Способ и устройство для холодного присоединения фланцев и других соединительных элементов к трубам

009419 Настоящее изобретение относится к способу и устройству для присоединения соединительного элемента, например соединительного фланца, к трубе, причем соединительный элемент окружает трубу и имеет канавки, обращенные к трубе и предназначенные для размещения соответствующего множества буртиков, выполненных на трубе, и соединительному элементу, присоединяемому к трубе, причем соединительный элемент окружает трубу и имеет канавки, обращенные к трубе для приема соответствующего множества буртиков, оборудованных на трубе, как определено в преамбуле пп.1, 2 и 5. Фланцы многих типов и разновидностей широко используются в промышленности, когда необходимо выполнить соединение трубы с трубой или трубы с другим элементом. Приваривание фланцев к трубам является самым распространенным способом в случае стальных труб и стандартных свариваемых металлов, в то же время, например, для оцинкованных труб используются навинчивающиеся фланцы. За последние годы был разработан ряд способов для крепления соединительных элементов и соединения труб путем деформации трубы внутри соединения, с тем чтобы закрепить ее. Также были разработаны другие способы и оборудование, которые фиксируют соединение к внешней поверхности трубы с небольшой деформацией или без нее. Примеры таких способов приведены в US 4593448 и US 4147385. ВDE 2724257 и US 2252274 описаны инструменты с роликами, которые при помощи вращающегося конуса в центре с роликами вокруг него деформируют трубу так, что она попадает в канавки соединительных элементов. DE 3144385 раскрывает соединительную систему для труб, в которой радиально подвижные гребни, при помощи гидравлического давления на лежащие в основе поршни, выпрессовывают буртики. Однако, как описано ниже, стенка трубы между буртиками будет изгибаться внутрь, и, когда гребни инструмента отводятся, буртик в трубе также будет слега отводиться, что делает соединение слабым. Дополнительно, между трубой и соединительным элементом будет соединение типа металл-металл, и поэтому в системе, описанной в вышеуказанном документе, требуется герметизирующий материал в канавках соединительного элемента. Однако при помощи радиальных поршней, как описано в DE 3144385, невозможно получить особенно большое радиальное усилие, и этот принцип, возможно, может быть использован для труб с очень тонкими стенками. Для деформации стенки трубы в канавки окружающего соединительного элемента требуется очень большое усилие, если стенку трубы необходимо прижать радиально наружу. Использование роликов, как описано в DE 2724257 и US 2252274, означает, что требуется меньше радиального усилия, но, с другой стороны, инструмент должен быть прикреплен к трубе и поэтому будет большим и тяжелым. Прокатка подвергает материал более жесткой обработке и занимает больше времени, чем радиальное прессование. Задачей настоящего изобретения является обеспечение присоединения фланцев или других соединительных элементов к трубам, при котором устройство работает только в радиальном направлении, так что фиксация трубы не является необходимой. Более того, задачей изобретения является создание инструмента, который даже при соединении с трубами небольшого размера обладает достаточной силой для деформации буртиков в довольно толстых стенках труб. Также задачей изобретения является то, что инструмент должен функционировать так, что можно избежать прогиба внутрь конца трубы, что оказалось проблемой при радиальном прессовании буртиков. Новые и отличительные особенности способа присоединения соединительного элемента к трубе следуют из п.1 прилагаемой формулы. Новые и отличительные особенности инструмента для присоединения соединительного элемента к трубе следуют из п.2 прилагаемой формулы, и дополнительные варианты инструмента следуют из зависимых пп.3 и 4. Новые и отличительные особенности соединительного элемента следуют из п.5 прилагаемой формулы, и дополнительные его особенности следуют из зависимого п.6. Теперь изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи. На фиг. 1 а изображен вид сбоку трубы и соединения. На фиг. 1b изображено сечение А-А на фиг. 1 а без буртиков, выполненных на трубе. На фиг. 1 с изображен увеличенный вид области В на фиг. 1b. На фиг. 1d изображено сечение А-А на фиг. 1 а с буртиками, выполненными на трубе. На фиг. 2 а изображен соединительный элемент со вставленной трубой. На фиг. 2b изображено сечение А-А на фиг. 3b. На фиг. 3 а изображен вид сбоку на сборку трубы, соединительного элемента и вставленного устройства на первом этапе работы до операции соединения. На фиг. 3b изображено сечение А-А на фиг. 3 а. На фиг. 3 с изображен вид сбоку сборки, показанной на фиг. 3 а, на втором этапе работы устройства после выполнения им соединения между трубой и соединительным элементом. На фиг. 3d изображено сечение В-В на фиг. 3 с. На фиг. 4 а изображен вид сбоку устройства, и на фиг. 4b изображено сечение А-А на фиг. 4 а. На фиг. 5 а и 5b изображен вид в перспективе устройства со средством воздействия на инструмент под разными углами. На фиг. 6 изображен вид сбоку устройства со средством воздействия на инструмент. На фиг. 7 а изображен вид сбоку устройства с гидравлическим усилителем воздействия, и на фиг. 7b-1 009419 изображено устройство по фиг. 7 а. На фиг. 8 а изображен вид сбоку трубы с вариантом выполнения соединительного элемента, и на фиг. 8b изображено сечение А-А этого варианта на фиг. 8 а. На фиг. 9 изображен промежуточный этап соединения трубы с соединительным элементом. На фиг. 1 а-1 с изображены труба 1 и соединительный элемент 2 до выполнения буртиков 5, 6. На фиг. 1d изображены те же элементы после того, как буртики 5, 6, выполненные на трубе 1, были вдавлены в канавки 3, 4, соответственно, на соединительном элементе 2. На фиг. 2 а и 2b изображен соединительный элемент 2, размещенный на трубе 1, где буртики 5, 6 впрессованы на место в канавки 3 и 4 в соединительном элементе 2, а соединительный элемент имеет фланец 2 для соединения с другим соединительным элементом (не показано). На фиг. 8 а и 8b изображен соединительный элемент с фланцами 30', 30, способными наклоняться относительно основания 30 соединительного элемента посредством свободного перемещения по его внешней поверхности. Конструкция устройства показана на фиг. 4-6, в т.ч. на фиг. 5-6 с разными вариантами выполнения средства воздействия на инструмент в положениях его взаимодействия с инструментом для диаметрального расширения инструмента и выполнения буртиков в стенке трубы. В ходе разработки устройства в соответствии с изобретением, которое содержит как внутреннюю конфигурацию внешнего соединительного элемента 2, 2, так и инструмент с сегментами 10, который формирует буртики 5, 6, было обнаружено, что наиболее критичным параметром для оптимального присоединения соединительного элемента 2, 2 к трубе является конфигурация гребней 11, 11' инструмента,которые выпрессовывают буртики 5, 6 из трубы, а также выступа 14 инструмента, который предназначен для предотвращения внутреннего прогиба конца трубы 1 в течение операции прессования. На фиг. 1a-1d показано, что самый внешний участок 2' соединительного элемента 2, на который опирается конец 1' трубы, расширяется наружу. Это сделано для того, чтобы устройство обеспечивало концу трубы допуск на внешний перегиб, который является необходимым, так как конец трубы, как уже было сказано, будет так или иначе стремиться к изгибу внутрь трубы. Таким образом, труба 1 будет, по существу, прямой после выпрессовывания буртиков 5, 6, что также можно видеть в сечении, показанном на фиг. 1d. Та же основная внутренняя конфигурация соединительного элемента будет применена к соединительному элементу или манжете, предназначенной для соединенных нежестко, подвижных фланцевых частей 30', 30, как показано на фиг. 8, и других типов, которые могут подходить для подобного способа крепления. Следует отметить, что цилиндрическая часть соединительного элемента 2, 2, как показано на фиг. 1,2 и 3, может преимущественно быть довольно тонкостенной. До определенной степени, стенка тогда будет упругой и слегка податливой в ходе операции прессования, и это будет означать, что после этого она находится под внутренним напряжением и таким образом обеспечивает дополнительное давление в соединении, где труба 1 находится под напряжением наружу. Проведенные лабораторные исследования показали, что между канавками 3, 4 и буртиками 5, 6 достигается механически качественное уплотнение. Тем не менее, можно ввести герметизирующий материал в одну или более канавок. Со ссылкой на фиг. 3d, 4 а и 4b принцип устройства основан на множестве сегментов 10, каждый из которых имеет гребни 11, 11' в форме сектора круга, предназначенные для прижатия к внутренней поверхности стенки трубы и таким образом формирования буртиков 5, 6. В конце операции прессования цилиндрические участки 13 каждого из сегментов, образующих цилиндрическую сборку сегментов,прижимаются к внутренней поверхности трубы на ее участках, расположенных сбоку от буртиков 5, 6,для предотвращения прогиба этих участков внутрь трубы. Такой процесс показан на фиг. 3a-3d, а также на фиг. 9. На фиг. 3 а и 3b изображены труба 1 и соединение 2 до операции прессования, и на фиг. 9 изображен увеличенный вид промежуточного этапа в ходе прессования, на котором можно увидеть вогнутые внутрь участки 1 трубы, смежные с буртиками 5, 6. На фиг. 3d видно, что цилиндрические участки 13 сегментов 10 прижимают вогнутые внутрь участки 1 трубы 1 обратно к соединительному элементу 2,так что они находятся, по существу, вровень с внутренней стенкой трубы и ее диаметром. Это последующее прессование оказывает мощный эффект воздействия радиального напряжения в трубе, которое увеличивает контактное давление между трубой 1 и соединительным элементом 2, в точках уплотнения между буртиками 5, 6 и канавками 3, 4, и предотвращает изгиб вовнутрь участков стенки трубы, расположенных между буртиками трубы 1, как указано выше, со ссылкой на плоские гребни, как описано ранее, например, в DE 3144385. Выступ 14 расположен в самой внутренней части на сегментах 10, т.е. ближе к фланцу 21 устройства, вышеуказанный выступ 14 предназначен для оказания давления на конец 1', 1 трубы, что показано также на фиг. 9. На соответствующем участке соединительного элемента 2 выполнено углубление 15, которое может иметь форму скошенного края или выреза. Этот вырез 15 может,для некоторых целей, быть частично заполнен герметизирующим материалом, или в нем может быть размещено уплотнительное кольцо. Оказалось, что такая особая конструкция инструмента и соединительного элемента необходимы для предотвращения сужения или прогиба трубы внутрь, как сказано выше. Сегменты 10 и в особенности их гребни 11, 11' подвержены чрезвычайно большим напряжениям в течение операции прессования и поэтому изготовлены из закаленной стали. Следовательно, для привода-2 009419 сегментов 10 требуются также большие радиальные усилия. В качестве примера для прессования соединения между соединительным элементом 2 и стальной трубой 1 с внешним диаметром 76 мм и толщиной стенки 3,2 мм, как показано на фиг. 1d, 2 а и 2b, при помощи восьми сегментов 10 будет требоваться радиальное усилие на каждый сегмент около 200 кН, в общем, требуемое усилие составляет около 1600 кН. Это очень большие усилия внутри очень узкого пространства, и в устройстве согласно изобретению поэтому используется силовой привод, расположенный снаружи трубы 1, совмещенный с расположенным внутри трубы средством воздействия на инструмент. На фиг. 5 а и 5b показано устройство с конусом 20, выполняющим роль средства воздействия на инструмент и сегментами 10 в раздвинутом положении, на фиг. 6 показано в исходном положении то же устройство с многоугольной пирамидой 20', действующей в качестве средства воздействия на инструмент. На фиг. 7 а и 7b показано устройство с гидравлически приводимыми сегментами 22. Сегмент 22 показан отдельно, и можно увидеть, что сегмент 22 прикреплен к поршню 27, который может перемещаться в соответствующем цилиндре 28 в корпусе 24, который заполнен маслом. Сегменты 22 имеют гребни 23 в форме сектора круга для создания буртиков. В показанном инструменте в общей сумме восемь поршней 27 и восемь цилиндров 28. Когда стержень 25 вдавливается в корпус, масло в корпусе 24 будет вытеснять поршни 27 наружу. Чем больше диаметр поршня 27 относительно диаметра стержня 25, тем больше усиление воздействия. Ссылочный номер 21 обозначает соединительный фланец инструмента,имеющий множество соединительных отверстий 26. При холодном присоединении соединительного элемента 2 к трубе 1 таким способом, который подразумевает, например, не сварку, обеспечивается, что материал соединения не приобретает измененную структуру поверхности. Поэтому изобретение подходит для соединений, таких как показано на фиг. 8 а и 8b, на которых соединительный элемент имеет основание 30 с внешней сферической поверхностью, которое следует прикрепить к трубе 1. Фланец состоит из двух частей 30', 30, которые могут быть присоединены друг к другу путем завинчивающего действия. Эти две фланцевые части 30', 30 расположены на каждой стороне соединительного элемента и обращены друг к другу. Фланцевые части 30', 30 могут устанавливаться под углом, который может изменяться относительно оси трубы. Фланцевые части 30' ,30 при этом способны свободно перемещаться, даже после свинчивания частей 30', 30 друг с другом или могут быть заблокированы относительно основания 30 соединительного элемента, когда фланцевые части 30', 30 будут соединены с другим фланцем (не показан). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ присоединения соединительного элемента, например соединительного фланца, к трубе,причем соединительный элемент (2) охватывает трубу (1) после установки на нее и имеет канавки (3, 4),обращенные к трубе (1) и предназначенные для размещения соответствующего множества кольцевых буртиков (5, 6), выполняемых на трубе (1), характеризующийся тем, что включает установку соединительного элемента (2) на концевом участке трубы (1),первое радиально направленное прессовочное действие на внутреннюю стенку трубы (1) на ее участках, соответствующих расположению канавок (3, 4) на охватывающем трубу (1) соединительном элементе (2), предназначенное для деформации трубы (1) на этих участках, и выполнения буртиков (5, 6), и выдавливания буртиков (5, 6) в канавки (3, 4),второе радиально направленное прессовочное действие на внутреннюю стенку трубы (1) на ее вогнутых внутрь участках (1), которые образуются между смежно выполненными буртиками (5, 6) и около них в течение первого прессовочного действия, таким образом обеспечивая последующее прессование этих участков (1) в направлении наружу и напряженное состояние в трубе (1) в местах ее контакта с соединительным элементом (2). 2. Устройство для присоединения соединительного элемента, например соединительного фланца, к трубе, причем соединительный элемент (2) охватывает трубу (1) после установки на нее и имеет канавки(3, 4), обращенные к трубе (1) и предназначенные для размещения соответствующего множества кольцевых буртиков (5, 6), выполняемых на трубе (1), характеризующееся тем, что имеет инструмент, содержащий множество разделенных вдоль его оси радиально подвижных сегментов (10), и средство воздействия на инструмент, предназначенное для радиального перемещения сегментов (10),каждый сегмент (10, 22) снабжен соответствующим числу буртиков (5, 6) множеством гребней (11,11', 23) в форме сектора круга, образующих в инструменте окружности гребней (11, 11', 23), способных деформировать стенку трубы (1) при помощи первого прессовочного воздействия на нее для создания снаружи трубы (1) в ее стенке кольцевых буртиков (5, 6), проходящих в соответствующие кольцевые канавки (3, 4) в соединительном элементе (2),сегменты (10, 22) имеют проходящие по окружности инструмента цилиндрические участки (13),расположенные рядом с гребнями (11, 11', 23) и между ними, при этом участки (13) сегментов (10) посредством второго прессовочного действия обеспечивают последующее прессование вогнутых внутрь участков (1), которые образуются в стенке трубы (1) между буртиками (5, 6) и рядом с ними в ходе пер-3 009419 вого прессовочного воздействия, так что этим последующим прессованием достигается напряженное состояние в трубе (1) в местах ее контакта с соединительным элементом (2). 3. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что каждый из сегментов (10) на участке, обращенном после установки инструмента в трубе (1) к концу (1', 1) трубы (1), снабжен выступом (14), имеющим такую конфигурацию, чтобы прижимать конец (1', 1) трубы (1) к соединительному элементу (2) в радиальном направлении дальше, чем диаметр трубы. 4. Устройство по п.2 или 3, характеризующееся тем, что внутреннее пространство инструмента, образованное сегментами (10), имеет коническую форму или формы многогранной пирамиды,средство воздействия на инструмент представляет собой конус (20) или многогранную пирамиду(20'), предназначенную для размещения внутри инструмента коаксиально сегментам (10) и перемещения этих сегментов радиально наружу при движении указанного конуса (20) или пирамиды (20') сужающейся частью внутрь инструмента. 5. Соединительный элемент для соединения с трубой, предназначенной для использования с устройством по пп.2-4, который выполнен такой конфигурации, чтобы охватывать трубу (1) после установки на нее, и имеет кольцевые канавки (3, 4), обращенные к трубе (1) и служащие для размещения соответствующего множества кольцевых буртиков (5, 6), выполняемых на трубе, характеризующийся тем,что он на своем переднем участке (1'), охватывающем трубу (1), имеет коническое углубление, расширяющееся наружу, которое предназначено для размещения конца (1', 1) трубы (1) при оказании на него прессовочного действия. 6. Соединительный элемент по п.5, характеризующийся тем, что он состоит из основания (30), охватывающего трубу (1) после установки на нее, внешняя сторона которого имеет сферическую форму, и двух фланцевых частей (30', 30), подвижно установленных на внешней стороне основания (30) таким образом, что продольная ось фланцевых частей (30', 30) способна изменять угол наклона по отношению к оси трубы (1).