WO2023096528A1 - Шарнирное соединение для трубопроводов - Google Patents

Шарнирное соединение для трубопроводов Download PDF

Info

Publication number
WO2023096528A1
WO2023096528A1 PCT/RU2022/000329 RU2022000329W WO2023096528A1 WO 2023096528 A1 WO2023096528 A1 WO 2023096528A1 RU 2022000329 W RU2022000329 W RU 2022000329W WO 2023096528 A1 WO2023096528 A1 WO 2023096528A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hinge
stator
rotor
swivel joint
loading
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/000329
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Валерий Викторович ВАКУЛОВ
Original Assignee
Валерий Викторович ВАКУЛОВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2021134163A external-priority patent/RU2777679C1/ru
Application filed by Валерий Викторович ВАКУЛОВ filed Critical Валерий Викторович ВАКУЛОВ
Publication of WO2023096528A1 publication Critical patent/WO2023096528A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C11/00—Pivots; Pivotal connections
    • F16C11/04—Pivotal connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L27/00—Adjustable joints, Joints allowing movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L27/00—Adjustable joints, Joints allowing movement
    • F16L27/02—Universal joints, i.e. with mechanical connection allowing angular movement or adjustment of the axes of the parts in any direction

Definitions

  • This technical solution relates to the field of pipeline transportation of oil, petroleum products, liquid chemical products, liquefied natural gas (LNG), gas condensate and other liquid, gaseous (including boil-off gas) and fluid products (hereinafter referred to as the transported product) as part of standers, loading, loading, reloading hoses, articulated pipelines and manipulators, loading arms for use at oil, chemical, gas terminals of sea and river ports, at sea between boats, and is also used in installations for draining and loading railway tanks and tank cars, hose installations loading, bunkering installations for refueling sea and river vessels, in space rocket refueling installations, fire hoses, as well as in installations for the shipment of food fluid products and connectors.
  • LNG liquefied natural gas
  • a hinge is a sealed hollow assembly that provides a movable connection of two pipes of a product pipeline (pipeline) with rotation around its axis (standard, STO Gazprom 2-3.4-1255-2021 "Infrastructure for the production, storage and shipment of liquefied natural gas . Stender Equipment. General Specifications.”).
  • a stander is known (patent SU619385A1 dated 10/13/1975, class IPC B63B 27/24), containing a riser, an arrow connected to the riser by a hinge and consisting of two converging pipes and an upper tubular belt, jointly forming a pyramidal truss, while the pipes and belt are connected spacers.
  • the stander contains a jib, a connecting device with a branch pipe, a shank with counterweights and a cable-block drive.
  • the advantages of the proposed design of the stander is an improved design, consisting of two converging pipes and an upper tubular belt, which together form a pyramidal truss, i.e.
  • the disadvantage of this stander is the installation of at least two additional hinges on the second pipe (shoulder) of the boom, the additional weight of the second pipe and counterweight, the assembly of the hinged transition from the support to the two boom pipes, which is difficult to manufacture, which increases the total weight of the equipment, its cost and labor intensity in production. .
  • the characteristics, technology and design of the hinges in this invention of the stander are not considered.
  • a hinged device is known, considered in the drive for turning articulated pipelines (patent RU160741U1 dated 09/17/2015, class IPC F16L 27/02), containing a pair of movably articulated pipes and an engine, while a worm gear is added to the drive, and the worm connected to the engine , is fixed on one pipe, and the worm wheel is fixed on the other pipe of the pair.
  • a sensor has been added to the drive for turning articulated pipelines to control the mutual angular position of the pipes.
  • the rotation of articulated pipelines is provided by a single-row bearing placed between two pipeline flanges.
  • a bearing or slewing bearings of this type are a separate key element in the drive for turning articulated pipelines.
  • the disadvantage of this solution is the large dimensions and weight of the swivel device with a bearing, as well as the presence of one row of rolling balls in the bearing, which makes this device applicable in small loading and unloading devices with small axial and radial loads.
  • the hinge device is not applicable in standers and other similar installations, since it does not meet the requirements of current standards, and is also not applicable for LNG shipment, since there is no provision for lubrication of the hinge bearing, which is necessary at cryogenic temperatures.
  • the disadvantage of the presented equipment is that the equipment components, including swivel joints, are additionally reinforced by supporting structures.
  • This indicates that the hinges in the above inventions are not designed to hold massive pipelines and booms, which requires the installation of an additional retaining frame, bearings and slewing devices, which leads to a greater increase in the weight of the equipment.
  • the lack of opportunities to replace all seals or the hinge itself in the event of depressurization, deformation or wear of the ball raceways in the hinge leads to lengthy, complex and expensive operations for disassembling the entire equipment.
  • the characteristics, technology and design of the hinges in these inventions are not considered.
  • the stator is permanently fixed on the pipeline, the rotor is bolted to the flange.
  • a seal 44 is installed between the stator and the flange and a retaining ring 46 is installed.
  • the design of the hinge 52 is distinguished by the absence of a seal 44 and a retaining ring 46 (not shown in Fig. 5 of this patent) due to the absence of a fluid product in this part of the assembly - the hinge performs only a bearing function.
  • the male connector (acts as a stator) and the female connector (acts as a rotor) of the bearing device have a central axis and a plurality of annular grooves located one above the other in the corresponding plane and forming a ball raceway, each of the grooves has an essentially arcuate cross section, wherein each outer groove in the female connector has a straight segment and an offset radius, and the groove in the male connector is formed with substantially the same radius as a ball bearing.
  • Each subsequent groove and, accordingly, the ball raceway has a radius greater than the radius of the previous groove, so the ball raceways are arranged in steps relative to each previous raceway.
  • the o-ring has an outer sealing surface received by the seal opening so that it seals against the inner peripheral surfaces of the inner portions of the male and female connectors, and has an inner surface substantially flush with the fluid flow path.
  • This solution allows, due to the stepped arrangement of the tracks, to more evenly distribute the load on the entire set of tracks, and the shape of the grooves of the track allows you to get a large contact area between each ball and the raceway, thereby reducing the load concentration.
  • This solution reduces the likelihood of dents or deformations on the surface of the ball raceways, and the tightness of the improved seal used is less affected by the formation of dents and deformations from the effects of loads.
  • the specified technical solution of the hinge is taken as a prototype.
  • the disadvantage of the above solution is that the many tracks and their stepped arrangement leads to an increase in the dimensions and weight of the device.
  • the arcuate cross-section of the groove shape ensures that the ball contacts each groove at one point, that is, two points of contact between the ball and the raceway, which take on the load, while the increased contact area leads to excessive friction of the ball on the raceway, which leads to wear with subsequent loss of tightness of the device seal.
  • the flow of a fluid product with possible abrasive content significantly affects the seal located flush with the fluid flow channel, raising seal, thereby reducing tightness and its service life. Vacuum in the piping can cause leaks in seals that are flush with the fluid flow path.
  • the hinge must have a large bearing capacity - this determines the dimensions, weight, labor intensity in production and the cost of equipment, of which the hinge is a part.
  • the hinge must have the ability to replace seals, as well as the ability to replace the hinge itself, including its rotor and stator, without removing the boom and dismantling the equipment for loading and unloading the transported product.
  • the hinge must provide tightness at a given pressure and cryogenic temperatures of the transported product.
  • the hinge should be easy to manufacture and assemble the equipment in which it is located.
  • the objective of the proposed technical solution is to develop a new swivel cassette-type pipelines for use in the design of standers, loading, loading, reloading sleeves (levers), articulated pipelines and manipulators and other loading and unloading installations for the shipment of oil, oil products, liquid chemical products, liquefied natural gas (LNG), gas condensate and other liquid and gaseous (including boil-off gas) products with a high bearing capacity, including the ability to withstand large axial and radial loads, to ensure tightness at a given pressure and cryogenic temperatures of the transported product.
  • LNG liquefied natural gas
  • gas condensate and other liquid and gaseous (including boil-off gas) products with a high bearing capacity, including the ability to withstand large axial and radial loads, to ensure tightness at a given pressure and cryogenic temperatures of the transported product.
  • the design of the hinge should provide the possibility of dismantling and replacing seals and the ability to dismantle and replace the rotor and stator of the hinge (cassette principle) without dismantling the equipment of which the hinge is a part, and also reduce labor intensity, metal consumption and cost in the production of the above equipment.
  • the swivel joint of pipelines containing a hinge having two structural flanges and two housings, each of which is made with at least two parallel ball raceways, while one of the housings acts as a stator, the other as a rotor, where the ball raceway is made in "V"- in the shape of an arch type, while in the stator and rotor housing there is a channel for supplying inert gas to the hinge cavity, and the seals themselves on the side of the transported product are located inside the hinge behind the lug-gate, and the hinge itself has an inspection hole.
  • the specified technical solution provides a large bearing capacity of the hinge, including one capable of withstanding large axial and radial loads, as well as the tightness of the hinge at a given pressure and temperature (including cryogenic) of the transported product, which ensures the use of the hinge in the designs of loaders, loading, loading, reloading arms (arms), articulated pipelines and manipulators and other loading and unloading installations for the shipment of oil, oil products, liquid chemicals, liquefied natural gas (LNG), gas condensate and other liquid, gaseous (including boil-off gas) and fluid products.
  • LNG liquefied natural gas
  • a technical solution is possible, where the ball has four points of contact with the “Y”-shaped arch-type raceway, that is, two points of contact per groove of the rotor and stator.
  • the specified technical solution provides a large bearing capacity of the hinge, the ball with a “Y”-shaped arch-type raceway is always in a state of load at all four points of contact, the load and, accordingly, the reaction is evenly distributed over the points of contact of the ball with the track, the total area is larger contact, due to which the hinge has a large bearing capacity, that is, it is able to withstand large axial and radial loads.
  • a technical solution is possible, where the rotor and stator assembly are bolted between two structural flanges and form a cassette-type hinge.
  • the specified technical solution provides the possibility of dismantling and replacing seals, as well as the ability to dismantle and replace the rotor and stator of the hinge (cassette principle), without disassembling the equipment, of which the hinge is a part, and also reduces labor intensity, metal consumption and cost in the production of the above equipment for product transportation.
  • a technical solution is possible, where structural flanges can be used with or without a welding collar for pipelines.
  • the specified technical solution provides a reduction in labor intensity, metal consumption and cost in the production of new equipment, of which the hinge is a part, and its subsequent maintenance.
  • the material of the flanges can be similar to the material of the pipeline, which simplifies the welding technology in the production of equipment.
  • the use of structural hinge flanges without a welding collar allows the repair of old standers and other equipment, where there are already two standard flanges, the cassette hinge assembly with structural flanges is installed between two old standard flanges and bolted together, thereby increasing the bearing capacity and extending the service life equipment.
  • inert gas is fed into the channel through a fitting located on the stator, then through the channel inside the stator it is supplied to the hinge cavity in three places: the seal area on the side of the transported product, the ball raceway area and the flange seal area and is removed from the hinge cavity through the channel and fitting located on the rotor.
  • the specified technical solution ensures the use of the hinge with explosive transported products, including cryogenic temperatures (CNG), as well as the operation of the hinge at low arctic ambient temperatures.
  • CNG cryogenic temperatures
  • a technical solution is possible, where the inner cavity of the hinge is divided into at least two zones by sealing rings.
  • the specified technical solution ensures the division of the inner cavity of the hinge according to its purpose, which leads to the correct operation of the seals installed on the side of the transported product, and the absence of lubrication from the area of the ball raceways in this zone and forms a leakage detection inspection zone.
  • a technical solution is possible, where a leak detection sensor can be installed in the inspection hole.
  • the specified technical solution provides not only visual detection of the initial stage of hinge leakage during the next technical inspection of equipment, which requires hazardous high-altitude work using special equipment and lifting equipment, but also allows real-time information from the leak sensor on the state of the hinge, which increases the safety of equipment operating at hazardous production facilities, which includes hinges.
  • a technical solution is possible, where the transported product is: oil, oil products, liquid chemical products, liquefied natural gas (LNG), gas condensate and other liquid, gaseous (including boil-off gas) and fluid products.
  • LNG liquefied natural gas
  • gas condensate and other liquid, gaseous (including boil-off gas) and fluid products.
  • FIG. 1 shows a general view of the swivel assembly
  • FIG. 2 shows a section of the swivel joint
  • FIG. 3 shows a section of an LNG swivel joint (for liquid or gaseous products at cryogenic temperatures
  • FIG. 4 shows a schematic section with parallel "V"-shaped arch-type raceways
  • FIG. 5 shows diagrams of reactions from the action of an external radial force or an external axial force on a ball in a “V”-shaped arch-type raceway
  • Pos. 11 - a sealant that prevents the penetration of external moisture and dirt
  • Pos. 26 through channel for transporting the product, communicating with pipelines;
  • the stander (other names found in the literature: sea / river loader, loading, loading arm (lever), marine loading arms, MLA) is an articulated metal pipeline with the components necessary for its operation, which provides compensation for vessel vibrations caused by tidal characteristics of the water area, wind and wave loads, changes in the ship's draft during loading and unloading operations, as well as designed for loading and unloading oil and oil products, liquid chemicals, liquefied natural gases (LNG), oils into the ship - tanker and / or removal of steam-air mixtures during loading and unloading operations.
  • sea / river loader loading, loading arm (lever), marine loading arms, MLA
  • LNG liquefied natural gases
  • a hinge (swivel) is implemented, which has small dimensions of the working length in the axis, which provides a smaller lever on the boom and, consequently, a smaller effect of the radial force.
  • the hinge has two structural flanges with a collar for welding to the pipeline, which provides an easy way to mount the hinge, both during production and during operation on the stander.
  • the material of the flanges can be similar to the material of the pipeline, which simplifies the welding technology in production.
  • FIG. 2 and 3 show a cassette-type hinge.
  • the hinge has installed sealing rings (9) dividing the hinge into separate zones. O-rings prevent lubricant from entering the area of the ball raceways into the joint leakage inspection area, as well as the pumped product or the environment (water, ice, dirt) into the area of the ball raceways.
  • the hinge has an inspection hole (13) for leakage with a plug. If necessary, the plug can be replaced with a leak sensor of the transported product;
  • the hinge has a primary (6) and a secondary (7) seal on the side of contact with the transported product with an anti-extrusion ring (8) installed between them (hereinafter referred to as seals on the side of the transported product), which ensures sliding between the rotor and the stator and the correct fit of the seals without distortions.
  • the primary seal is the main seal that comes into contact with the transported product flowing inside the pipeline and the hinge, and ensures the tightness of the hinge at the given pressure parameters.
  • the secondary seal acts as an auxiliary seal in case of leakage of the first seal, and also prevents the ingress of the external environment and lubricant from the area of the raceways to the primary seal.
  • the material, type and shape of the primary and secondary seals are selected individually depending on the transported product, pressure and operating temperature.
  • the installation location of the seals parallel to the hinge axis, as shown in figure 2, combined - perpendicular and parallel, as shown in figure 3, or perpendicular to the hinge axis is selected individually depending on the acting loads on the hinge (axial and / or radial), product being transported, flow rate, pressure/vacuum, operating temperatures, as well as ease of installation and maintenance at the installation site. In this case, it is possible to use only the primary seal, which is also selected individually.
  • the shape of the anti-extrusion ring is chosen in accordance with the seals used and the purpose of the ring.
  • the rotor and stator of the hinge have special lodgements for installing seals according to their shape and operating conditions.
  • the hinge stator has a special protrusion-shutter (18), which is adjacent to the hinge flange with a small gap, thereby protecting the seal from damage by possible abrasive, hard particles inside the flow, the influence of the flow velocity itself on the seal and directs the fluid product into the gap, thereby distributing pressure directly on the seal, which ensures the correct operation of the seal.
  • the protrusion-shutter (18) prevents the seals from leaving their cradles and the hinge does not lose its tightness.
  • the hinge has plug fittings with lubricators (12) corresponding to the number of ball raceways. Dismantling and installation of rolling balls in the joint is carried out through the holes on which the plugs (12) are installed. Disassembly of the hinge (disconnection of the rotor from the stator) is carried out after removing all the balls from the raceways, respectively, the process of assembling the hinge is carried out with the initial installation of the balls through the holes (12) followed by the installation of plug fittings. Lubricants are used to add lubricant to the ball raceway.
  • the hinge used with liquid or gaseous products (Fig. 3) having cryogenic temperatures (liquefied natural gas - LNG) has a special channel (15) for supplying gaseous nitrogen - N2 or other inert gas under pressure into the cavity (22) of the ball raceways, and also into the cavity (22) of the zone of the primary (6), secondary (7) seals and the ring (8).
  • the nitrogen supply channel can enter the area of the seals (10 and 17) of the stator and the stator flange (4), as shown in Fig.3.
  • Nitrogen - N2 is supplied through the fitting on the stator (14), passes through the channel (15), enters the cavity of the raceway zone (5) and the cavity of the seal zone (6, 7 and ring 8) and the seal zone (10 and 17). Passing through the cavities of these zones, nitrogen enters the channel and fitting (16) for the exit of nitrogen - N2 on the rotor.
  • Material, design, shape, type, number of seals (6, 7 and ring 8), as well as seals (9, 10, 17) for hinges and flanges operating at cryogenic temperatures, are selected individually in accordance with the temperature of the transported product, ambient temperature environment, pressure, flow rate, characteristics of the seals themselves.
  • Flanges (3, 4), rotor (1) and stator (2) for joints operating at cryogenic temperatures are made of stainless steels, the choice of grade of which is determined each time individually and is due to the ability to withstand heavy loads at cryogenic temperatures without embrittlement of the material, and also positive temperatures.
  • the hinge has at least two parallel "V"-shaped arch-type raceways (Fig. 4).
  • Each raceway is formed by two grooves of rolling balls of the arch type of the same shape located in the same plane opposite each other.
  • One groove is on the rotor, the other on the stator.
  • the ball (20) has four points of contact (21) with the raceway, that is, two points of contact with the rotor groove and two points of contact with the stator groove.
  • the ball in the raceway is constantly loaded at all four points of contact, due to which the hinge has a large bearing capacity, as shown in the diagram of reactions from the action of an external radial force or an external axial force on the ball in the “V”-shaped track rolling arch type (Fig. 5).
  • the formulas for the reaction from the action of a radial or axial force on a ball are given below:
  • the hinge can be used in self-supporting structures of a stander or other similar overall equipment, which will significantly reduce the weight of all equipment, labor intensity and cost of equipment during production and subsequent maintenance.
  • the equipment can be used on lightweight berthing structures or on watercraft.
  • the hinge can be made not only from structural alloy steels subjected to heat treatment in order to increase the hardness of the raceway, but also with softer steels, for example, with stainless steels used for chemical, food or products at cryogenic temperatures.
  • the claimed technical solution provides for the use of a swivel joint in the design of loaders, loading, loading, reloading sleeves (levers), articulated pipelines and manipulators and other loading and unloading installations for the shipment of oil, oil products, liquid chemical products, liquefied natural gas (LNG), gas condensate and other liquid and gaseous (including boil-off gas) products, has increased bearing capacity due to the “U”-shaped arch-type raceway, including the ability to withstand large axial and radial loads, ensures tightness at a given pressure (vacuum ) and cryogenic temperatures of a liquid or gaseous product.
  • LNG liquefied natural gas
  • gas condensate and other liquid and gaseous (including boil-off gas) products has increased bearing capacity due to the “U”-shaped arch-type raceway, including the ability to withstand large axial and radial loads, ensures tightness at a given pressure (vacuum ) and cryogenic temperatures of a liquid or gaseous product.
  • the cassette type of the hinge provides the ability to dismantle and replace the gaskets of the hinge and the ability to dismantle and replace the rotor and stator of the hinge assembly without disassembling the booms and other structures of the above equipment, as well as reduce material consumption and labor intensity in production, which affects the cost of all equipment, part of which hinge is.
  • the hinge can be used in self-supporting structures of a stander or other similar overall equipment, which will significantly reduce the weight of the entire equipment, labor intensity and cost of equipment during production and subsequent maintenance.
  • Equipment with this hinge can be used on lightweight berthing structures or on watercraft.
  • the hinge can be made not only from structural alloy steels heat treated to increase the hardness of the raceway, but also with softer steels such as stainless steels used for chemical, food or cryogenic temperature products. Thanks to the technical solution of the hinge with the use of purging the hinge with nitrogen - N2 or other inert gas, cassette type and with a "Y"-shaped raceway, the hinge is applicable for products with cryogenic temperatures.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pivots And Pivotal Connections (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области трубопроводного транспортирования нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких, газообразных и текучих продуктов. Используется в составе стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов, шарнирно-сочлененных трубопроводов и манипуляторов, загрузочных рычагов для использования на нефтяных, химических, газовых терминалах морских и речных портов, в море между плавсредствами, а также применяется в установках слива - налива железнодорожных цистерн и автоцистерн, шланговых установках налива, бункеровочных установках для заправки морских и речных судов, в установках заправки космических ракет, пожарных брандспойтах, а также в установках отгрузки пищевой текучей продукции и коннекторах. Шарнирное соединение трубопроводов содержит шарнир, имеющий два конструкционных фланца и два корпуса, каждый из которых выполнен как минимум с двумя параллельными дорожками качения шариков. Один из корпусов выполняет роль статора, другой ротора, где дорожка качения шариков выполнена в «V»-образной форме арочного типа. В корпусе статора и ротора имеется канал подачи инертного газа в полость шарнира, а сами уплотнители со стороны транспортируемого продукта расположены внутри шарнира за выступом-затвором, а сам шарнир имеет отверстие ревизии утечки, позволяющее установить датчик обнаружения утечки. Техническим результатом является создание шарнирного соединения, обладающего большой несущей способностью, в том числе способного выдерживать большую осевую и радиальные нагрузки, а также обеспечить герметичность.

Description

ШАРНИРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ
Область техники
Настоящее техническое решение относится к области трубопроводного транспортирования нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких, газообразных (в том числе отпарной газ) и текучих продуктов (далее - транспортируемый продукт) в составе стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов, шарнирно- сочленённых трубопроводов и манипуляторов, загрузочных рычагов для использования на нефтяных, химических, газовых терминалах морских и речных портов, в море между плавсредствами, а также применяется в установках слива- налива железнодорожных цистерн и автоцистерн, шланговых установках налива, бункеровочных установках для заправки морских и речных судов, в установках заправки космических ракет, пожарных брандспойтах, а также в установках отгрузки пищевой текучей продукции и коннекторах.
Уровень техники
Из уровня техники известно, что шарнир - это герметичный полый узел, обеспечивающий подвижное соединение двух труб продуктопровода (трубопровода) с вращением вокруг своей оси (стандарт, СТО Газпром 2-3.4-1255-2021 «Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа. Стендерное оборудование. Общие технические условия.»).
Известно также, что в соответствии с OSIMF «Международный морской форум нефтяных компаний» «Проектная и конструкторская спецификация МОРСКИЕ СТЕНДЕРЫ», ISO 16904:2016 «Нефтяная и газовая промышленность - Проектирование и испытания морских перегрузочных рукавов СПГ для обычных береговых терминалов», СТО Газпром 2-3.4-1255-2021 «Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа. Стендерное оборудование. Общие технические условия» шарнир (шарнирное соединение) рассматривается как отдельный узловой элемент конструкции оборудования (стендеров, перегрузочных рукавов, шланговых установок), для которого предусмотрены специальные требования по эксплуатации, выполнению комплекса расчетов, а также требования по проведению испытаний и критерии оценки прохождения испытаний.
Известен стендер (патент SU619385A1 от 13.10.1975, класс МПК В63В 27/24), содержащий стояк, стрелу, соединенную со стояком шарниром и состоящую из двух сходящихся труб и верхнего трубчатого пояса, совместно образующих ферму пирамидальной формы, при этом трубы и пояс соединены распорками. Кроме того, стендер содержит гусек, присоединительное устройство с патрубком, хвостовик с противовесами и канатно-блочный привод. Достоинствами предложенной конструкции стендера является улучшенная конструкция, состоящая из двух сходящихся труб и верхнего трубчатого пояса, совместно образующих ферму пирамидальной формы, т.е. по сути предложена двухплечевая конструкция стрелы стендера. Соответственно, нагрузка распределяется равномерно на два плеча и два шарнира, установленные на плечах параллельно, а не на одно плечо стрелы и один шарнир, как было в других конструкциях и тем самым равномерно распределяется по шарнирам. Таким образом, на каждый шарнир плеча применяется осевая и радиальная нагрузка в два раза меньше.
Недостатком данного стендера является установка как минимум двух дополнительных шарниров на вторую трубу (плечо) стрелы, дополнительный вес второй трубы и противовеса, сложный в производстве узел шарнирного перехода от опоры к двум трубам стрелы, что увеличивает общий вес оборудования, его себестоимость и трудоемкость в производстве. Кроме того, характеристики, технология и конструктив шарниров в данном изобретении стендера не рассматриваются.
Известно шарнирное устройство, рассмотренное в приводе поворота шарнирно сочлененных трубопроводов (патент RU160741U1 от 17.09.2015, класс МПК F16L 27/02), содержащего пару подвижно сочлененных труб и двигатель, при этом, в привод добавлена червячная передача, причем червяк, соединенный с двигателем, закреплен на одной трубе, а червячное колесо закреплено на другой трубе пары. Кроме того, в привод поворота шарнирно сочлененных трубопроводов добавлен датчик для контроля взаимного углового положения труб. Согласно описанию и фиг., представленных в патенте, поворот шарнирно сочлененных трубопроводов обеспечивается однорядным подшипником, размещенным между двух фланцев трубопровода. Подшипник или опорно-поворотные устройства подобного типа являются отдельным узловым элементом в приводе поворота шарнирно сочлененных трубопроводов. Недостатком данного решения является большие габариты и вес шарнирного устройства с подшипником, а также наличие одного ряда качения шариков в подшипнике, что делает данное устройство применимым в небольших сливо-наливных устройствах с небольшими осевыми и радиальными нагрузками. Шарнирное устройство не применимо в стендерах и других аналогичных установках, поскольку не отвечает требованиям действующих стандартов, а также не применимо для отгрузки СПГ, поскольку отсутствует обеспечение смазки подшипника шарнира, необходимое при криогенных температурах.
Известны шарниры или шарнирные соединения трубопроводов, упоминаемые в составе «Сбалансированных загрузочных рукавов» (патент RU2580488 С2 от 17.05.2011, класс МИК B67D 9/02), «Шарнирный рукав для перекачки текучей среды с пружинной балансировкой при большом угле отклонения (патент RU2240279C2 от 13.06.2000, класс МПК B67D 5/01), «Устройство для передачи текущей среды в открытом море» (патент RU2359859C2 от 22.11.2005, класс МПК В63В27/34), «Морская погрузочная система» (патент US4299261A от 17.10.1979, класс МПК B67D9/02), Погрузочный рукав в сборе с направляющим тросом (патент RU2323867C2 от 20.04.2004, класс МПК B65G67/00, B67D5/70), «Устройство с сочленённым манипулятором для загрузки и разгрузки продуктов, в частности текучих продуктов (патент RU2274579C2 от 13.09.2001, класс МПК В63В 27/34, B67D5/70).
Недостатком представленного оборудования является то, что узлы оборудования, включающие шарнирные соединения, дополнительно усиливаются несущими конструкциями. Это указывает на то, что шарниры в указанных выше изобретениях не предназначены для удержания массивных трубопроводов и стрел, что требует установки дополнительного удерживающего каркаса, подшипников и опорноповоротных устройств, что ведет к большему увеличению веса оборудования. При этом отсутствие возможностей по замене всех уплотнителей или самого шарнира в случае разгерметизации, деформации или износа дорожек качения шариков в шарнире ведет к длительным, сложным и дорогостоящим операциям по разборке всего оборудования. Кроме того, характеристики, технология и конструктив шарниров в данных изобретениях не рассматриваются.
Известны шарнирные соединения, упомянутые в конструкции «Одиночный уравновешенный морской погрузочный рычаг» (патент US3547153A от 10.06.1968, класс МПК B67D9/02). В представленном на фиг. 5 патента разрезе трубопровода узел опоры с переходом на стрелу имеет три шарнирных соединения, указанные под номерами: 42 - шарнир опоры; 48 и 52 - шарниры поворота стрелы. Для укрепления узла и воздействия радиальной нагрузки на шарниры установлена цапфа с опорно-поворотными устройствами с одной дорожкой качения: 76 и 78. Разрез шарниров 42 и 48 показывает, что шарниры имеют два корпуса, каждый с двумя дорожками качения шариков, один из корпусов выполняет роль статора, другой ротора. Статор несъёмно закреплен на трубопроводе, ротор крепится к фланцу болтовым соединением. Между статором и фланцем установлен уплотнитель 44 и установлено стопорное кольцо 46. Конструкция шарнира 52 отличается отсутствием уплотнителя 44 и стопорного кольца 46 (не показаны на фиг. 5 данного патента) ввиду отсутствия текучего продукта в данной части узла - шарнир выполняет только несущую функцию.
Недостатком данного решения является то, что узел перехода трубопровода с двумя шарнирами 42 и 48 от опоры в стрелу дополнительно усилен каркасом цапфы с опорно-поворотным устройством и несущим шарниром 52, это указывает на то, что шарниры не предназначены для удержания массивных трубопроводов и стрел, что требует установки дополнительного удерживающего каркаса. Наличие фланца только с одной стороны шарнира позволяет осуществить замену уплотнителя 44. С другой стороны шарнира возможностей для замены уплотнителя - грязевика, который обеспечивает защиту от попадания влаги, льда и грязи в полость дорожек качения шариков, нет. В представленном на фиг. 5 патенте уплотнитель - грязевик не указан или отсутствует. Отсутствие уплотнителя - грязевика является недостатком данной конструкции шарнира. Износ уплотнителя - грязевика или его отсутствие приводит к быстрому износу и деформации дорожек качения вследствие попадания грязи, морской воды, образования льда в полости дорожек качения, а это влечет за собой разборку всего габаритного и многотонного оборудования. Демонтаж шарнира на трубопроводе оборудования невозможен, т.к. статор шарнира соединен с трубопроводом сваркой. Разъединить ротор от статора возможно только после извлечения всех шариков. Производить такие работы на высоте очень сложно. Применение специальных материалов, обеспечивающих большую несущую способность и меньший износ ротора и статора шарнира, ведет к трудностям при производстве - сварка разных сталей статора трубопровода требует специальных технологических решений. Стопорное кольцо 46 как съемный элемент шарнира само подвержено воздействию потока продукта и не может в полной мере закрыть уплотнитель 44 от абразива и твердых примесей в потоке продукта, а также от выхода уплотнителя под действием вакуума, который может образоваться в трубопроводе, что влияет на герметичность шарнира.
Известен шарнир, отраженный в техническом решении: «Подшипниковое устройство с дорожками для применения в поворотном соединении (варианты) и поворотное соединение (варианты) (патент RU2154225C2 от 12.06.1995, класс МПК F16L27/00, F16C19/02). Подшипниковое устройство с дорожками можно применять в поворотном соединении труб или трубопроводов. Охватываемый соединитель (выполняет роль статора) и охватывающий соединитель (выполняет роль ротора) подшипникового устройства имеют центральную ось и множество кольцеобразных канавок, расположенных одна над другой в соответствующей плоскости и образующих дорожку качения шариков, каждая из канавок имеет, по существу, дугообразное поперечное сечение, причем каждая наружная канавка в охватывающем соединителе имеет прямолинейный сегмент и смещенный радиус, а канавка в обхватываемом соединителе образована по существу с таким же радиусом, как шариковый подшипник. Каждая последующая канавка и соответственно дорожка качения шариков имеет радиус, превышающий радиус предыдущей канавки, таким образом дорожки качения шариков расположены ступеньками относительно каждой предыдущей дорожки. Кольцеобразное уплотнение имеет наружную уплотняющую поверхность, принимаемую отверстием уплотнения, таким образом она уплотняется с внутренними периферийными поверхностями внутренних частей охватываемого и охватывающего соединителей, причем оно имеет внутреннюю поверхность, по существу, заподлицо с каналом для потока жидкости.
Данное решение позволяет за счет ступенчатого расположения дорожек более равномерно распределить нагрузку на все множество дорожек, а форма канавок дорожки позволяет получить большую площадь контакта между каждым шариком и дорожкой качения, уменьшая тем самым концентрацию нагрузки. Такое решение снижает вероятность образования вмятин или деформаций на поверхности дорожек качения шариков, а герметичность применяемого улучшенного уплотнения меньше подвержена влиянию образования вмятин и деформаций от воздействия нагрузок. Указанное техническое решение шарнира взято за прототип.
Недостатком вышеприведенного решения является то, что множество дорожек и их ступенчатое расположение ведет к увеличению габаритов и веса устройства. Дугообразное поперечное сечение формы канавки обеспечивает контакт шарика с каждой канавкой в одной точке, то есть две точки контакта шарика с дорожкой качения, которые принимают на себя нагрузку, при этом увеличенная площадь контакта приводит к излишнему трению шарика о дорожку, что ведет к износу с последующей потерей герметичности уплотнителя устройства. Поток текучего продукта с возможным содержанием абразива, скорость которого может достигать 12 м/с, существенно влияет на уплотнитель, расположенный заподлицо с каналом для потока жидкости, задирая уплотнитель, тем самым снижая герметичность и срок его службы. Образующийся в трубопроводе вакуум может привести к разгерметизации уплотнителей, установленных заподлицо с каналом для потока жидкости.
Из приведенных выше примеров известных изобретений видно, что шарнирное соединение трубопровода играет важную роль в конструкции оборудования для слива-налива и отгрузки транспортируемых продуктов. Шарнир должен обладать большой несущей способностью - этим определяются габариты, вес, трудоемкость в производстве и себестоимость оборудования, частью которого шарнир является. Шарнир должен обладать возможностью замены уплотнений, а также возможностью замены самого шарнира, в том числе его ротора и статора, не снимая стрелы и не разбирая при этом оборудование для слива-налива и отгрузки транспортируемого продукта. Шарнир должен обеспечивать герметичность при заданном давлении и криогенных температурах транспортируемого продукта. Шарнир должен быть простым при производстве и сборке оборудования, в составе которого он находится.
Задачей заявляемого технического решения является разработка нового шарнирного соединения трубопроводов кассетного типа для применения в конструкции стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов (рычагов), шарнирно- сочленённых трубопроводов и манипуляторов и других сливо-наливных установках для отгрузки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких и газообразных (в том числе отпарного газа) продуктов, обладающего большой несущей способностью, в том числе способного выдерживать большую осевую и радиальные нагрузки, обеспечивать герметичность при заданном давлении и криогенных температурах транспортируемого продукта. Конструкция шарнира должна обеспечивать возможность демонтажа и замены уплотнений и возможность демонтировать и заменить ротор и статор шарнира (принцип кассеты), не разбирая при этом оборудование, частью которого шарнир является, а также обеспечить снижение трудоемкости, металлоемкости и себестоимости при производстве вышеуказанного оборудования.
Раскрытие сущности технического решения
Техническое решение вышеприведенной задачи решается за счет того, что шарнирное соединение трубопроводов, содержащее шарнир, имеющий два конструкционных фланца и два корпуса, каждый из которых выполнен как минимум с двумя параллельными дорожками качения шариков, при этом один из корпусов выполняет роль статора, другой ротора, где дорожка качения шариков выполнена в «V »- образной форме арочного типа, при этом в корпусе статора и ротора имеется канал подачи инертного газа в полость шарнира, а сами уплотнители со стороны транспортируемого продукта расположены внутри шарнира за выступом-затвором, а сам шарнир имеет отверстие ревизии. Указанное техническое решение обеспечивает большую несущую способность шарнира, в том числе способного выдерживать большую осевую и радиальные нагрузки, а также герметичность шарнира при заданном давлении и температуре (в том числе криогенной) транспортируемого продукта, что обеспечивает применение шарнира в конструкциях стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов (рычагов), шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов и других сливо-наливных установках для отгрузки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких, газообразных (в том числе отпарного газа) и текучих продуктов.
Возможно техническое решение, где шарик имеет четыре точки контакта с «У»-образной дорожкой качения арочного типа, то есть по две точки контакта на канавку ротора и статора. Указанное техническое решение обеспечивает большую несущую способность шарнира, шарик с «У»-образной дорожкой качения арочного типа все время находится в состоянии нагрузки по всем четырем точкам контакта, нагрузка и, соответственно, реакция равномерно распределяется по точкам касания шарика с дорожкой, больше суммарная площадь контакта, за счет чего шарнир имеет большую несущую способность, то есть способен выдерживать большую осевую и радиальную нагрузки.
Возможно техническое решение, где ротор и статор в сборе закреплены болтовым соединением между двух конструкционных фланцев и образуют шарнир кассетного типа. Указанное техническое решение обеспечивает возможность демонтажа и замены уплотнений, а также возможность демонтировать и заменить ротор и статор шарнира (принцип кассеты), не разбирая при этом оборудование, частью которого шарнир является, а также обеспечивает снижение трудоемкости, металлоемкости и себестоимости при производстве вышеуказанного оборудования для транспортировки продукта.
Возможно техническое решение, где конструкционные фланцы могут применяться с воротником под приварку к трубопроводам или без воротника под приварку. Указанное техническое решение обеспечивает снижение трудоемкости, металлоемкости и себестоимости при производстве нового оборудования, частью которого шарнир является, и его последующее техническое сервисное обслуживание. Материал фланцев может быть аналогичен материалу трубопровода, что упрощает технологию сварки при производстве оборудования. Применение конструкционных фланцев шарнира без воротника под приварку позволяет производить ремонт старых стендеров и другого оборудования, где уже есть два стандартных фланца, кассетный шарнир в сборе с конструкционными фланцами устанавливается между двух старых стандартных фланцев и стягивается болтами, тем самым увеличивая несущие способности и продлевая срок службы оборудования.
Возможно техническое решение, где инертный газ подается в канал через штуцер, расположенный на статоре, далее по каналу внутри статора подводится в полость шарнира в трех местах: зона уплотнителей со стороны транспортируемого продукта, зона дорожек качения шариков и зона уплотнителей фланцев и выводится из полости шарнира через канал и штуцер, расположенные на роторе. Указанное техническое решение обеспечивает применение шарнира с взрывоопасными транспортируемыми продуктами, имеющими в том числе криогенные температуры (СПГ), а также эксплуатацию шарнира при низких арктических температурах окружающего воздуха.
Возможно техническое решение, где внутренняя полость шарнира разделена как минимум на две зоны уплотнительными кольцами. Указанное техническое решение обеспечивает разделение внутренней полости шарнира по ее назначению, что ведет к правильной работе уплотнителей, установленных со стороны транспортируемого продукта, и отсутствию в данной зоне смазки из зоны дорожек качения шариков и образует зону ревизии обнаружения утечки.
Возможно техническое решение, где в отверстие ревизии может быть установлен датчик обнаружения утечки. Указанное техническое решение обеспечивает не только визуальное обнаружение начальной стадии утечки шарнира при проведении очередного технического осмотра оборудования, что требует проведения опасных высотных работ с применением специального снаряжения и подъемных средств, но и позволяет в режиме реального времени получать информацию от датчика утечки о состоянии шарнира, что увеличивает безопасность оборудования, работающего на опасных производственных объектах, в составе которого установлены шарниры.
Возможно техническое решение, где транспортируемый продукт представляет собой: нефть, нефтепродукты, жидкие химические продукты, сжиженный природный газ (СПГ), газовый конденсат и другие жидкие, газообразные (в том числе отпарной газ) и текучие продукты. Указанное техническое решение обеспечивает многофункциональное применение шарнира с вышеуказанными продуктами в зависимости от его материального исполнения.
Краткий перечень чертежей
На фиг. 1 показан общий вид шарнирного соединения в сборе;
На фиг. 2 показан разрез шарнирного соединения;
На фиг. 3 показан разрез шарнирного соединения СПГ (для жидких или газообразных продуктов с криогенными температурами;
На фиг. 4 показан схематичный разрез с параллельными «V »-образными дорожками качения арочного типа;
На фиг. 5 показаны схемы реакций от действия внешней радиальной силы или внешней осевой силы на шарик в «V «-образной дорожке качения арочного типа;
FrO - максимальная внешняя радиальная сила, действующая на шарик;
FaO - максимальная внешняя осевая сила, действующая на шарик;
RrOl, Rr02; RaOl, Ra02 - реакция от действия радиальной или осевой силы соответственно на шарик.
Поз. 1 - ротор;
Поз. 2 - статор;
Поз. 3 - фланец ротора (конструкционный с воротником под приварку к трубопроводу);
Поз. 4 - фланец статора (конструкционный с воротником под приварку к трубопроводу);
Поз. 5 - «У»-образные параллельные дорожки арочного типа с двумя канавками качения шариков;
Поз. 6 - первичное уплотнение со стороны транспортируемого продукта;
Поз.7 - вторичное уплотнение со стороны транспортируемого продукта;
Поз. 8 - кольцо антиэкструзионное;
Поз. 9 - уплотнительное кольцо зоны дорожек шарнира;
Поз. 10 - уплотнительное кольцо фланца статора;
Поз. 11 - уплотнитель, предотвращающий проникновение внешней влаги и грязи;
Поз. 12 - заглушка-штуцер с масленкой;
Поз. 13 - отверстие ревизии утечки и винт-заглушка;
Поз. 14 - штуцер для входа инертного газа (азота - N2) на статоре;
Поз. 15 - канал подачи инертного газа (азота - N2) на статоре;
Поз. 16 - канал и штуцер для выхода инертного газа (азота - N2) на роторе; Поз. 17 - дополнительное уплотнение;
Поз. 18 - выступ-затвор на роторе для удержания уплотнителя;
Поз. 20 - шарик;
Поз. 21 - точки касания шарика дорожки;
Поз. 22 - полость шарнира;
Поз. 23 - болты;
Поз. 24 - отверстия для болтов;
Поз.25 - ось шарнира (канала транспортировки продукта);
Поз. 26 - сквозной канал для транспортировки продукта, сообщающийся с трубопроводами;
Осуществление технического решения
В заявляемом техническом решении применяются следующие термины и определения:
Стендер (другие встречающиеся в литературе названия: стендер морской/речной, загрузочный, погрузочный рукав (рычаг), marine loading arms, MLA) - это шарнирно-сочлененный металлический трубопровод с необходимыми для его функционирования компонентами, обеспечивающий компенсацию колебаний судна, вызванных приливно-отливными характеристиками акватории, ветровыми и волновыми нагрузками, изменением осадки судна в процессе погрузо-разгрузочных операций, а также предназначенный для слива-налива нефти и нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженных природных газов (СПГ), масел в судно - танкер и/или отвода паровоздушных смесей при выполнении погрузочно-разгрузочных операций.
В заявленном техническом решении реализован шарнир (шарнирное соединение), который имеет малые габариты рабочей длины в оси, что обеспечивает меньший рычаг на стреле и, следовательно, меньшее воздействие радиальной силы.
Шарнир имеет два конструкционных фланца с воротником под приварку к трубопроводу, что обеспечивает простой способ монтажа шарнира, как при производстве, так и в процессе эксплуатации на стендере. Материал фланцев может быть аналогичен материалу трубопровода, что упрощает технологию сварки на производстве.
На фиг. 2 и 3 представлен шарнир кассетного типа. Разъединив фланцы специальными струбцинами, которые крепятся на шарнире в отверстиях расположения болтов (24), можно заменить не только первичный (6) и вторичный (7) уплотнители, антиэкструзионное кольцо (8) и уплотнители (10, 11, 17), но и сам шарнир без разборки стендера или иного габаритного оборудования, узловой частью которого является шарнирное соединение.
Шарнир имеет установленные уплотнительные кольца (9), разделяющие шарнир на отдельные зоны. Уплотнительные кольца предотвращают попадание смазки из зоны дорожек качения шариков в зону ревизии утечки шарнира, а также перекачиваемого продукта или внешней среды (вода, лед, грязь) в зону дорожек качения шариков.
Шарнир имеет отверстие ревизии (13) утечки с заглушкой. В случае необходимости заглушка может быть заменена на датчик утечки транспортируемого продукта;
Шарнир имеет первичное (6) и вторичное (7) уплотнение со стороны контакта с транспортируемым продуктом с установленным между ними антиэкструзионным кольцом (8) (далее - уплотнители со стороны транспортируемого продукта), обеспечивающим скольжение между ротором и статором и правильную посадку уплотнителей без перекосов.
Первичный уплотнитель является основным уплотнителем, контактирующим с транспортируемым продуктом, протекающим внутри трубопровода и шарнира, и обеспечивающим герметичность шарнира при заданных параметрах давления.
Вторичный уплотнитель выполняет роль вспомогательного уплотнителя на случай нарушения герметичности первого уплотнителя, а также предотвращает попадание внешней среды и смазки из зоны дорожек качения к первичному уплотнителю.
Материал, вид и форму первичного и вторичного уплотнителей подбирают индивидуально в зависимости от транспортируемого продукта, давления и температуры эксплуатации.
Место установки уплотнителей: параллельно оси шарнира, как показано на фиг.2, комбинированно - перпендикулярно и параллельно, как показано на фиг.З, или перпендикулярно к оси шарнира выбирается индивидуально в зависимости от действующих нагрузок на шарнир (осевых и/или радиальных), транспортируемого продукта, скорости потока, давления/вакуума, температур эксплуатации, а также удобства монтажа и проведения технического обслуживания на объекте установки оборудования. При этом возможно применение только первичного уплотнения, что также подбирается индивидуально. Форму антиэкструзионного кольца выбирают в соответствии с применяемыми уплотнителями и задачей кольца. Ротор и статор шарнира имеют специальные ложементы для установки уплотнителей по их форме и условиям эксплуатации. На статоре шарнира имеется специальный выступ-затвор (18), который прилегает к фланцу шарнира с небольшим зазором, тем самым защищает уплотнитель от повреждений возможным абразивом, жесткими частицами внутри потока, влияния скорости самого потока на уплотнитель и направляет текучий продукт в зазор, тем самым распределяя давление непосредственно на уплотнитель, что обеспечивает правильную работу уплотнителя. В случае образования вакуума в трубопроводе выступ-затвор (18) препятствует выходу уплотнителей из своих ложементов и шарнир не теряет своей герметичности.
Шарнир имеет заглушки-штуцеры с масленками (12), соответствующие количеству дорожек качения шариков. Демонтаж и установка шариков качения в шарнир производится через отверстия, на которых установлены заглушки (12). Разборка шарнира (отсоединение ротора от статора) производится после удаления всех шариков из дорожек качения, соответственно, процесс сборки шарнира производится с первоначальной установкой шариков через отверстия (12) с последующей установкой заглушек-штуцеров. С помощью масленок производится добавление смазки на дорожку качения шариков.
Шарнир, применяемый с жидкими или газообразными продуктами (фиг. 3), имеющими криогенные температуры (сжиженный природный газ - СПГ) имеет специальный канал (15) подачи газообразного азота - N2 или иного инертного газа под давлением в полость (22) дорожек качения шариков, а также в полость (22) зоны первичного (6), вторичного (7) уплотнителей и кольца (8). Учитывая, что азот подается с температурой выше или как минимум сопоставимой окружающей среде, что в разы выше криогенной температуры, за счет этого достигается прогрев уплотнителей и их дополнительное поджатие из внутренней полости шарнира, что повышает характеристики уплотнителей по обеспечению герметичности, предотвращает появление конденсации, обмерзания и образования льда, предотвращая таким образом деформацию шарнира и дорожек качения, оказывает смазывающий эффект дорожек качения шариков, поддерживает в рабочем состоянии имеющуюся смазку шарнира за счет более теплого потока азота, обеспечивает захват, унос природного газа в случае незначительной разгерметизации уплотнителей (6, 7) и попадание газа в полость (22) шарнира, обеспечивая таким образом нейтрализацию взрывоопасных концентраций природного газа. Канал подачи азота может заходить в зону уплотнителей (10 и 17) статора и фланца статора (4), как показано на фиг.З. Азот - N2 подается через штуцер на статоре (14), проходит по каналу (15), попадает в полость зоны дорожек качения (5) и полость зоны уплотнителей (6, 7 и кольцо 8) и зону уплотнителей (10 и 17). Проходя по полостям этих зон, азот попадает в канал и штуцер (16) для выхода азота - N2 на роторе.
Материал, исполнение, форма, вид, количество уплотнителей (6, 7 и кольцо 8), а также уплотнителей (9, 10, 17) для шарниров и фланцев, работающих при криогенных температурах, выбираются индивидуально в соответствии с температурой транспортируемого продукта, температурой окружающей среды, давлением, скоростью потока, характеристиками самих уплотнителей.
Фланцы (3, 4), ротор (1) и статор (2) для шарниров, работающих при криогенных температурах, изготавливаются из нержавеющих сталей, выбор марки которых определяется каждый раз индивидуально и обусловлен возможностью выдерживать большие нагрузки при криогенных температурах без охрупчивания материала, а также плюсовых температурах.
Шарнир имеет как минимум две параллельные «V «-образные дорожки качения арочного типа (фиг. 4). Каждую дорожку качения образуют находящиеся в одной плоскости друг напротив друга две канавки качения шариков арочного типа одинаковой формы. Одна канавка находится на роторе, другая на статоре. Благодаря такому техническому решению дорожек качения (5), шарик (20) имеет четыре точки контакта (21) с дорожкой качения, то есть две точки контакта с канавкой ротора и две точки контакта с канавкой статора. При этом шарик в дорожке качения все время находится в состоянии нагрузки по всем четырем точкам контакта, за счет чего шарнир имеет большую несущую способность, как показано на схеме реакций от действия внешней радиальной силы или внешней осевой силы на шарик в «V «-образной дорожке качения арочного типа (фиг. 5). Формулы реакции от действия радиальной или осевой силы на шарик приведены ниже:
RrO 1 =Rr02=Fro/(cos45 *2); RaO 1 =Ra02=Fao/(cos45 *2)
В приведенном примере на фиг. 5 и формулах показан оптимальный вариант расположения дорожек качения с углом под 45 градусов. Однако, если заранее известно, какие нагрузки (осевые или радиальные) будут действовать на шарнир, можно за счет изменения угла точки контакта шарика дорожки увеличить несущую способность шарнира. В частности, более острый угол позволит шарниру выдержать более высокие радиальные нагрузки.
Благодаря техническому решению шарнира как минимум с двумя параллельными «У«-образными дорожками качения арочного типа (фиг. 4) и с термообработкой поверхности до твердости не менее 60 HRC, шарнир можно применять в самонесущих конструкциях стендера или иного аналогичного габаритного оборудования, что существенно снизит вес всего оборудования, трудоемкость и себестоимость оборудования при производстве и последующем техническом обслуживании. Оборудование может быть применимо на облегченных причальных конструкциях или на плавсредствах.
Благодаря техническому решению шарнира с «V »-образной дорожкой качения арочного типа (фиг. 4) шарнир может быть изготовлен не только из конструкционных легированных сталей, подвергаемых термообработке с целью увеличения твердости дорожки качения, но и с более мягкими сталями, к примеру, с нержавеющими сталями, используемыми для химических, пищевых продуктов или продуктов с криогенными температурами.
Заявляемое техническое решение обеспечивает применение шарнирного соединения в конструкции стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов (рычагов), шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов и других сливо-наливных установках для отгрузки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких и газообразных (в том числе отпарного газа) продуктов, обладает увеличенными за счет «У»-образной дорожки качения арочного типа несущими способностями, в том числе способно выдерживать большую осевую и радиальную нагрузки, обеспечивает герметичность при заданном давлении (вакууме) и криогенных температурах жидкого или газообразного продукта. Кассетный тип шарнира обеспечивает возможность демонтажа и замены прокладок шарнира и возможность демонтировать и заменить ротор и статор шарнира в сборе, не разбирая стрел и других конструкций вышеуказанного оборудования, а также обеспечить снижение материалоёмкости и трудоемкости при производстве, что влияет на себестоимость всего оборудования, частью которого шарнир является.
Благодаря техническому решению шарнира как минимум с двумя параллельными «V »-образными дорожками качения арочного типа (фиг. 4) и с поверхностью твердостью не менее 60 HRC, шарнир можно применять в самонесущих конструкциях стендера или иного аналогичного габаритного оборудования, что существенно снизит вес всего оборудования, трудоемкость и себестоимость оборудования при производстве и последующем техническом обслуживании. Оборудование с данным шарниром может быть применимо на облегченных причальных конструкциях или на плавсредствах.
Благодаря техническому решению шарнира кассетного типа и с «У»-образной дорожкой качения арочного типа (фиг. 4) шарнир может быть изготовлен не только из конструкционных легированных сталей, подвергаемых термообработке с целью увеличения твердости дорожки качения, но и с применением более мягких сталей, к примеру, нержавеющих сталей, используемых для химических, пищевых продуктов или продуктов с криогенными температурами. Благодаря техническому решению шарнира с применением продувки шарнира азотом - N2 или иным инертным газом, кассетного типа и с «У»-образной дорожкой качения шарнир применим для продуктов с криогенными температурами.
Благодаря техническому решению выступа-затвора (18) между статором и фланцем, а также расположению на своих ложементах уплотнителей внутри корпуса шарнира обеспечивается повышенная долговечность уплотнителей с применением их полноценных характеристик.
Шарнирное соединение полностью удовлетворяет требованиям:
- OSIMF «Международный морской форум нефтяных компаний». «Проектная и конструкторская спецификация МОРСКИЕ СТЕНДЕРЫ»; - ISO 16904:2016 «Нефтяная и газовая промышленность - Проектирование и испытания морских перегрузочных рукавов СПГ для обычных береговых терминалов»;
- СТО Газпром 2-3.4-1255-2021 «Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа. Стендерное оборудование. Общие технические условия».

Claims

Формула изобретения
1. Шарнирное соединение трубопроводов, содержащее шарнир, имеющий два конструкционных фланца и два корпуса, каждый из которых выполнен как минимум с двумя параллельными дорожками качения шариков, при этом один из корпусов выполняет роль статора, другой ротора, отличающееся тем, что дорожка качения шариков выполнена в «V «-образной форме арочного типа, при этом в корпусе статора и ротора имеется канал подачи инертного газа в полость шарнира, а сами уплотнители со стороны транспортируемого продукта расположены внутри шарнира за выступом-затвором, а сам шарнир имеет отверстие ревизии.
2. Шарнирное соединение трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что шарик имеет четыре точки контакта с «V «-образной дорожкой качения арочного типа, то есть по две точки контакта на канавку ротора и статора.
3. Шарнирное соединение трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что ротор и статор в сборе закреплены болтовым соединением между двумя конструкционными фланцами и образуют шарнир кассетного типа.
4. Шарнирное соединение трубопроводов по п. 3, отличающееся тем, что конструкционные фланцы могут применяться с воротником под приварку к трубопроводам или без воротника под приварку.
5. Шарнирное соединение трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что инертный газ подается в канал через штуцер, расположенный на статоре, далее по каналу внутри статора подводится в полость шарнира в трех местах: зона уплотнителей со стороны транспортируемого продукта, зона дорожек качения шариков и зона уплотнителей фланцев и выводится из полости шарнира через канал и штуцер, расположенные на роторе.
6. Шарнирное соединение трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя полость шарнира разделена как минимум на две зоны уплотнительными кольцами.
7. Шарнирное соединение трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что в отверстие ревизии может быть установлен датчик обнаружения утечки.
8. Шарнирное соединение трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что транспортируемый продукт представляет собой: нефть, нефтепродукты, жидкие химические продукты, сжиженный природный газ, газовый конденсат, отпарной газ и другие жидкие, газообразные и текучие продукты.
PCT/RU2022/000329 2021-11-23 2022-11-08 Шарнирное соединение для трубопроводов WO2023096528A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021134163 2021-11-23
RU2021134163A RU2777679C1 (ru) 2021-11-23 Шарнирное соединение для трубопроводов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023096528A1 true WO2023096528A1 (ru) 2023-06-01

Family

ID=86540063

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/000329 WO2023096528A1 (ru) 2021-11-23 2022-11-08 Шарнирное соединение для трубопроводов

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023096528A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5149148A (en) * 1991-08-13 1992-09-22 Fmc Corporation Pipe swivel joint with improved bore seal
RU160741U1 (ru) * 2015-09-17 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" Привод поворота шарнирно сочлененных трубопроводов
RU167054U1 (ru) * 2016-02-10 2016-12-20 Открытое акционерное общество "ЕПК Самара" Гибридный подшипник шариковый радиально-упорный однорядный
RU2664490C1 (ru) * 2014-11-28 2018-08-17 ЭфЭмСи ТЕКНОЛОДЖИЗ, ИНК. Шарнирное соединение для интенсификации перекачки нефти

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5149148A (en) * 1991-08-13 1992-09-22 Fmc Corporation Pipe swivel joint with improved bore seal
RU2664490C1 (ru) * 2014-11-28 2018-08-17 ЭфЭмСи ТЕКНОЛОДЖИЗ, ИНК. Шарнирное соединение для интенсификации перекачки нефти
RU160741U1 (ru) * 2015-09-17 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" Привод поворота шарнирно сочлененных трубопроводов
RU167054U1 (ru) * 2016-02-10 2016-12-20 Открытое акционерное общество "ЕПК Самара" Гибридный подшипник шариковый радиально-упорный однорядный

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4234216A (en) Pipe swivel joint for submerged service
NO160229B (no) Dreiekopling.
JP3947568B2 (ja) 流体スイベルコネクタ
US5788288A (en) Sealing arrangement
EP2539221B1 (en) A fluid swivel for allowing fluid transfer across a rotary interface
US9822911B2 (en) Method for replacing an outer annular ring of a fluid swivel and a fluid swivel
RU2777679C1 (ru) Шарнирное соединение для трубопроводов
NO315481B1 (no) Fluidström-koplingsinnretning
WO2023096528A1 (ru) Шарнирное соединение для трубопроводов
US20180195653A1 (en) Swivel joint for flare system of offshore plant
CN108443617B (zh) 用于液体输送的旋转接头设备
RU2700525C2 (ru) Комплекс производства сжиженного природного газа (СПГ) с уменьшенным выбросом метана в атмосферу Земли В.А. Абрамова
RU2776400C1 (ru) Шарнирное соединение
CN219933224U (zh) 一种超低温流体输送管道结构
AU4484700A (en) Scr top connector
CN109114344A (zh) 一种calm单点系泊***的双通道流体旋转接头
CN111981219A (zh) 单点系泊水下流体旋转接头
AU2002301981B2 (en) Fluid Transfer Boom With Coaxial Fluid Ducts
Ghilardi et al. High-pressure multipath (HPMP) swivel joint
JPS62237197A (ja) 流路用スイベル継手装置
Aaron III et al. Large diameter flanged connection make-up with zero reworks
Drijver et al. High-Pressure Gas Swivels For A New Generation Of Fpso Systems
Scoles et al. Tanker-Based Floating Production: Startup and Operational Experiences With FPSO II Over the First 18 Months

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22899175

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1