CC BY
5УДК 621.6.061 DOI 10.52928/2070-1616-2024-50-2-8-13
БЕССВАРНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ И ИМПУЛЬСНЫХ ЛИНИЙ ТРУБНЫХ ПРОВОДОК
д-р техн. наук, проф. Н.Н. ПОПОК (Полоцкий государственный университет имени Евфросинии Полоцкой)
А.С. БАЛЫШ (ООО «Поинт», Полоцк)
Проведен анализ отечественных и зарубежных конструкций бессварных герметичных соединений трубопроводов малых диаметров и импульсных линий трубных проводок, а также применяемых марок материалов. Представлены конструкции соединений с зажимным и упорным кольцами и соединений с врезающимся кольцом. Определены преимущества и недостатки существующих конструкций. Рассмотрена возможность применения бессварных герметичных соединений на трубопроводах, транспортирующих агрессивные среды, которые вызывают коррозионное разрушение металла. Предложено новое исполнение соединения с зажимным и упорным кольцами из двухфазной дуплексной стали. Приведены результаты гидростатической прочности рассматриваемых конструкций после однократной и многократных сборки и разборки соединений на трубопроводе из нержавеющей коррозионностойкой стали аустенитного типа. Дана экономическая оценка целесообразности серийного производства соединений нового исполнения.
Ключевые слова: трубопроводы, бессварные соединения, зажимные и упорные кольца, дуплексная сталь.
Введение. Трубопроводы представляют собой сооружения из труб, деталей (отводы, переходы, тройники, метизы, фланцы и т.д.), опор, подвесок, арматуры, плотно и прочно соединенных между собой и предназначенных для транспортировки жидкостей, газов, паров, парожидкостных смесей и иных продуктов промышленной и хозяйственной деятельности1- 2. И если для трубопроводов диаметрами DN 10-DN 4000 разработаны, описаны и спроектированы разнообразные разъемные (фланцевые, муфтовые, раструбные и т.п.) и неразъемные (сварные, с пайкой и т.п.) соединения элементов трубопроводов, то для трубопроводов малых диаметров DN 1-DN 10 разработанных и реализованных на практике методик соединений значительно меньше. К этой же категории трубопроводов малых диаметров относят импульсные линии трубных проводок, которые соединяют отборные устройства с контрольно-измерительными приборами на технологических трубопроводах, сосудах и аппаратах, а также могут служить в качестве линий питания, обогрева, охлаждения3- 4. Бесспорно, что для трубопроводов малых диаметров можно применять те же методики соединений, что и для трубопроводов больших диаметров, например, сварные соединения. Однако, как показывает практика, монтаж импульсных линий трубопроводов малых диаметров в основной массе происходит в значительно стесненных либо полевых условиях. Поэтому проектные, монтажные и эксплуатирующие организации при проектировании и разработке документации на трубные проводки все чаще отдают предпочтение бессварным разъемным соединениям трубопроводов.
Основная часть. Типовая схема манометрической (приборной) стойки с бессварными разъемными соединениями представлена на рисунке 1.
Наиболее распространенными типами бессварных разъемный соединений в промышленности являются соединения с врезающимся кольцом (рисунок 2) и соединения с зажимным и упорным кольцами (рисунок 3).
И если на территории бывшего Советского Союза чаще встречаются соединения с врезающимся кольцом, конструкция которого была описана и внедрена в 1970 г.5, то за рубежом широкое применение получили соединения с зажимным и упорным кольцами, которые в промышленности стран западного мира известны
1 ГОСТ 32569-2013 Трубопроводы технологические стальные. Требования к устройству и эксплуатации на взрывопожароопасных и химически опасных производствах. - М.: Стандартинформ, 2015. - 184 с.
2 ТКП 45-3.05-167-2009 Технологические трубопроводы. Правила монтажа и испытаний. - Минск: М-во архитектуры и стр-ва Респ. Беларусь, 2010. - 70 с.
3 СП 77.13330.2016 Системы автоматизации. Свод правил. - М.: Стандартинформ, 2017. - 70 с.
4 РМ 4-242-92 Системы автоматизации. Рекомендации по проектированию обогрева и теплоизоляции трубных проводок. - М.: НПО «Монтажавтоматика» ГПКИ «Проектмонтажавтоматика», 1992. - 56 с.
5 ГОСТ 15763-70 Соединения трубопроводов с врезающимся кольцом для гидравлики, пневматики и смазки на Ру 40 МН/м кв. (примерно 400 кгс/см кв.). Технические требования. - М.: Гос. ком. стандартов Совета министров СССР, 1970. - 2 с.
уже с 1947 г.6; 7. На территории же бывшего Советского Союза соединения с зажимным и упорными кольцами были описаны и внедрены только в 1991 г.8. Но ввиду того, что после распада Советского Союза в странах СНГ началось активное внедрение промышленного оборудования западных образцов, именно соединения с зажимным и упорным кольцами заняли передовые позиции в ряду герметичных соединений трубопроводов и трубных проводок.
0_0
Рисунок 1. - Типовая схема манометрической (приборной) стойки отбора давления9
1 - присоединительный конец корпусной детали; 2 - накидная гайка; 3 - врезающееся кольцо; 4 - труба
Рисунок 2. - Соединение с врезающимся кольцом10
6 Swagelok Tube Fitting Advantage [Электронный ресурс]. - URL: https://www.swagelok.com/-/media/distributor-media/o-s/singapore/tube-fitting-advantage-brochure.ashx (дата обращения 29.01.2024).
ресурс].
URL:
7 Трубные обжимные фитинги Swagelok® [Электронный https://www.swagelok.com/downloads/webcatalogs/ru/MS-06-16.PDF (дата обращения 29.01.2024).
8 ГОСТ 15763-91 Соединения трубопроводов резьбовые на Ру до 63 МПа (до около 630 кгс/см кв.). Общие технические условия. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1991. - 21 с.
9 Манометрическая стойка (ОУД) [Электронный ресурс]. -datchikov/manometricheskaya-stojka-oud (дата обращения 29.01.2024).
URL: https://pointltd.by/index.php/catalog/armatura-dlya-
10
ГОСТ 15763-2005 Соединения 630 кгс/см2). Общие технические условия.
трубопроводов резьбовые и фланцевые на PN (Ру) до 63 МПа (до около - М.: Стандартинформ, 2008. - 35 с.
1 - труба; 2 - присоединительный конец корпусной детали; 3 - накидная гайка;
4 - зажимное кольцо; 5 - упорное кольцо
Рисунок 3. - Соединение с зажимным и упорным кольцами11
Соединения с зажимным и упорным кольцами (далее - СЗУК), конструкция которых описана в ГОСТ 15763-200511, имеют ряд особенностей, ограничивающих сферу применения указанных соединений в промышленности. Согласно ГОСТ 15763-2005 в качестве материала колец, накидной гайки, корпусных деталей рекомендуется применять углеродистые конструкционные стали, что не позволяет использовать данные соединения для агрессивных сред, вызывающих коррозионное разрушение углеродистых конструкционных сталей. В качестве материала трубы для соединений рекомендуются сталь 20, медь или латунь, что также не позволяет использовать СЗУК для трубопроводов и трубных проводок, изготовленных из нержавеющих коррозионностойких сталей (таблица 1).
Таблица 1. - Марки материала и сортамент труб11
Наименование деталей Марка материала Сортамент труб
Упорные кольца Сталь 45 -
Зажимные кольца Сталь 10 Сталь 3 Л63
Гайки и контргайки Сталь 45, 35 А30 10кп
Корпусные детали Сталь 45, 35 А30
Трубы для соединений с зажимным кольцами Сталь 20 М3 Л63 Холоднодеформируемые трубы
Медные трубы
Латунные трубы
Конструкция соединений типа СЗУК западного образца (рисунок 4), напротив, в стандартном исполнении предусматривает их изготовление из нержавеющей стали (как правило, марки 316/316Ь) и предназначена для монтажа на трубопроводах и трубных проводках из коррозионностойких сталей аустенитного типа (марки 304, 321, 316Т1, 316/316Ь и т.п.)12; 13. Однако недостатком такой конструкции является дороговизна ее разработки и сопутствующих исследований14, т.к. принципиальными отличиями от конструкции по ГОСТ 15763-2005 являются не только геометрические параметры элементов, но и технология изготовления отдельных деталей соединения. Например, упорное (заднее) кольцо западного образца подвергается дополнительному упрочнению по запатентованным западными фирмами технологиям, которое повышает механические свойства поверхностного слоя кольца без потери коррозионных свойств стали15; 16. В дополнение
11 ГОСТ 15763-2005 Соединения трубопроводов резьбовые и фланцевые на PN (Ру) до 63 МПа (до около 630 кгс/см2). Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2008. - 35 с.
12 Gaugeable Tube Fittings and Adapter Fittings [Электронный ресурс]. - URL: https://www.swagelok.com/-/media/distributor-media/c-g/calgary/services/pdf/ms-01-140.ashx (дата обращения 29.01.2024).
13 CPI/A-LOK Tube Fittings [Электронный ресурс]. - URL: https://www.parker.com/literature/Instrumentation%20Products%20Division/Catalogs/Cat%204230-4233-Dec09%20-%20Final%20for%20Web .pdf (дата обращения 29.01.2024).
14 DesignNews. - URL: https://www.designnews.com/metals/swagelok-improves-stainless-steel-hardness/ (дата обращения: 20.01.2024).
15 SAT 12 Swagelok [Электронный ресурс]. - URL: https://pdfcoffee.com/sat-12-swagelok-pdf-free.htmI (дата обращения 29.01.2024).
16 Engineering report on ferrule design-suparcase® [Электронный ресурс]. - URL: https://www.parker.com/literature/Instrumentation%20Products%20Division/Suparcase/CPI%20Promo%20Bulletin%204230%20B1 5.1.pdf (дата обращения 29.01.2024).
накидная гайка имеет специальное серебряное покрытие, предотвращающее заедание резьбы и обеспечивающее простоту сборки17; 18.
1 - корпусная деталь; 2 - накидная гайка; 3 - упорное (заднее) кольцо; 4 - зажимное (переднее) кольцо
Рисунок 4. - Конструкция соединений типа СЗУК западного образца19
В связи с тем, что предприятия энергетической, нефтехимической отраслей промышленности остро нуждаются в бессварных герметичных соединениях для трубопроводов из коррозионностойких нержавеющих сталей, было решено разработать принципиальное новое исполнение соединений типа СЗУК, которое объединило бы лучшие стороны существующих конструкций отечественного и западных образцов с устранением их вышеописанных недостатков.
За основу была принята конструкция зарубежного образца, т.к. именно она сейчас имеет наибольшее применение в бессварных герметичных соединениях трубопроводов и трубных проводок. Эксплуатирующему персоналу, специалистам КИПиА уже знакомы подобные фитинги, поэтому все присоединительные размеры и материальное исполнение корпусных деталей целесообразнее оставить взаимозаменяемыми с соединениями западного образца для облегчения замены, монтажа и обслуживания оборудования на технологических объектах. При этом требования к механическим свойствам материалов для изготовления деталей соединений (таблица 2), а также правила приемки (герметичность соединений трубопроводов, герметичность соединений трубопроводов при многократной сборке и разборке, стойкость к воздействиям пульсации давления и вибрации) нового исполнения СЗУК соответствуют требованиям ГОСТ 15763-200520.
Таблица 2. - Механические свойства материала для изготовления деталей соединений20
Наименование деталей Rm, МПа Re, МПа А5, %
Корпусные детали 420 240 15
Накидные гайки 380 220 8
Упорные кольца 700 420 7
Зажимные кольца 340 - 31
Примечание. Яш - временное сопротивление разрыву; Яв - предел текучести; А5 - относительное удлинение.
Как было отмечено ранее, механические свойства материалов, приведенные в таблице 2, не позволяют использовать СЗУК для трубопроводов и трубных проводок из нержавеющих коррозионностойких сталей, т.к. твердость нержавеющих аустенитных сталей (12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т и т.п.) выше, чем у углеродистой стали 20, меди М3 или латуни Л63 (таблица 3).
Для поиска оптимальной конструкции соединения и материала упорного (заднего) кольца с целью применения нового исполнения на трубопроводах и трубных проводках, изготовленных из нержавеющих коррозионностойких сталей аустенитного типа, были проведены стендовые испытания различных конструктивов СЗУК.
17 Engineering report on ferrule design-suparcase® [Электронный ресурс]. - URL: https://www.parker.com/literature/Instrumentation%20Products%20Division/Suparcase/CPI%20Promo%20Bulletin%204230%20B1 5.1.pdf (дата обращения 29.01.2024).
18 Фитинги с торцевым уплотнением VCR® с металлической прокладкой. [Электронный ресурс]. - URL: https://www.swagelok.com/downloads/webcatalogs/ru/ms-01-24.pdf (дата обращения 29.01.2024).
19 Gaugeable Tube Fittings and Adapter Fittings [Электронный ресурс]. - URL: https://www.swagelok.com/-/media/distributor-media/c-g/calgary/services/pdf/ms-01-140.ashx (дата обращения 29.01.2024).
20 ГОСТ 15763-2005 Соединения трубопроводов резьбовые и фланцевые на PN (Ру) до 63 МПа (до около 630 кгс/см кв.). Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2008. - 35 с.
Таблица 3. - Показатели твердости некоторых марок материала
Марка материала Твердость, ИВ
12Х18Н10Т не более 179 ИВ21
10Х17Н13М2Т не более 200 ИВ22
Сталь 20 не более 163 ИВ23
Медь М3 не менее 95 ИВ24
Латунь Л63 не менее 130 ИВ25
Методика испытаний заключалась в следующем: на испытуемый образец и трубку (рисунок 5) подавалось пробное гидростатической давление, которое фиксировалось манометром, обеспечивающим регламентированные условия испытаний. Свободный конец трубки закрыли заглушкой. Рабочая среда (вода) поступала с постоянным давлением, выдержка образца при установившемся давлении производилась в течение не менее 5 (пяти) мин.
1 - испытуемый образец; 2 - трубка; 3 - заглушка
Рисунок 5. - Схема типовой установки для проведения стендовых испытаний на прочность гидростатическим давлением
По результатам экспериментальных исследований было установлено (таблицы 4, 5), что для обеспечения возможности применения СЗУК с нержавеющими трубками достаточно, чтобы твердость упорного (заднего) кольца была не менее 35 ИЯС, а механические свойства кольца при этом соответствовали характеристикам, указанным в таблице 2. Для аустенитных нержавеющих сталей (12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т и т.п.) таких показателей твердости и механических свойств в состоянии после проката или после термической обработки добиться невозможно [1; 2]. Поэтому по результатам экспериментальных исследований в качестве материала упорного (заднего) кольца решено использовать двухфазную дуплексную сталь, которая при высоких показателях механических свойств (см. таблицу 2) и твердости 35-45 ИЯС по коррозионной стойкости сопоставима со сталями аустенитного типа [3].
Таблица 4. - Результаты экспериментальных исследований гидростатической прочности конструкций СЗУК различного типа после однократного использования
Испытуемый образец Тип упорного (заднего) кольца Твердость кольца Пробное гидростатическое давление, МПа Результат испытаний
Соединение по ГОСТ 15763-2005 двухфазная дуплексная сталь 35-45 ИЯС 25,0 неудовлетворительно, пропуск рабочей среды
Соединение западного типа двухфазная дуплексная сталь 35-45 ИЯС 40,0 удовлетворительно, пропуск рабочей среды не выявлен
Соединение западного типа 316/316Ь с упрочнением до 1800 ИУ 40,0 удовлетворительно, пропуск рабочей среды не выявлен
Соединение западного типа 316/316Ь не более 22 ИЯС 40,0 удовлетворительно, пропуск рабочей среды не выявлен
Примечание. Рабочая среда - вода комнатной температуры, материал испытуемой трубки - 12Х18Н10Т.
21 ГОСТ 25054-81 Поковки из коррозионно-стойких сталей и сплавов. Общие технические условия. - М.: Гос. ком. СССР по стандартам, 1983. - 9 с.
22 ГОСТ 15763-2005 Соединения трубопроводов резьбовые и фланцевые на РЫ (Ру) до 63 МПа (до около 630 кгс/см кв.). Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2008. - 35 с.
23 ГОСТ 1050-2013 Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2014. - 31 с.
24 ГОСТ 1173-2006 Фольга, ленты, листы и плиты медные. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2007. - 22 с.
25 ГОСТ 2060-2006 Прутки латунные. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2007. - 27 с.
Таблица 5. - Результаты экспериментальных исследований гидростатической прочности конструкций СЗУК различного типа после многократной сборки и разборки (не менее 6 раз)_
Испытуемый образец Тип упорного (заднего) кольца Твердость кольца Пробное гидростатическое давление, МПа Результат испытаний
Соединение западного типа двухфазная дуплексная сталь 35-45 HRC 40,0 удовлетворительно, пропуск рабочей среды не выявлен
Соединение западного типа 316/316L с упрочнением до 1800 HV 40,0 удовлетворительно, пропуск рабочей среды не выявлен
Соединение западного типа 316/316L не более 22 HRC 40,0 неудовлетворительно, пропуск рабочей среды
Примечание. Рабочая среда - вода комнатной температуры, материал испытуемой трубки - 12Х18Н10Т.
Заключение. Экспериментальные исследования показали, что при однократном использовании СЗУК твердость и механические свойства упорного (заднего) кольца не оказывают существенного влияния на работоспособность и эксплуатационные свойства соединения западного образца с трубкой из нержавеющей коррозионностойкой стали. При многократной сборке и разборке СЗУК (не менее 6 раз) для обеспечения работоспособности и эксплуатационных свойств соединения можно применять кольца с твердостью не менее 35 HRC и механическими свойствами согласно ГОСТ 15763-2005.
Бессварные герметичные соединения типа СЗУК с кольцом из двухфазной дуплексной стали не требуют больших финансовых вложений в подготовку производства таких соединений (в отличие от фитингов западного образца) и могут применяться в энергетической и нефтехимической промышленности при контакте с агрессивными рабочими средами, где не допустимо использовать фитинги, изготовленные из углеродистых конструкционных сталей согласно ГОСТ 15763-2005.
ЛИТЕРАТУРА
1. Материаловедение и технология металлов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. - М.: Высш. шк., 2001. - 638 с.
2. Рыбасенко И.Д., Якубовский Л.А., Каган И.З. Технология изготовления химической аппаратуры из нержавеющей стали. - Киев: Гос. науч.-техн. изд-во машиностр. лит., 1951. - 147 с.
3. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. - М.: МИСИС, 1999. - 407 с.
REFERENCES
1. Fetisov, G.P., Karpman, M.G., Matyunin, V.M., Gavrilyuk, V.S., Sokolov, V.S., Sokolova, N.Kh., ... Gol'tsov, V.A. (2001). Materialovedenie i tekhnologiya metallov. Moscow: Vysshaya shkola. (In Russ.)
2. Rybasenko, I.D., Yakubovskii, L.A. & Kagan, I.Z. (1951). Tekhnologiya izgotovleniya khimicheskoi apparatury iz nerzhaveyushchei stali. Kyiv: Gosudarstvennoe nauchno-tekhnicheskoe izdatel'stvo mashinostroitel'noi literatury. (In Russ.)
3. Gol'dshtein, M.I., Grachev, S.V. & Veksler, Yu.G. (1999). Spetsial'nye stali. Moscow: MISIS. (In Russ.)
Поступила 12.03.2024
NON-WELDED SEALED FITTINGS FOR SMALL DIAMETER PIPELINES
AND TUBING
N. POPOK
(Euphrosyne Polotskaya State University of Polotsk) A. BALYSH (Point LLC, Polotsk)
An analysis of domestic and foreign designs of non-welded sealed fittings for small diameter pipelines and tubing is carried out, the grades of materials used are considered, the designs of fittings with clamping and thrust rings and fittings with a cutting ring are presented. The advantages and disadvantages of existing structures are analyzed, the possibility of using non-welded sealed fittings on pipelines transporting aggressive media that cause corrosive destruction of metal is considered. A new design of the fittings with clamping and thrust rings using rings made of two-phase duplex steel is proposed. The results of the hydrostatic strength of the structures under consideration after single and multiple assembly and disassembly of fittings on a pipeline made of stainless, corrosion-resistant steel of the austenitic type are given. An economic assessment of the feasibility of mass production of new fittings has been carried out.
Keywords: pipelines, non-welded fittings, clamping and thrust rings, duplex steel.
