Патент на изобретение №2279010

(54) ФЛАНЕЦ И СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ С ПОМОЩЬЮ ЭТОГО ФЛАНЦА

(57) Реферат:

Изобретение относится к соединительным элементам трубопроводов, допускающих угловые перекосы. Фланец выполнен в виде плоского элемента и имеет прямолинейный боковой торец с выполненным в нем сквозным пазом полукруглой формы с обеспечением свободного с зазором полуобхвата соединяемых труб. Два болтовых отверстия расположены на взаимно перпендикулярных линиях, проходящих через центры болтовых отверстий и центр полукруглого паза. Ось симметрии болтовых отверстий совпадает с осью симметрии паза, а опорная поверхность фланца снабжена, по крайней мере, одним упором для обеспечения зазора между фланцами по их периферии. Соединение труб включает фланцы, упирающиеся в бурты на концах труб, кольцевую упругую прокладку между буртами и стягивающие болты. На каждом конце трубы установлены по два фланца, и ось симметрии полукруглых пазов двух фланцев на конце одной трубы перпендикулярна оси симметрии полукруглых пазов двух фланцев на конце другой трубы. Изобретение позволяет упростить фланцевое соединение, улучшить технологические параметры конструкции фланцев и повысить надежность соединения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к соединительным элементам трубопроводов, в частности к соединению магистральных, протяженных трубопроводов, допускающих угловые перекосы без нарушения герметичности, и может быть использовано для стыковки трубопроводов, а также шлангов.

Известно соединение по а.с. 1020679, которое содержит, кроме фланцев, 4 полукольца со сферической поверхностью (сложная деталь полу-тор). Для выполнения фланцевого соединения предварительно подготавливают концы трубопроводов по сфере и по конусу, без этой подготовки герметичное соединение невозможно.

Соединение по а.с. 1106954 содержит разъемные фланцы в виде плоского элемента с болтовыми отверстиями, имеющего по крайней мере один прямолинейный боковой торец с выполненным в нем сквозным пазом полукруглой формы с обеспечением свободного с зазором полуобхвата соединяемых труб. Также имеются ниппели с проточками под уплотнение и под фланец, втулка с венцом с болтовыми отверстиями не менее 12. При выполнении соединения болты неоднократно развинчивают и меняют позиции установки фланца. Ниппели соединяют с концами трубопроводов сваркой.

Известен фланец по а.с. 1733820, F 16 L 23/00. Фланец представляет собой диск с центральным и болтовыми отверстиями и прижимным и опорным торцами. Диск выполнен как один элемент, состоящий из жестко соединенных витков винтовых спиралей. Во фланцевом соединении фланцы жестко скреплены с концами труб. При монтаже выступ винтовой линии одного фланца совмещают со впадиной винтовой линии другого фланца. Между фланцами находится прокладка, крепление – болтовое.

Высокая трудоемкость изготовления фланца объясняется большим объемом механической обработки заготовки в виде полосы, необходимостью жесткого скрепления витков спиралей, применения дополнительных материалов (вкладышей), реза конца полосы, фрезерования начала полосы, чтобы торцы фланца были перпендикулярны центральной оси диска фланца для выравнивания опорных поверхностей фланца. Соединение аналогично скреплению буртами, имеющимися на концах труб. При длинномерных трубах надежность соединения невелика ввиду возникающих перекосов в ходе эксплуатации или монтажа.

Известные фланцы сложны по конструкции, технологии изготовления и по выполнению монтажа, решая одну с заявленным изобретением задачу: обеспечение надежного соединения трубопроводов при возможных угловых перекосах и в стесненных условиях монтажа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является изобретение по а.с. 397709, F 16 L 19/02, заявл. 1972 г. Согласно а.с. 397709 фланец представляет собой цельный дискообразный плоский элемент с отверстиями под болты не менее 3 и с центральным отверстием, соответствующим диаметру труб. Фланцы представляют собой простую конструкцию и решают одну задачу: быть опорными поверхностями для болтов. Однако такой фланец имеет возможность технологического усовершенствования.

Фланцевое соединение, согласно а.с. 397709, характеризуется тем, что подвижные фланцы упираются в бурты на концах труб. В сборе бурты образуют V-образный паз, в котором находится резиновая прокладка с V-образным поперечным сечением. Фланцы стягиваются болтами. Утверждается, что герметизация не нарушается при количестве болтов не менее трех.

Недостатки соединения труб с помощью этих фланцев следующие. Фланцы должны быть размещены на концах труб до приваривания буртов. Поэтому весь монтаж выполняется по месту установки труб. Предварительная установка фланцев и крепление буртов очевидно усложняет складирование и транспортирование труб. И наконец, это фланцевое соединение не может надежно обеспечить герметичность соединения для труб больших длин или большого диаметра, так как при монтаже и укладке труб большой длины неизбежно возникают изгибные моменты, поэтому болтов должно быть не менее 3, а реально их предусматривают в количестве 6-8 болтов. Это увеличивает металлоемкость соединения, снижает технологичность фланцев и приводит к увеличению трудоемкости монтажа.

Технической задачей изобретения является улучшение технологических параметров конструкции фланца, снижение его металлоемкости, улучшение эксплуатационных качеств, упрощение монтажа фланцевого соединения, повышение надежности соединения как для малых трубопроводов (приборы, химоборудование), так и для труб больших длин и диаметров (продуктопроводы) при сохранении простоты и технологичности конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что фланец выполнен в виде плоского элемента и имеет, по крайней мере, один прямолинейный боковой торец с выполненным в нем сквозным пазом полукруглой формы с обеспечением свободного с зазором полуобхвата соединяемых труб, а два болтовых отверстия расположены на взаимно перпендикулярных линиях, проходящих через центры болтовых отверстий и центр полукруглого паза, при этом ось симметрии болтовых отверстий совпадает с осью симметрии паза, а опорная поверхность фланца снабжена, по крайней мере, одним упором для обеспечения зазора между фланцами по их периферии.

Поверхность фланца может имеет прямоугольную, а также полукруглую форму.

Два болтовых отверстия фланца могут быть выполнены заодно с двумя торцевыми пазами, ось симметрии которых или параллельна, или перпендикулярна линии между центрами обоих отверстий.

Упор имеет выпуклую опорную поверхность и может быть жестко скреплен с фланцем или выполнен разъемным. Упор целесообразно располагать на линии, проходящей через центр болтового отверстия и центр полукруглого паза.

Соединение труб содержит заявляемые фланцы, упирающиеся в бурты на концах труб, кольцевую упругую прокладку между буртами и стягивающие болты и отличается тем, что на конце каждой трубы установлены два фланца по п.1, а ось симметрии полукруглых пазов фланцев на конце одной трубы перпендикулярна оси симметрии полукруглых пазов фланцев на конце другой трубы.

Соединение труб позволяет снизить время на сборку-разборку, если на конце одной трубы установлены фланцы, у которых ось симметрии обоих торцевых пазов параллельна линии между центрами болтовых отверстий, а на конце другой трубы установлены фланцы, у которых ось симметрии обоих торцевых пазов перпендикулярна линии между центрами болтовых отверстий.

На фиг.1 показаны фланцы прямоугольной и полукруглой формы; на фиг.2 – фланцы с отверстиями-пазами; на фиг.3 показано соединение труб с использованием заявляемого фланца и на фиг.4 показано взаимное расположение фланцев в соединении или виды А и Б фиг.3.

Фланец представляет собой прямоугольный или полукруглый плоский элемент 1 с двумя болтовыми отверстиями 2 и 3. Со стороны прямолинейного бокового торца выполнен сквозной полукруглый паз 4, форма которого соответствует полуобхвату соединяемых труб с обеспечением зазора между фланцем и трубой 3-5 мм. Условные линии а и b, проходящие через центры отверстий и центр паза О, взаимно перпендикулярны, а оба отверстия и паз создают симметричный рисунок. Это необходимо для того, чтобы при повороте фланцев на 90° относительно центра паза (или, что то же – по окружности трубы) обеспечивалось совмещение болтовых отверстий стягиваемых фланцев.

При заявленном расположении болтовых отверстий наиболее целесообразна прямоугольная форма фланцев как наилучшее сочетание полезной опорной площади фланца и его массы. Также при изготовлении фланцев прямоугольной формы меньше металла идет в отход и упрощается изготовление отверстия под трубу. По линии а или b ближе к периферии фланца расположен упор 5, предназначенный для предотвращения перекоса фланцев при затягивании болтов. Размер упора соответствует расстоянию между стягиваемыми фланцами по их периферии или, по крайней мере, меньше этого расстояния на величину деформации упругой прокладки 6 между буртами. Выпуклая опорная поверхность упоров удобнее в эксплуатации. Если известны высота буртов и толщина и свойства прокладки 6, упоры могут быть заранее, до выполнения монтажных работ, скреплены (приварены) с опорной поверхностью фланцев. Разъемные, например, на резьбе упоры также могут выполнить свою роль дополнительного опорного средства.

Соединение труб состоит из четырех фланцев и содержит фланцы 7 и 8 на конце одной трубы, фланцы 9 и 10 на конце другой трубы, упругую кольцевую прокладку 6 между буртами и соединительные болты (на фигурах показаны оси болтовых соединений).

Сборка фланцевого соединения может быть осуществлена по месту прокладки трубопровода. Ориентация пазов 7 и 8 фланцев в сечении трубы перпендикулярна ориентации пазов 9 и 10 фланцев, при этом расположение болтовых отверстий стягиваемых фланцев совпадает, 4 болта и 4 упора примерно равноудалены друг от друга. Если стык соединяемых труб рассматривать в сечении, то фланцы расположены на конце одной трубы пусть слева и справа, а на конце второй трубы сверху и снизу. Теоретически, в идеальном случае, фланец сопрягается с буртом трубы всей поверхностью полукруглого паза. Практически, принимая во внимание также возможные перекосы и несоосности труб, это не линия и не поверхность паза, а точка опоры, с наибольшей вероятностью ближайшая к оси симметрии паза. Так как 4 фланца в соединении расположены слева, справа, сверху и снизу, то и точек касания фланцев и буртов тоже 4 и они примерно равноудалены. При возможных перекосах каждый фланец в любом случае сохранит в своем секторе точку опоры по месту касания с буртом, хотя она может иметь смещение (скользящая точка опоры). В заявленном соединении не только повысилось качество фланцевого соединения в целом, но и возросла надежность болтового крепежа, так как стала возможной компенсация микросдвигов за счет скользящей третьей точки опоры фланца. В известных технических решениях для прочного закрепления плоской детали болтов должно быть не менее 3, так как плоскость строится по 3 точкам. Общеизвестным является мнение, что прочность и надежность соединения трубопроводов достигается лишь прочной затяжкой фланцев. В известных фланцевых соединениях по принципу прочного закрепления фланцев изгибные моменты действуют на болты и приводят к зазорам в резьбовом соединении и его замене. Заявленное изобретение выходит за рамки общепринятых утверждений, так как технический результат, в частности повышение надежности соединения, достигается не прочностью затяжки фланцев, не “монолитностью” фланцевого соединения, а, наоборот, подвижностью фланцев. При этом используется именно свойство 3 точек. Плоскость каждого фланца имеет опору по 3 точкам: 2 точки – это болтовые отверстия, а 3-я точка – это точка в секторе касания фланца и бурта трубы. При выполнении на фланце двух болтовых отверстий не существует положения, при котором фланец потеряет точку касания с буртом трубы. Тем самым вместо промежуточной цели “прочного скрепления фланцев” достигается цель “прочного и равномерного по окружности сжатия буртов труб с уплотнительным элементом между ними”.

Взаимная перпендикулярность радиальных линий, на которых находятся болтовые отверстия, определяется тем, что для осуществления соединения двух труб два фланца на конце одной трубы и два фланца на конце второй трубы расположены так, что их оси симметрии полукруглых пазов (или прямолинейные торцы фланцев) перпендикулярны друг другу. То есть фланцы на конце одной трубы развернуты по отношению к фланцам на конце второй трубы на 90 градусов, но в то же время обеспечивается совмещение болтовых отверстий противолежащих фланцев. Если обе пары заявленных фланцев расположить зеркально, то есть без поворота прямолинейного торца на 90 градусов, то бурты стягиваются по двум точкам, что не соответствует возлагаемой задаче, хотя болтовые отверстия будут совмещены.

Расположение болтовых отверстий на взаимно перпендикулярных линиях обеспечивает совмещение отверстий при их относительном развороте на 90 градусов и не связано с геометрией равноудаленности отверстий, с геометрией равномерности распределения усилия затяжки. А в известных фланцах угол между отверстиями в полярных координатах определяется их количеством. Так, при 4 болтовых отверстиях по а.с. 1020679 угол равен 360_4=90 градусам. При 6 болтах угол будет равен 60 градусам. Однако, даже если радиальные углы между отверстиями у разных фланцев различные, но сущность их одна: равноудаленность друг от друга по поверхности фланца.

Очевидны предельно простая конструкция фланцев, позволяющая осуществлять оптимальный раскрой заготовок фланцев и получить экономию металла; предельно малый и простой комплект для соединения (4 фланца, 4 болта), при этом упоры имеют вспомогательную роль – они облегчают качественный монтаж; простой, не требующий особого позиционирования монтаж, допускающий стесненные условия. Обеспечивается качество и надежность соединения труб. Заявленное фланцевое соединение легко собирается, разбирается и может быть выполнено одними и теми же фланцами неоднократно.

Сборка фланцевого соединения предельно упрощена с применением фланцев, у которых болтовые отверстия совмещены с торцевыми пазами 11 (фиг.2). Если на конце одной трубы установлены фланцы с ориентацией пазов параллельно линии между центрами болтовых отверстий (фиг.4, в, фланцы 7 и 8, условная линия с параллельна линии d), а на конце другой трубы установлены фланцы с ориентацией торцевых пазов перпендикулярно линии между центрами болтовых отверстий (фиг.4, г, фланцы 9 и 10. условная линия с перпендикулярна линии d), то при повороте пар фланцев относительно друг друга на 90 градусов положение торцевых пазов совпадает. Сборка-разборка такого соединения значительно ускоряется. Болты вставляются и извлекаются из пазов, сохраняя болтовое соединение в сборе и применяя лишь незначительное прокручивание.

Для лучшего понимания изобретения добавим, что фланцы могут быть выполнены не только в полуобхват трубы, а, например, в треть охвата трубы, то есть торец фланца может быть не прямолинейным, а составлять угол 120 градусов между радиальными торцами фланца. В этом случае для полного охвата трубы нужны 3 фланца, а для полного комплекта соединения – 6, можно также 4. Но в любом случае каждый фланец (сектор круга в 120 градусов) должен иметь 2 болтовых отверстия. Изменится также радиальный угол между отверстиями и так далее. Чем большее число фланцев составят такое фланцевое соединение, тем динамические возможности соединения и его надежность будут выше, но значительно усложняется монтаж. Поэтому заявлена наиболее целесообразная конструкция, по мнению заявителя.

Формула изобретения

1. Фланец, выполненный в виде плоского элемента с болтовыми отверстиями, отличающийся тем, что фланец имеет, по крайней мере, один прямолинейный боковой торец с выполненным в нем сквозным пазом полукруглой формы с обеспечением свободного с зазором полуобхвата соединяемых труб, а два болтовых отверстия расположены на взаимно перпендикулярных линиях, проходящих через центры болтовых отверстий и центр полукруглого паза, при этом ось симметрии болтовых отверстий совпадает с осью симметрии паза, а опорная поверхность фланца снабжена, по крайней мере, одним упором для обеспечения зазора между фланцами по их периферии.

2. Фланец по п.1, отличающийся тем, что фланец выполнен прямоугольной формы.

3. Фланец по п.1, отличающийся тем, что фланец выполнен полукруглой формы.

4. Фланец по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что два болтовых отверстия фланца выполнены заодно с двумя торцевыми пазами, ось симметрии которых или параллельна, или перпендикулярна линии между центрами обоих отверстий.

5. Фланец по п.1, отличающийся тем, что упор выполнен разъемным.

6. Фланец по п.1, отличающийся тем, что упор жестко скреплен с фланцем.

7. Фланец по п.1, отличающийся тем, что упор выполнен с выпуклой опорной поверхностью.

8. Фланец по п.1, отличающийся тем, что упор расположен преимущественно на одной из линий, проходящих через центр болтового отверстия и центр полукруглого паза.

9. Соединение труб, содержащее фланцы, упирающиеся в бурты на концах труб, кольцевую упругую прокладку между буртами и стягивающие болты, отличающееся тем, что на конце каждой трубы установлены два фланца по п.1, а ось симметрии полукруглых пазов фланцев на конце одной трубы перпендикулярна оси симметрии полукруглых пазов фланцев на конце другой трубы.

10. Соединение труб по п.9, отличающееся тем, что на конце каждой трубы установлены два фланца по п.4, при этом на конце одной трубы установлены фланцы, у которых ось симметрии обоих торцевых пазов, совмещенных с болтовыми отверстиями, параллельна линии между центрами болтовых отверстий, а на конце другой трубы установлены фланцы, у которых ось симметрии обоих торцевых пазов перпендикулярна линии между центрами болтовых отверстий.

РИСУНКИ