Городское коммунальное хозяйство представляет собой сложное переплетение трубопроводов, которые обеспечивают жителей водой, тепловой энергией и газом. В современных условиях наряду с металлическими трубами (чугун, сталь, медь) все шире используются пластиковые и металлопластиковые трубы. Стала реальной мечта сантехников: появились трубы прочные, коррозионно-стойкие, долговечные и легко монтируемые. Несмотря на многообразие предложенных в патентно-технической литературе устройств и способов соединения труб, необходима разработка новых. Актуальна проблема: как соединить трубы быстро, просто, дешево и надежно [1, 2].
При строительстве трубопроводов в основном производится торцевое соединение труб. Для патентного поиска нами выбрана узкая область: соединения труб без применения высоких температур (сварки) и открытого пламени, причем не требующие предварительной обработки концов труб, т.е. выполнения на них резьбы, буртов, канавок, скосов и прочих вспомогательных образований. В то же время при достаточной простоте устройства должна обеспечиваться прочность и герметичность соединения .
Патентный поиск показал, что наиболее старым устройством для торцевого соединения труб без использования высоких температур и дополнительной обработки концов труб является устройство по авторскому свидетельству (а.с.) № 28785 СССР, зарегистрированное в 1931 г. Это муфтовое соединение (рис. 1) с забивкой кольцевой полости между трубами и муфтой 1, чередующимися слоями глины 2 и волокнистого материала 3. Причем, крайние слои 4 пропитываются горячим битумом. В настоящее время данное устройство представляется весьма примитивным. Однако, интересно то, что принципиальная схема этого устройства сохраняется во многих последующих изобретениях. Совершенствуются лишь различные способы уплотнения кольцевой полости между концами труб и охватывающей их муфтой или гильзой.
Универсальное клиновое соединение труб разработано институтом Мосинжпроект для эластичных и жестких труб. Клиновое соединение для жестких труб (рис. 2) содержит подвижные фланцы 1 и эластичную втулку 2, которая охватывает концы труб.
Прочность и герметичность соединения достигается путем обжатия втулки при сжатии болтами подвижных фланцев. Эластичная упругая втулка, имеющая на внутренней поверхности выступы особой конфигурации для повышения герметичности соединения стеклянных труб, предложена в а.с. № 140644. Дальнейшее развитие клиновое соединение получило в трубном соединении по а.с. № 1456668 и в соединении эластичных труб по а.с. № 1456681.
Изобретатель Ехлаков С.В. (а.с. № 226351) предложил для соединения труб из термопластов (рис. 3) размещать внутри термопластичной предварительно напряженной муфты 1 электронагревательную спираль, которая намотана на термопластичный пруток 2. При подключении спирали к источнику тока происходит оплавление муфты, прутка и концов соединяемых труб. В результате после отключения тока, все элементы прочно свариваются.
Этим же автором предложен более совершенный способ изготовления муфты из термопласта по а.с. № 1393983. Муфты из термоусаживающего материала предложены в а.с. № 1492153 и патентах РФ № 2187034, 2267687, 2341717, 2382930 и в патенте Великобритании № 2319316. Подобное техническое решение, но с использованием вместо спирали заряда вещества, быстро сгорающего с выделением тепла, описано в патенте США № 3427047.
Представляет интерес и способ соединения труб по а.с. № 1430659, по которому на стык труб наматывается термоусаживающая лента и армирующая сетка из электропроводного материала. По а.с. № 1476229 соединение труб производится посредством конструкционной ленты из стеклоткани с нанесенным на нее полимерным клеем с отвердителем. Лента наматывается на концы труб в виде бандажа и производится процесс полимеризации.
В США по патенту № 3606400 используется легкий металлический сильфон, заполненный мягким упругим материалом. При сжатии сильфона в осевом направлении упругий материал обжимает наружную поверхность соединяемых труб. Аналогичное устройство для соединения неметаллических труб с гладкими концами предложено Р.М. Новиковым в а.с. № 1516708.
Много фантазии приложили изобретатели, чтобы использовать для обжатия концов труб давление среды, транспортируемой по трубопроводам, т.е. создать самозажимающее устройство. Так В.Л. Чумаковым предложены устройства (а.с. № 934144 и № 1176130), в которых концы соединяемых труб располагаются в охватывающих их внутри и снаружи втулках с рифлеными поверхностями. Втулки соединены цилиндрическим корпусом с образованием полости, сообщающейся с полостью трубопровода. Самоуплотнение соединения происходит при создании давления среды в трубопроводе. Подобные устройства с уплотнительным элементом, обжимающим трубопровод под действием давления транспортируемой среды, запатентованы в ФРГ № 1132394, Франции № 2398958 и США № 3384392 (рис. 4).
В ряде патентов США и а.с. № 325453 предложены «надувные» соединения труб в виде трубчатой муфты, во внутренние полости которой нагнетается среда (жидкость или смазка), воздействующая на эластичный уплотнительный элемент, обжимающий концы труб.
В самоуплотняющемся соединение труб по а.с. № 540101 размещаются капсулы с газообразующим составом. В процессе соединения труб капсулы разрушаются, происходит химическая реакция, и выделяющиеся газы уплотняют соединение труб. Прочное соединение труб можно получить и с помощью расширяющегося цемента — патент США № 3387864. Заменить давление среды вакуумом в сочетании с охлаждением предложено в а.с. № 1386782.
Свойства некоторых металлов и сплавов расширятся (разбухать) при гидрировании, т.е. насыщении водородом, предложено использовать для соединения труб в а.с. № 588080. Хорошо «разбухают» при гидрировании иттрий, титан, цирконий, лантан, а также сплавы титан–железо, лантан–никель. Данный вариант соединения реализован, например, с помощью муфты и цилиндрической вставки, подвергаемой гидрированию.
Весьма интересны изобретения, в которых предложено использовать для соединения труб материалы, обладающие эффектом памяти формы. При этом расширяются функциональные возможности соединения , однако препятствием для широкого внедрения является высокая стоимость сплавов, обладающих памятью формы. Эффект памяти формы используется в изобретениях по а.с.№ 1086282 и № 1492155, а также патентах РФ № 2086011 и 2350822. По а.с. № 1381299 предложен способ изготовления термомеханической муфты, путем намотки на тонкостенную гильзу ленты из сплава с «памятью», которую охлаждают жидким азотом. При нагреве лента обжимает гильзу и концы труб.
Соединять трубы с помощью постоянных магнитов предложено в а.с. № 1195115.
Еще один способ соединения неметаллических (стеклянных) труб по а.с. № 1317223 осуществляется путем радиального обжатия электромагнитным полем размещенных на стыке труб кольцевого эластичного элемента и охватывающей его обжимной втулки , изготовленной из токопроводящего материала, например, алюминия. Для создания электромагнитного поля используется индуктор с конденсатором и зарядным блоком. В момент замыкания ключа конденсатор разряжается на индуктор, а возникающее поле обжимает втулку.
Вывод
В заключение патентно-технического обзора можно отметить следующее:
- Во всех известных устройствах и способах соединения труб в окончательном виде создается механическая связь концов труб — механическое поле согласно ТРИЗ (Теория решения изобретательских задач) [3].
- Для создания соединения труб используются различные физические эффекты: статического давления, памяти формы, разбухания металлов в водороде и др.
- В историческом аспекте наблюдается четкий и закономерный переход в использовании полей для создания соединения труб по линии МАТХЭМ (механическое — акустическое — тепловое — химическое — электрическое — магнитное). Пропущено лишь акустическое поле. Не найдено изобретений, в которых предлагалось бы соединять трубы с помощью акустического поля.
- В некоторых изобретениях для обжатия концов труб используется ресурс системы — давление транспортируемой среды.
- Имеются изобретения, в которых торцевое соединение труб выполняет дополнительную функцию компенсации температурных удлинений труб, что важно для теплопроводов.
Для практического применения наибольший интерес представляет способ соединения труб, включающий установку уплотнительного элемента в виде цилиндрической втулки, которая охватывает торцы соединяемых труб, и наматывания на втулку и стык труб термоусаживающейся ленты и армирующей сетки из электропроводного материала до образования многослойной муфты и последующего подсоединения сетки к источнику электроэнергии. Втулка выполнена из эластичного материала, например, резины и имеет в центре внутренней поверхности кольцевой бурт прямоугольной формы, а концы втулки скошены к внутренней поверхности. Втулка обеспечивает центровку труб в процессе монтажа и компенсацию температурных удлинений труб при эксплуатации трубопровода. Применение электропроводной сетки упрощает проведение процесса полимеризации ленты и повышает производительность.
Применение данного способа соединения труб обеспечивает получение прочного и герметичного соединения труб без предварительной обработки концов труб и применения открытого пламени и высоких температур с дополнительной функцией — компенсацией температурных удлинений труб в условиях эксплуатации трубопровода. Весьма перспективно применение данного способа при проведении ремонтных и аварийных работ на технологических трубопроводах, транспортирующих пожаро- и взрывоопасные вещества, т.к. окружающая природная среда не загрязняется вредными веществами, которые сбрасываются из технологических трубопроводов в случае проведения сварочных работ. Кроме того, это соединение может быть использовано в качестве электроизолирующего при монтаже подземных металлических трубопроводов, например, газопроводов.
>>> Также читайте по теме Особенности соединения труб, допущеннных строительными нормами и правилами к применению в системах водяного отопления в журнале СОК 2003 №10
