ПОЖАРОСТОЙКИЙ ВВОД Российский патент 1994 года по МПК H02G3/22 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к электротехнике и электроэнергетике, а также судостроению, например подводным лодкам, и может быть использовано в качестве герметических вводов электрических кабелей или трубопроводов в закрытые помещения или объемы, например, для проходки через стенки отсеков подводных лодок или в других областях техники, где требуется высокая надежность от разгерметизации оболочки, пронизанную кабелями и трубопроводами при возможных высокотемпературных и пожароопасных условиях работы (угольна, химическая промышленность, атомная энергетика и т. д. ).

Наиболее близким по технической сущности и решаемым задачам является пожаростойкая проходящая втулка кабелепровода, в которой внутренний объем корпуса с проходящими кабелями, ограниченный торцовыми фланцами заполнен изоляционным высокотемпературным негорючим веществом, обладающим способностью увеличивать объем при высоких температурах.

Недостатками известного устройства является: недостаточная надежность из-за отсутствия достаточных уплотнений на сыпучем материале.

Наличие только одной полости с расширяющимся веществом, причем без надежного обеспечения полной заполняемости внутреннего пространства и отсутствие утечки сыпучего вещества.

Недостаточные пожарозащищенность и температуростойкость по тем же причинам.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности путем увеличения пожарозащищенности и температуростойкости.

Поставленная цель достигается тем, что пожаростойкий ввод снабжен, по меньшей мере, одним уплотнительным элементом, выполненным в виде кольцевой мембраны из пластичного температуростойкого и огнестойкого материала с двумя полками, внутренняя из которых охватывает кабель, а наружная - сопряжена с внутренней стенкой корпуса.

Кроме того, уплотнительный элемент в сечении может иметь форму двутавра и образует с фланцами две полости, заполненные высокотемпературным негорючим веществом, увеличивающимся в объеме при высокой температуре; на полках мембраны выполнены кольцевые проточки, в которых расположены кольцевые уплотнения из температуростойкого неметаллического материала; полки мембраны на своих краях имеют надрезы, насечки или рифления.

На фиг. 1 изображено устройство с мембраной, продольный разрез; на фиг. 2 - продольный разрез устройства с комплексным уплотнением; на фиг. 3 - продольный разрез устройства с одной внутренней полостью; на фиг. 4 - край мембраны с насечками и рифлениями; на фиг. 5 - вид А на фиг. 4; на фиг. 6 - вид А на фиг. 4, с насечками под углом; на фиг. 7 - выносной элемент 1 на фиг. 4.

Пожаростойкий ввод, преимущественно кабелей и трубопроводов, содержит корпус 1 надежно и герметично соединенный с перегородкой или являющийся частью перегородки 2, которая разделяет два объемных пространства (например, отсеки подводной лодки). Корпус 1 может быть выполнен как закладная труба, приваренная к металлической облицовке перегородки 2. В обработанном отверстии корпуса установлен уплотнительный элемент в виде кольцевой мембраны 3 из пластичного, температуростойкого и огнестойкого материала, например из меди или стали. Мембрана 3 перегораживает отверстие корпуса 1.

В поперечном сечении мембрана 3 имеет форму двутавра. Внутренняя кольцевая полка 4 мембраны 3 охватывает кабель 5, а наружная кольцевая полка 6 плотно охвачена внутренним отверстием корпуса, причем полки мембраны выполнены с уклоном 7 на внутренних гранях двутавра. Внутренние полости 8 и 9 образованы по обе стороны мембраны 3 и ограничены от внешнего пространства фланцами 10, которые герметично присоединены к корпусу 1 с помощью прокладок 11 из температуростойкого материала, резьбовым соединением 12. Вокруг кабеля 6 на фланцах 10 смонтировано уплотнение 13 из упругого материала одной из известных конструкций. Полости 8 и 9 заполнены изоляционным высокотемпературостойким веществом 14, обладающим способностью увеличивать объем (вспучиваться) при высоких температурах, например вермикулитом. Вермикулит представляет собой сложный в окогидратизированный алюмосиликат магния, отличающийся непостоянством химического состава.

Высокая температура плавления вермикулита (1400^оС) позволяет применять его для устройства тепловой изоляции агрегатов, работающих при температуре 1000-1100^оС.

Но основаным свойством вермикулита, используемым в данном техничеcком решении, является способность его частиц вспучиваться-превращаться при нагревании в червеобразные гранулы (См. Н. Н. Кальянов и А. Н. Мерзляк "Вермикулит и перлит - пористые заполнители для теплоизоляционных изделий и бетонов", Москва, 1961 г. ). Незначительное увеличение объема вермикулита начинается при нагревании до 160-200^оС, а максимальное вспучивание происходит при 700-1100^оС, при этом размер частиц увеличивается в 20-25 раз.

Вспучивается вермикулит вследствие того, что содержащаяся в нем вода (твердый раствор в минерале) превращаясь при нагревании в пар, расслаивает частицы вермикулита по плоскостям спайности на отдельные пластины-чешуйки.

Тончайшие прослойки воздуха отдельными пластинами вспученного вермикулита обусловливают малый объемный (насыпной) вес его, равный 60-100 кг/м³. Коэффициент теплопроводности вспученного вермикулита в зависимости от объемного веса и от температуры от 0,04 до 0,246 ккал/м ч ˙ град.

Засыпка вермикулита может производится через отверстие, которое в дальнейшем заглушается пробкой 15, или каким-либо другим способом.

Устройство по фиг. 2 отличается тем, что двутавр (мембрана) выполнен составным из двух частей 16 и 17, зафиксирован в проточке корпуса упором 18 и гайкой 19. Причем между двумя частями 16 и 17 двутавра смонтированы упругие уплотнения 20 и 21, по наружной 6 и по внутренней 4 кольцевым полкам мембраны. Этим достигается достаточная герметичность при аварийных ситуациях, при пожаре, так как изоляционная прослойка вермикулита может быть рассчитана таким образом, что доходящая до уплотнений 20 и 21 температура не будет превышать максимально допустимую температуру материала уплотнений 20 и 21.

На фиг. 3 показана конструкция устройства с одной внутренней полостью 23, которая образована между двумя мембранами, в сечении имеющими профиль швеллера 24 и 25. Уклоны 7 на внутренних гранях полок обращены в сторону засыпанного вермикулита 14. Остальное, в частности, уплотнение упругим материалом, соответствует описанию по фиг. 1 и фиг. 2. Существенная деталь; наружная кольцевая полка 6 соединена с отверстием корпуса по конусному соединению 26. С учетом поджима фланцами такое соединение обеспечивает достаточную герметичность за счет конусного соединения 26.

На фиг. 4 и 5 показан край полки, имеющий малый уклон 27 : до 1,5-2,5^о до кольцевого рифления 28; и большой уклон (3-15^о) после кольцевого рифления. На краю полки могут быть выполнены надрезы (просечки) 30 и (или) рифления 31 перпендикулярно к торцу полки или под углом (см. фиг. 6). Причем на фиг. 5 надрезы 30 (или рифления 31) выполнены разной длины.

На выносном элементе 1, фиг. 7 показана заходная фаска 32 и утонение 33 со стороны сопрягаемой детали. Конструкция полки по фиг. 4, 5 и 6 будет создавать более плотное и герметичное соединение с трубой 5 или отверстием корпуса 1 за счет лучшего прилегания края полки, чему способствует некоторая возможность краев изгибаться (поворачиваться) относительно рифления 29 за счет малого уклона 27 (малой толщины края), за счет надрезов 30 и рифлений 31, а также за счет самого кольцевого рифления 29.

Еще лучше будут перекрывать зазор рифления 31 надрезы 30, выполненные под углом β(α). При этом угол надреза 30 (β) определяется длиной надреза "l" с тем, чтобы:
1. Ширина полки "b" перекрывая надрез 30 с торца имела запас b₁ = 2-5 мм (сверх "b") до каждого соседнего надреза.

2. Жесткостью нарезанного края. С увеличением угла жесткость уменьшается.

3. Технологичностью изготовления и сборки. Этим определяется угол β = 15-45^о.

Фаска 32 и утонения 33 способствуют качественной сборке, а значит и качественной работе всего устройства. См. фиг. 7.

Вместо фланца 10 возможно применить втулку, соединенную с корпусом резьбовым соединением с уплотнением, аналогичным поз. 13.

Устройство работает следующим образом.

В случае отсутствия предварительной термообработки вермикулита.

Температуростойкая резина в уплотнении 13 держит уплотнение до своей максимальной рабочей температуры 200-250^оС. При температуре 160-200^оС происходит предварительное вспучивание вермикулита, при этом полностью гарантируется герметичность за счет уплотнения мембраной:
За счет давления вермикулита на края полки, при этом малая толщина края надреза и рифление способствуют лучшему прилеганию и уплотнению.

За счет разницы коэффициента линейного расширения материала мембраны (например, медь К = 17) и корпуса (например, сталь К = 1). При повышении температуры до 700-1100^оС вермикулит расширяется, увеличивая объем в 20-25 раз - уплотнение на мембранах сможет выдержать любой перепад давлений, сохраняя герметичность. Появляется необходимость сделать расчет на прочность фланцевого соединения. При этом, в случае необходимости, можно применить увеличенную длину внутренней полости вермикулита с целью лучшей тепловой изоляции. Очень важно то, что в случае прогорания места кабеля, особенно в районе фланца, будут заполняться под давлением вермикулитом, препятствуя дальнейшему распространению пожара и обеспечения герметичности.

Устройство позволит:
Создать герметичное уплотнение кабелей к трубопроводам, успешное работающее в условиях пожара до 1100^оС и выше в течение времени, превышающего стандартные параметры пожара по СЭВ 1000-88 (например, 986^оС в течение 90 мин).

Ограничением может быть температура плавления материала мембраны:
Для меди 1084^оС;
Для стали 1300-1500^оС.

Причем при повышении температуры надежность уплотнения не будет снижаться, а обеспечение фиксации кабеля (или трубы) от осевого смещения будет повышаться.

По сравнению с прототипом:
- наличие упругого уплотнения на фланцах и на мембране,
- наличие двойных уплотняющих полостей 8 и 9 с вермикулитом.

Позволит увеличить:
Герметичность как в обычных условиях, так и при повышенных температурах (режим ограничивается температуростойкостью материала уплотнения 13). Следует также учесть градиент падения температуры от одного фланца до другого - таким образом температуростойкость уплотнения увеличивается на падение температуры от фланца до фланца.

Расширить параметры пожаростойкости за счет двух полостей и наличия третьей мембраны 16 и 17 с уплотнением.

Прогораемые в зоне фланца участки кабеля автоматически заполнять веществом, препятствующим распространению огня и температуры.

Обеспечить безопасность сложных и дорогостоящих производств (химия, энергетика) или военно-морских объектов (например, подводная лодка), где разгерметизация сальников труб и кабелей во время пожара привела к трагедии.

Обеспечить безопасность людей. (56) ГОСТ 4860.1-83.

Справочник конструктора РЭА. Общие принципы конструирования / Под ред. В. Г. Варламова, Т. , Советское радио, 1980.

Патент Великобритании N 2203900, кл. H 02 G 3/22, 1988.

Использование: в качестве герметичного пожаростойкого ввода кабелей и трубопроводов, обеспечивающих надежное уплотнение в условиях пожара и высоких температур. Сущность изобретения: устройство снабжено кольцевой мембраной с полками, конструкция которых обеспечивает герметичное соединение с корпусом и кабелем. Этому способствует вермикулит, имеющий возможность расширяться при высоких температурах и уложенный в полостях, прилегающих к мембране. 9 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. ПОЖАРОСТОЙКИЙ ВВОД, содержащий корпус, заполненный высокотемпературостойким негорючим веществом, увеличивающимся в объеме при высоких температурах, проходящий через корпус кабель и герметично расположенные по торцам корпуса фланцы, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем увеличения пожарозащищенности и температуростойкости, снабжен по меньшей мере одним уплотнительным элементом, выполненным в виде кольцевой мембраны из пластичного температуростойкого и огнестойкого материала с двумя полками, внутренняя из которых охватывает кабель, а наружная сопряжена с внутренней стенкой корпуса. 2. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент имеет в сечении форму двутавра и образует с фланцами две полости, заполненные высокотемпературным негорючим веществом, увеличивающимся в объеме при высокой температуре. 3. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент имеет в сечении форму швеллеров, сопряженных друг с другом по стенке. 4. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент имеет в сечении форму швеллеров, обращенных друг к другу полками и образующих полость, заполненную высокотемпературным негорючим веществом, увеличивающимся в объеме при высокой температуре. 5. Ввод по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что в полках мембраны выполнены кольцевые проточки, в которых расположены кольцевые уплотнения из температуростойкого неметаллического материала. 6. Ввод по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что в стенке корпуса выполнены кольцевые проточки, в которых расположены кольцевые уплотнения из температуростойкого неметаллического материала. 7. Ввод по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что полки мембраны на своих краях имеют надрезы, или насечки, или рифления. 8. Ввод по п. 7, отличающийся тем, что надрезы или рифления выполнены под углом 15 - 45^o к краю мембраны. 9. Ввод по пп. 1 - 8, отличающийся тем, что полки мембраны имеют разную ширину. 10. Ввод по пп. 1 - 9, отличающийся тем, что наружная полка мембраны сопряжена с внутренней стенкой корпуса по конической поверхности.