая полоса содержит два или более проходящих продольно гребня, каждый из которых проходит вдоль продольной оси L параллельно друг другу и, в котором эти гребни представляют собой асимметричные гребни, имеющие переднюю кромку, образующую контактный участок, и в котором каждая из этих передних кромок контактирует друг с другом и, далее, содержит не контактирующий участок задней кромки, которые разнесены друг от друга на зазор G.

Предпочтительно контактный участок содержит участок гребня, проходящий под углом θ' к продольной оси X, и задняя кромка проходит под углом θʺ к продольной оси X, при этом угол θʺ больше, чем угол θ'.

Преимущественно угол θʺ больше угла θ' на 20° или больше.

В одном варианте контактный участок содержит гребень, проходящий под углом θ' к продольной оси X, равным от 70° до 110°.

Альтернативно, контактный участок содержит часть гребня, проходящую по существу перпендикулярно к продольной оси X.

Преимущественно, участки задней кромки проходят под углом θʺ, равным 20°-70° к продольной оси X.

Предпочтительно, участки задней кромки проходят под углом 9°, равным по существу 45° к продольной оси X.

В одном варианте передние кромки внешней полосы обращены друг от друга.

В одном варианте передние кромки внутренней полосы обращены друг к другу. Следует понимать, что конструкцию можно выполнить обратной так, чтобы передние кромки внешней полосы были обращены друг к другу, а передние кромки внутренней полосы были обращены друг от друга.

Предпочтительно конструкция содержит внутренний зазор G между соседними кромками внутренней полосы.

Преимущественно конструкция содержит внешний зазор G2 между соседними кромками внешней полосы.

Предпочтительно внутренний зазор G находится в положении между внешними гребнями.

Преимущественно внешний зазор G2 находится между внутренними гребнями.

Предпочтительно, изделие содержит внутренний сердечник, на который намотаны внутренняя и внешняя полосы.

Преимущественно, внутренняя и внешняя полосы имеют естественный радиус кривизны R, R' меньший, чем радиус Rʺ внешнего участка внутреннего сердечника.

В типичной конструкции эти внутренняя и внешняя полосы содержат материал, имеющий прочность на растяжение от 800 до 2000 ГПа.

Предпочтительно каждая из этих полос намотана под углом θ к продольной оси X. В одном варианте этот угол равен 4°-54°, тогда как в другом варианте этот угол θ равен 4°-12°. В конкретном варианте этот угол θ по существу равен 12°.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается способ производства трубчатого изделия, имеющего продольную ось X, при котором используют внутреннюю и внешнюю полосы, отличающийся тем, что содержит этапы, на которых на полосе формуют пару проходящих продольно гребней, при этом каждый из этих гребней формуют так, чтобы они проходили вдоль продольной оси L, параллельно друг другу и формируют эти гребни как асимметричные гребни, имеющие переднюю кромку, образующую контактный участок, и при котором полосы наматывают спирально внахлест так, чтобы их передние кромки контактировали друг с другом, а участки задних кромок наматывают так, чтобы они находились на расстоянии зазора G друг от друга.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается трубчатая полоса для изготовления трубчатого изделия по любому из пп. 1-14 формулы, содержащая пару продольно проходящих гребней, каждый из которых проходит вдоль продольной оси L параллельно друг другу и в котором эти гребни представляют собой асимметричные гребни, имеющие переднюю кромку, образующую контактный участок, и далее содержащий не контактный участок задней кромки.

Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:

Фиг. 1 и 2 - иллюстрация трубчатых тел согласно предшествующему уровню техники.

Фиг. 3 - вид трубчатого тела по настоящему изобретению с частичным вырезом.

Фиг. 4 - сечение наложенного участка трубчатого тела по фиг. 3.

Фиг. 5 - разнесенный вид участка гребня по фиг. 1, подробно иллюстрирующий отношение между внутренними и внешними гребнями.

Фиг. 6 - сечение внешнего слоя полосы, показанной на фиг. 3-5.

Фиг. 7 - сечение внутреннего слоя полосы, показанной на фиг. 3-5.

Фиг. 8 и 9 - детальные сечения внешнего и внутреннего гребней, показанных на предыдущих чертежах.

Фиг. 10 - диаграмма глобальной осевой деформации под действием внутреннего давления для разных конструкций, одной из которых является настоящее изобретение.

Фиг. 11-14 - сечения трех разных профилей полосы, используемые в сравнительном цифровом моделировании для описания поведения.

Подробное описание изобретения

Как показано на чертежах, в частности на фиг. 3-5, настоящее изобретение содержит трубчатую структуру 10, имеющую продольную ось X и содержащую внутреннюю и внешнюю полосы 12, 14, соответственно. Каждая полоса имеет продольную ось L и первую и вторую кромку 16, 18, 16', 18' и каждая полоса спирально намотана вокруг оси X под углом θ к продольной оси X. Каждая полоса 12, 14 содержит пару продольных гребней 20, 22, 20', 22', каждый из которых проходит вдоль продольной оси L параллельно друг другу. В отличие от описанного выше прототипа каждый гребень является асимметричным и содержит переднюю кромку 24, 24' и заднюю кромку 26, 26', где передняя кромка (кромки) образует контактный участок 28, 28', которые контактируют друг с другом, и не контактный участок 30, 30' задней кромки, которые отнесены друг от друга на зазор G. Преимущества, которые дает такая конструкция, будут описаны ниже со ссылками на фиг. 5. Контактный участок (участки) 28, 28' содержит участок гребней 20, 22, 20', 22', каждый из которых отходит под углом θ' к продольной оси X, и участки задней кромки 26, 26', проходящие под углом θʺ к продольной оси X, при этом угол θʺ больше, чем угол θ'. Предпочтительно угол θʺ больше угла θ' на величину, превышающую 20°. В конструкции по настоящему изобретению можно изменять угол θ' в пределах от 70° до 110° и, возможно, больше в зависимости от величины трения, возникающего между двумя этими участками. Самым важным является то, что контактные участки 28, 28' остаются в контакте друг с другом, когда на изделие 10 действует осевая нагрузка, которая, за исключением нагрузки, вызванной наличием трения или посадки в натяг в контактной точке 28, 28', может быть такой, чтобы две передние кромки оставались в контакте друг с другом, когда структурой 10 манипулируют так, что в ней возникают продольные напряжения. Специалисту понятно, что конкретный угол θ' будет меняться в зависимости от свойств материала и площади поверхности контакта, но угол в 90° оптимизирует степень захвата, в то же время позволяя укладывать полосы 12, 14 друг на друга. По существу предпочтительный угол θ' будет таким, чтобы передние кромки проходили от поверхности полосы перпендикулярно (90°) продольной оси X. Задние кромки 26, 26' проходят под углом θʺ к продольной оси X, хотя конкретный угол менее важен, чем угол θ'. Конкретный угол θʺ выбирают отчасти в зависимости от того, какую степень изгиба может выдержать материал и отчасти от практичности имеющегося пространства. На практике было обнаружено, что подходящим является угол от 20° до 70° к оси X. В конкретном примере, показанном на чертежах, был выбран угол θʺ, дающий хороший компромисс между снижением повреждения материала при изгибе и компактностью конструкции гребня. Специалистам очевидно, что можно использовать и другие величины угла.

Как показано на фиг. 3, 4, 6 и 7, очевидно, что передние кромки 24, 24' на каждой полосе могут быть обращены друг к другу (по стрелке Т) или друг от друга (по стрелке А). В конкретном показанном варианте передние кромки 24 внутренней полосы 12 обращены друг к другу, а передние кромки 24' внешней полосы 14 обращены друг от друга. Такая конструкция может иметь обратную конфигурацию так, чтобы передние кромки 24 внутренней полосы 12 были обращены друг от друга, а передние кромки 24' внешней полосы были обращены друг к другу. Такая обратная конструкция полос 12, 14, нужна тогда, когда внутренняя и внешняя полосы 12, 14 нужно уложить поверх друг друга в шахматном порядке, как лучше всего показано на фиг. 4. Из этого чертежа видно, что такое шахматное расположение соответствует шагу гребней 20, 20', 22, 22' так, что правый внутренний гребень 20 попадает под левый внешний гребень 22 и внутрь него, а левый внутренний гребень 22 попадает под правый внешний гребень 22' и внутрь него. Внутренняя и внешняя полосы 12, 14, таким образом, в некоторой степени заперты друг на друге за счет взаимодействия передних кромок 24, 24', которые расположены в непосредственной близости и предпочтительно в контакте друг с другом после сборки. Действительно, расположение может быть таким, чтобы создать посадку с небольшим натягом между двумя взаимодействующими поверхностями на контактном участке 28, 28'. Тесный контакт в точках 28, 28' контакта означает, что любые осевые нагрузки, действующие на трубчатое изделие в направлении, показанном стрелкой A_L, будут достигнуты через точки 28, 28' контакта, которые из-за характера контакта и углового отношения θ' создают по существу улучшенный барьер сплющиванию гребней и, следовательно, замка, возникшего между ними. Специалистам понятно, что для того, чтобы гребень выскользнул из своего партнера по замку, деформация в стали должна превысить предел пластической деформации материала, чтобы привести к сплющиванию внутреннего гребня. Это является одним из технических преимуществ настоящего изобретения. Кроме того, на фиг. 4 показан зазор G между кромками соседних полос, который является компенсатором теплового расширения и производственных допусков, но имеет такой размер, чтобы ограничивать до минимума осевое расстояние, на которое проходит единственный слой усиливающих слоев 12, 14 на сердечнике или облицовке 30, как лучше всего показано на фиг. 5.

На фиг. 5 более подробно показано сечение участка гребня, из которого понятно, что радиус R изгиба и его положение и внутренней и внешней полосы 12, 14, которые более подробно показаны на фиг. 8 и 9, предпочтительно выбраны так, чтобы обеспечить соответствующие зазоры G' и Gʺ. Зазор Gʺ находится на задней кромке гребня и, предпочтительно, проходит от пика 32 гребня вниз вдоль участков 26, 26' задней кромки. Функцией этого зазора является создание некоторой степени гибкости готового трубчатого изделия 10, и, следует понимать, что при желании зазор Gʺ можно изменить или даже устранить. Конструкцию без зазора Gʺ труднее изготавливать, поскольку потребуются более жесткие допуски. Конструкция с увеличенным зазором Gʺ легче в производстве, поскольку производственные допуски могут быть менее жесткими. Любая из этих конструкций или какая-либо промежуточная конструкция будет подходить для разных условий, и предлагаемая конструкция может быть модифицирована так, чтобы соответствовать конкретным условиям монтажа и эксплуатации. Зазор G' находится у основания 34 передней кромки и предназначена просто для того, чтобы создать пространство между двумя слоями в месте, где они переходят между по существу продольным направлением (ось X) и по существу поперечным направлением Т. Такой зазор G' также способствует введению в контакт друг с другом двух контактирующих поверхностей внутреннего и внешнего слоев 12, 14 как можно быстрее после из соответствующих изгибов 36, 38 на основании 40, 42 передних кромок.

На фиг. 6 и 7 показаны основные отличия между внутренним 12 и внешним 14 слоями и из которых далее понятно, что радиусы R изгиба внешнего слоя 14 должны быть больше, чем радиусы изгиба внутреннего слоя, чтобы два гребня были посажены один в другой. Дополнительно эти чертежи очень четко иллюстрируют разницу между направлениями ориентации двух гребней 24, 24' для каждого из внутреннего 12 и внешнего 14 слоев, которые будучи смещенными в осевом направлении вдоль оси X относительно друг друга на половину ширины полосы позволяют вставлять один слой в другой без образования между ними слишком большого зазора.

Подробно радиусы R для типично согласованных внутреннего и внешнего слоев показаны на фиг. 8 и 9, из которых понятно, что радиусы изгиба потребуется менять, если изменится толщина Т соответствующих полос.

Способ производства

Способ производства трубчатого изделия (10), описанного выше и имеющего продольную ось X, содержит этапы, на которых создают внутреннюю и внешнюю полосы (12, 14); формируют пару продольных гребней (20, 22, 20', 22') на каждой из полос; при этом каждый из гребней формируют так, чтобы он проходил вдоль продольной оси L параллельно друг другу, и формируют гребни (20, 22, 20', 22') как асимметричные гребни, имеющие переднюю кромку (24, 24'), образующие контактный участок (28, 28'), и наматывают полосы спирально внахлест так, чтобы передние кромки (24, 24') контактировали друг с другом, а участки задних кромок (26, 26') наматывают так, чтобы они находились на расстоянии G друг от друга.

На фиг. 10 и 11 приведены некоторые сравнения между настоящим изобретением (геометрия с двумя гребнями) с прокатными свойствами Duplex/Docol и некоторыми другими конструкциями. Желательно, чтобы осевое удлинение или глобальная деформация не были слишком велики под действием внутреннего давления, в противном случае это может привести к движению и возможному разрыву. На фиг. 10 приведено сравнение новой конструкции, обозначенной 2 rib с тремя известными конструкциями 135 и 185 и одной конструкцией, которая не является прототипом и имеет два слоя, но только одно ребро. На фиг. 11 приведено сравнение конструкции с одним ребром или гребнем с конструкцией с двумя ребрами или гребнями. Из этих диаграмм понятно, что новая конструкция имеет такие же или лучшие характеристики, чем многие конструкции прототипа, поскольку удлинение не увеличивается под давлением, несмотря на то, что эта конструкция имеет только два слоя, тогда как конструкция-прототип содержит три слоя.

В настоящем изобретении также применяется угол θ намотки, достигающий 30°, по сравнению с конструкцией прототипа, где этот угол равен типично всего 4°. Одно лишь это увеличение угла намотки существенно повышает скорость и эффективность производства (втрое в случае предпочтительной конфигурации, где угол намотки равен 12°). Считается возможным в некоторых случаях достижение угла 54° и настоящее изобретение способно охватить такой диапазон.

Далее следует описание характеристик настоящего изобретения в сравнении с известными профилями полосы со ссылками на фиг. 10 и 11 и 12-14, которые иллюстрируют известные профили полосы. Настоящее изобретение предлагает геометрию листа с 2 ребрами из нержавеющей стали Duplex S32205/листового проката Docol Roll, и в этом виде оно представлено в сравнительных таблицах и на диаграммах. Результаты сравниваются для прототипов, нагруженных внутренним давлением.

Геометрия с двумя гребнями в примере настоящего изобретения состоит из двух независимых полос, спирально наматываемых вокруг внутренней облицовки под углом приблизительно 12°, создавая сечение, состоящее из двух слоев. Такая конфигурация была проанализирована на свойствах нержавеющей стали Duplex S32205/листового проката Docol Roll. Толщина полосы увеличена на 0,75 мм. На фиг. 4 показано сечение такой конструкции полосы.

Первый сравнительный прототип обозначен как геометрия 135 и состоит из единственной полосы с 3 симметричными гребнями, спирально намотанной вокруг облицовки под углом 4°. Полоса дважды "согнута" между гребнями, образуя трехслойное сечение полосы. Эта концепция была проанализирована на стали 316L/M190 и на нержавеющей стали Duplex S32205/листовом прокате Docol Roll. Сечение такой полосы показано на фиг. 12.

Второй сравнительный пример именуется геометрией 185 и относится к единственной полосе с 3 асимметричными гребнями, спирально намотанной вокруг облицовки под углом 4°. Полоса имеет две "ступени" в положении гребней, образуя трехслойное сечение. Такая концепция была проанализирована на нержавеющей стали Duplex S32205/листовом прокате Docol Roll. Сечение профиля полосы показано на фиг. 13.

Третий сравнительный пример, именуемый геометрией Dreistern 185, основан на трех независимых полосах, каждая из которых имеет один асимметричный гребень, и которые спирально намотаны под углом 4° вокруг облицовки, образуя трехслойное сечение. Эта была проанализирована на нержавеющей стали Duplex S32205/листовом прокате Docol Roll. Сечение профиля полосы показано на фиг. 14.

Характеристики настоящего изобретения

Были проанализированы примеры внутреннего давления и осевой нагрузки для геометрии с двумя гребнями на примере нержавеющей стали, была проанализирована на нержавеющей стали Duplex S32205/ листовом прокате Docol Roll. Результаты этого анализа сравнивались с результатами, ранее полученными 3D анализом при нагрузке внутренним давлением. Полный перечень примеров с нагрузкой внутренним давлением приведен в таблице 2.1

Сравнение геометрии с 2 гребнями при материале Duplex/Docol Roll с предыдущими решениями показывает следующее.

Для нагрузки внутренним давлением при давлении 155 бар геометрия с двумя гребнями при материале Duplex S32205/Docol Roll дает 1% эквивалентной пластической деформации. Это хорошо согласуется с известными решениями.

Сильная пластическая деформация в гребнях, приводящая к сплющиванию и расцеплению полос для геометрии с 2 гребнями при материале Duplex S32205/Docol Roll, возникает при давлении 210 бар, что хорошо согласуется с известными решениями.

При одной лишь осевой нагрузке геометрия с 2 гребнями при материале Duplex S32205/Docol Roll дает 1% эквивалентной пластической деформации при приблизительно такой же нагрузке, что и эквивалентная нагрузка на заглушку, когда также применяется и внутреннее давление. Это дает основание полагать, что отказ произойдет в первую очередь из-за расцепления при осевой нагрузке.

Увеличенный угол намотки полосы, вероятно, повышает осевую жесткость трубы.

Во всех случаях достижение 1% эквивалентной пластической деформации возникает в слое внутренней полосы, либо на верхнем радиусе гребня, либо на нижнем угле гребня.

Для геометрии с 2 гребнями при материале Duplex S32205/Docol Roll и для геометрии Driestern 185 при материалы Duplex S32205/Docol Roll (примеры 4 и 5 в таблице 2.1) осевое разделение между слоями в большей мере стремиться к увеличению при приближении полного разрыва трубы. Это объясняется тем, что в этих конструкциях применяются многослойные полосы. При внутреннем давлении, осевое разделение увеличивается для геометрии Dreistern 185 при материале Duplex S32205/Docol Roll из-за отсутствия запирания гребней в этой конструкции. Для настоящего изобретения потеря зацепления происходит прибл. при 210 бар. В таблице 6.1 показаны расчетные давления разрыва для всех сравниваемых случаев. Результаты показывают, что настоящее изобретение прекрасно согласуется с известными решениями.

Полезным индикатором для сравнения является внутреннее давление, требуемое для создания 1% эквивалентной пластической деформации (по результатам программного комплекса прочностного анализа Abaqus, PEEQ) в материале усиливающей полосы, не считая граничных эффектов. В таблице 6.2 показаны расчетные внутренние давления, необходимые для создания 1% эквивалентной пластической деформации в слоях полос для всех примеров, а также соответствующие осевые нагрузки на заглушку. Они указывают, что геометрия с 2 гребнями при Duplex S32205/Docol Roll достаточно хорошо согласуется с известными конструкциями.

Сравнение общей осевой деформации под действием внутреннего давления для каждой конфигурации, включая конфигурацию по настоящему изобретению, показано на фиг. 10. Конструкция с 2 гребнями по меньшей мере не уступает другим конфигурациям по осевой жесткости. Увеличенная доля осевого сопротивления слоя полосы может быть вызвана увеличением угла намотки этой полосы.

На фиг. 11 показано сравнение осевого разделения между соседними слоями внешней полосы, рассчитанное для геометрии Dreistem 185 с одним гребнем и для геометрии с двумя гребнями под действием внутреннего давления. Эти две конфигурации сравниваются потому, что только они имеют множество независимых слоев полосы. Эта диаграмма показывает значительно большее осевое разделение между слоями в геометрии Dreistem 185 из-за отсутствия взаимного зацепления гребней. Хотя наличие одного гребня упрощает производство, такая степень разделения под единичной нагрузкой считается нежелательной. Это иллюстрирует эффективность настоящего изобретения с взаимным зацеплением 2 гребней.

Методология

Был выполнен 3D анализ геометрии спирально намотанной трубы с использованием программного комплекса прочностного анализа Abaqus версии 6.10-1 [2]. Все примеры нагрузок решались квазистатистическими методами, используя явно определяющую динамическую решающую программу. Явно определяющая решающая программа позволяет все возможные контактные интерфейсы, которые могут возникнуть во время анализа, генерировать в одном единственном автоматическом определении контакта. Явно определяющая решающая программа также типично требует меньше памяти, чем неявно определяющая решающая программа, когда увеличивается размер модели.

Преимущества настоящего изобретения

Следует понимать, что основным преимуществом настоящего изобретения является устранение этапов, применявшихся в прототипах, и устранение требования учитывать изменение диаметра полосы между ее внутренним и внешним диаметрами. Однако в дополнение к этим преимуществам, понятно, что настоящее изобретения позволяет получить сравнимые характеристики давления без необходимости в сложных наложенных конструкциях согласно прототипу. Характеристики по настоящему изобретению также достигаются при более пластичном материале, чем в прототипе, как указано ниже со ссылками на опубликованные данные для коммерческих сортов высокопрочной стали.

Claims (22)

1. Трубчатое изделие (10), имеющее продольную ось X, содержащее внутреннюю и внешнюю отдельные полосы (12, 14) спирально намотанного внахлест материала, каждая из которых имеет продольную ось L и первую и вторую кромки (16, 18 16', 18'), отличающееся тем, что каждая полоса (12, 14) содержит два или более продольно проходящих гребней (20, 22, 20', 22'), каждый из которых проходит вдоль продольной оси L параллельно один другому, и причем каждый из этих гребней (20, 22, 20', 22') представляет собой асимметричный гребень, имеющий переднюю кромку (24, 24'), образующую контактный участок (28, 28'), и причем каждая из этих передних кромок (24, 24') находится в контакте друг с другом, и дополнительно содержит не контактирующий участок (26, 26') задней кромки, которые разнесены друг от друга на зазор Gʺ.

2. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что контактный участок (28, 28') содержит участок гребня (20, 22, 20', 22'), проходящий под углом θ' к продольной оси X, и причем участки (26, 26') задней кромки проходят под углом θʺ относительно продольной оси X, и причем угол θʺ больше угла θ'.

3. Изделие по п. 2, отличающееся тем, что угол θʺ больше угла θ' на 20° или более.

4. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что контактный участок (28, 28') содержит участок гребня (20, 22, 20', 22'), проходящий под углом θ', равным 70°-110° относительно продольной оси X.

5. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что контактный участок (28, 28') содержит часть гребня (20, 22, 20', 22'), проходящую по существу перпендикулярно к продольной оси X.

6. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что участки (26, 26') задней кромки проходят под углом θʺ, равным 20°-70° к продольной оси X.

7. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что участки (26, 26') задней кромки проходят под углом θʺ, равным по существу 45° к продольной оси X.

8. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что передние кромки (24') внешней полосы (14) обращены друг от друга.

9. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что передние кромки (24) внутренней полосы (12) обращены друг к другу.

10. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что передние кромки (24') внешней полосы (14) обращены друг к другу.

11. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что передние кромки (24) внутренней полосы (12) обращены друг от друга.

12. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что имеет внутренний зазор G между соседними кромками (16, 18) внутренней полосы.

13. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что имеет внешний зазор G2 между соседними кромками (16', 18') внешней полосы.

14. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что внутренний зазор G находится в положении между внешними гребнями (20', 22').

15. Изделие по п. 13, отличающееся тем, что внешний зазор G2 находится в положении между внутренними гребнями (20, 22).

16. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что содержит внутренний сердечник (30), вокруг которого намотаны внутренняя и внешняя полосы (12, 14).

17. Изделие по п. 16, отличающееся тем, что внутренняя и внешняя полосы имеют естественный радиус кривизны R, R', меньший, чем радиус Rʺ внешней части внутреннего сердечника (30).

18. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя и внешняя полосы (12, 14) содержат материал, имеющий предел прочности на разрыв 800-2000 ГПа.

19. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что каждая полоса 12, 14 намотана под углом θ к продольной оси X.

20. Изделие по п. 19, отличающееся тем, что угол θ равен 4°-54°.

21. Способ изготовления трубчатого изделия (10) по п. 1, имеющего продольную ось X, при котором берут внутреннюю и внешнюю полосы (12, 14), отличающийся тем, что содержит этапы, на которых формируют пару проходящих продольно гребней (20, 22, 20', 22'), на упомянутой полосе, при этом каждый из гребней формируют так, чтобы он проходил вдоль продольно проходящей оси L параллельно друг другу, и формируют эти гребни (20, 22, 20', 22') как асимметричные гребни, имеющие переднюю кромку (24, 24'), образующую контактный участок (28, 28'), и причем полосы наматывают спирально внахлест так, что передние кромки (24, 24') находятся в контакте друг с другом, а участки (26, 26') задних кромок намотаны так, чтобы быть дистанцированными друг от друга на расстоянии G.

22. Пара трубчатых полос (12, 14), каждая из которых имеет продольную ось L, для изготовления трубчатого изделия по п. 1, при этом полосы (12, 14) содержат пару проходящих продольно гребней (20, 22, 20', 22'), каждый из которых проходит вдоль продольной оси L параллельно один другому, и причем гребни (20, 22, 20', 22') представляют собой асимметричные гребни, имеющие переднюю кромку (24, 24') и участок (26 или 26') задней кромки, причем передние кромки (24') внешней полосы (14) обращены друг от друга, передние кромки (24) внутренней полосы (12) обращены друг к другу, или передние кромки (24') внешней полосы (14) обращены друг к другу, а передние кромки (24) внутренней полосы (12) обращены друг от друга и причем передние кромки (24 или 24') находятся под углом для создания контакта между ними, когда расположены друг на друге, и причем участки (26 или 26') задних кромок наклонены под углом так, чтобы образовывать зазор Gʺ между ними, когда они расположены друг на друге.

Images