КЛАПАН ДЛЯ СБРОСА ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F16K17/40 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к устройствам для сброса избыточного давления самосрабатывающим и приводным, содержащим разрушаемые элементы. Изобретение может быть использовано в системах аварийной защиты трубопроводов, в химических отраслях промышленности, в энергетике, включая атомную.

Известны устройства для сброса избыточного давления, содержащие предохранительные хлопающие мембраны, срабатывающие под действием перепада давления и дополнительного силового фактора дополнительного перепада давления.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для принудительного сброса текучей среды, в корпусе которого размещена разрушающая мембрана, разделяющая предохранительную систему от замембранного объема, сообщенного со сбросной линией и узлом создания на мембране рабочего перепада давления, который выполнен в виде эжекционного насоса, соединенного с источником сжатой нейтрализующей среды.

Недостатком известных устройств является низкая надежность работы, заключающаяся в том, что в ряде случаев на мембране создается недостаточный перепад давления.

Задачей изобретения является повышение надежности работы клапана за счет использования потенциальной энергии сжатой среды, находящейся в предохранительном оборудовании.

Указанная задача решается за счет того, что в клапане для сброса давления, содержащем мембрану, установленную в корпусе между двумя зажимными кольцами, зажимное кольцо, установленное со стороны сбросной линии, выполнено в виде цилиндрической пружины с внутренними шлицевыми прорезями и трубчатого стакана, на наружной поверхности которого с одного конца выполнена шлицевая нарезка, входящая в шлицевые прорези цилиндрической пружины по типу байонетного соединения, а с другого конца, обращенного в сторону сбросного давления, кольцевой бурт, причем между корпусом клапана и наружной поверхностью стакана образован зазор, при этом в корпусе в области максимального диаметра бурта выполнены две или более пары отверстий, оси которых направлены тангенциально к поверхности бурта с их пересечением между собой в зазоре, а бурт расположен на расстоянии 1/6 части от конца стакана между зонами пучности и узлом первого обертона продольных изгибных колебаний стакана.

На фиг. 1 показан клапан сброса давления, разрез, общий вид; на фиг. 2 схема действия струй на бурт стакана; на фиг. 3 зажимное кольцо в виде цилиндрической пружины, общий вид, аксонометрия; на фиг. 4 трубчатый стакан, общий вид, аксонометрия.

Клапан для сброса давления содержит мембрану 1, размещенную между двумя зажимными кольцами 2 и 3, стянутыми деталями корпуса 4. Зажимное кольцо 3 выполнено в виде цилиндрической пружины с внутренними шлицевыми прорезями 5 и трубчатого стакана 6, на наружной поверхности которого выполнена шлицевая нарезка 7, входящая в шлицевые прорези цилиндрической пружины по типу байонетного соединения, а с другого конца, обращенного в сторону сбросного давления, кольцевой бурт 8, причем между корпусом клапана и наружной поверхностью стакана образован зазор, при этом в корпусе в области максимального диаметра бурта выполнены две или более пары отверстий 9, оси которых направлены тангенциально к поверхности бурта с их пересечением между собой в зазоре.

Бурт 8 расположен на расстоянии 1/6 части от конца стакана 6 между зонами пучности и узлом первого обертона продольных колебаний стакана.

В состоянии нормальной эксплуатации устройство работает следующим образом.

Гидростатическое давление Р удерживается мембраной 1, зажатой между парой зажимных колец 2 и 3, стянутых между сближаемыми деталями корпуса 4. При этом зажимное кольцо 3 ужесточено в своей пружиной части за счет трубчатого стакана 6, со шлицевой нарезкой 7, введенного в витки пружинной части зажимного кольца 3 через его внутренние шлицевые прорези 5 по типу байонетного соединения. Поэтому мембрана 1 плотное удерживается в зажимных кольцах 2 и 3, прорыва среды по стрелке Р не происходит.

В режиме самосрабатывания устройство работает как обычный предохранительный клапан, содержащий предохрани- тельную мембрану, то есть мембрана 1 теряет прочность (разрывные типы мембран) или устойчивость (хлопающие типы мембран), разрушается и технологическая среда истекает по стрелке Р через внутреннее отверстие трубчатого стакана 6 на сброс.

В режиме срабатывания от приводного воздействия клапан работает следующим образом.

Для срабатывания клапана подают текучую среду (сжатый газ, пар, газожидкостные смеси) в пару отверстий 9 корпуса 4, направляющих струи q₁ и q₂ в зону схождения, обозначенную точкой А бурта 8 трубчатого стакана 6. Столкновение струй вызывает их растекание по направлениям V₁ (по ходу действия струй) и V₂ (против хода). Одновременно в зазоре В между корпусом 4 и стаканом 6 повышается давление, а текучая среда начинает истекать в сторону сброса. Ввиду турбулентности процесса соударения струй истечения по стрелкам V₁ и V₂ и в направлении сброса через зазор между наружной поверхностью стакана 6 и стенкой корпуса 4 приобретают пульсирующий характер и трубчатая часть стакана 6 быстро входит в режим вынужденных колебаний, сменяющийся режимом автоколебаний на частоте, близкой к резонансной для изгибно-крутильной моды колебаний. Это связано с тем, что в ходе малых колебаний положение бурта 8 стакана 6 смещается, в результате чего в распределении потока и давлений процесса истечения начинает действовать фактор типа обратной связи (Бабаков И.М. Теория колебаний. М. Гос.изд-во технико-теоретической литературы, 1968, с. 536-540). Эти колебания, поскольку система рассчитана на применение материалов, обладающих малой диссипацией, быстро нарастают и свободный конец трубчатого стакана 6 начинает двигаться по траекториям фигур Лисажу в плоскости своего торца. При этом, поскольку второй конец стакана 6 защемлен нарезкой 7 в витках пружинной части зажимного кольца 3, по месту контакта витков обеих деталей возникают силовые реакции и угловые смещения, изменяющие статику контакта витков деталей 3 и 6. В итоге наблюдается явление, известное как "разбалтывание резьбового соединения", которое сопровождается движением резьбы по резьбе. Этот процесс в силу прогрессирующего высвобождения механически контактирующих поверхностей резьб за счет схода части резьбы нарезки 7 стакана 6 в шлицевые прорези 5 пружины и соответственно высвобождения витков пружинной части, приводящего к снижению жесткости кольца 3, приобретает характер ускоряющего взаимовытеснения витков байонетного соединения, кончающегося полным сходом нарезки 7 стакана 6 в шлицевые прорези 3 кольца 3, что приводит к резкому падению его жесткости, ослаблению усилия прижима между кольцами 2 и 3 до величины, ниже которой происходит прорыв технологической среды по действующему перепаду давления с возникновением интенсивных вибраций по месту крепления мембраны 1, что действует на нее как дополнительный силовой фактор. Совместное действие давления Р и возникающих вибраций приводит к срабатыванию мембраны 1 прежде всего за счет резкого изменения условий краевого опирания и динамичности этого процесса. В результате мембрана выбрасывается в проходное сечение стакана 6 и технологическая среда получает свободу к истечению на сброс. Бурт 8 стакана 6 расположен в средней трети части наружной его поверхности, расположенной между зонами пучности и узлом колебаний, отвечающих первому обертону продольных изгибных колебаний стакана 6. Это вызвано необходимостью наведения, наряду с основным тоном изгибных колебаний, этой формы колебаний в связи с тем, что жесткость заделки стакана 6 в пружинном кольце 3 меняется в ходе высвобождения резьб, следовательно, система имеет переменную жесткость, зависимую от времени колебательного процесса. Поэтому колебания системы являются квазигармоническими и могут происходить не на фиксированной резонансной частоте, а в области значений частот, в связи с чем возможен срыв первоначально наведенных монохроматических колебаний. Колебания более сложной формы с развитием обертонов, чему служит расположение бурта 8 в стакане 6, позволяют преодолеть эффект срыва в основном за счет обеспечения возможности сдвига частот первоначально наведенного основного тона к обертону при изменении упругих характеристик защемления стакана (соответственно частоты первого обертона могут перейти на второй обертон и т.д.)
В качестве конструкционных для клапана по изобретению используются материалы, допущенные к арматуростроению стали ферритного, перлитного и аустенитного классов, медные и медно-никелевые сплавы, некоторые сплавы на основе алюминия (В-92 и В-95). В качестве текучих проводных сред для заявляемого устройства могут быть использованы технологическая среда, нейтральные по отношению к ней пары и газы (азот, аргон, пары хладонов), в некоторых случаях пар из пароспутниковой системы обогрева и воздух.

Использование: в системах аварийной защиты трубопроводов. Сущность изобретения: мембрана установлена в корпусе между двумя зажимными кольцами. Кольцо, установленное со стороны сбросной линии, выполнено в виде цилиндрической пружины с внутренними шлицевыми прорезями и трубчатого стакана, на наружной поверхности которого с одного конца выполнена шлицевая нарезка, входящая в шлицевые прорези цилиндрической пружины по типу байонетного соединения, а с другого конца, обращенного в сторону сбросного давления, - кольцевой бурт. Между корпусом клапана и наружной поверхностью стакана образован зазор. В корпусе в области максимального диаметра бурта выполнены две или более пары отверстий, оси которых направлены тангенциально к поверхности бурта с их пересечением между собой в зазоре. Бурт расположен на расстоянии 1/6 части от конца стакана между зонами пучности и узлом первого обертона продольных изгибных колебаний стакана. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. КЛАПАН ДЛЯ СБРОСА ДАВЛЕНИЯ, содержащий мембрану, установленную в корпусе между двумя зажимными кольцами, отличающийся тем, что зажимное кольцо, установленное со стороны сбросной линии, выполнено в виде цилиндрической пружины с внутренними шлицевыми прорезями и трубчатого стакана, на наружной поверхности которого с одного конца выполнена шлицевая нарезка, входящая в шлицевые прорези цилиндрической пружины по типу байонетного соединения, а с другого конца, обращенного в сторону сбросного давления, кольцевой бурт, причем между корпусом клапана и наружной поверхностью стакана образован зазор, при этом в корпусе в области максимального диаметра бурта выполнены две или более пары отверстий, оси которых направлены тангенциально к поверхности бурта с их пересечением между собой в зазоре. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что бурт расположен на расстоянии 1/6 части от конца стакана, между зонами пучности и узлом первого обертона продольных изгибных колебаний стакана.