ГАСИТЕЛЬ ГИДРОУДАРОВ Российский патент 1995 года по МПК F16L55/45 

Изобретение относится к трубопроводной технике, в частности к устройствам для гашения гидравлических ударов в магистральных трубопроводах, и может быть использовано для предотвращения аварий, связанных с неконтролируемыми динамическими явлениями в виде волн сжатия и разрежения, распространяющимися по трубопроводу.

Известны устройства-гасители гидроударов, представляющие собой местные регулируемые и нерегулируемые гидравлические сопротивления. Устройства содержат в корпусе упругие и демпфирующие элементы и в целом представляют собой отдельный вид трубопроводных арматур [1]
Используемые в упомянутых устройствах местные гидравлические сопротивления, несмотря на разнообразие реализованных в них физических принципов, термодинамически классифицируются как активные (диссипативные) или реактивные (импедансные) сопротивления, размещенные в пределах отдельных арматур с характерным размером, как правило, не превышающим единиц диаметров условного прохода. Вместе с тем, известно (см. например, Перри Дж.Г. Справочник инженера-химика, Т.2. Л. Химия, 1969, с.452-454), что постоянная времени для систем, содержащих активные и реактивные сопротивления, и связанная с ней способность к демпфированию прямо зависимы от размеров устройств этого и других типов аппаратуры, в особенности при необходимости демпфирования гидравлических ударов достаточно большой продолжительности. Малая постоянная времени, обусловленная малыми размерами известных гасителей гидроударов, как правило не позволяет удовлетворительно решать подобные задачи; увеличение размеров этих устройств ведет к их резкому удорожанию, усложнению конструкции. Таким образом, основной недостаток устройств-аналогов является следствием их природы они являются местными гидравлическими сопротивлениями, размещаемыми, как правило, в пределах единичной трубопроводной арматуры. Этот недостаток не позволяет полноценно использовать известные технические решения, например, для магистральных трубопроводов. Таким образом, существует необходимость использовать для гашения гидроударов устройства, содержащие линейные гидравлические сопротивления, размеры которых, а следовательно, и постоянная времени, соответственно способность к релаксации энергии гидроудара, могут быть достаточно большими.

Известен шланг для ослабления пульсаций давления текучей среды, содержащий конструкцию, имеющую изгибную жесткость, в виде шланга, гибкой трубы для прохода текучей среды, расположенной внутри шланга. Между внутренней поверхностью шланга и наружной поверхностью трубы имеется кольцевая полость; в стенке гибкой трубы выполнена прорезь для сообщения гибкой трубы с кольцевой полостью. Шланг соединен с трубопроводом [2]
Данное устройство по совокупности признаков наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения, а также средство того же назначения и поэтому принимается за прототип.

Недостатком устройства-прототипа является то, что элементная база, используемая в нем (шланги, гибкие трубы), существенно ограничена по диаметрам условного прохода (по сведениям, содержащимся в каталогах продукции российских и зарубежных фирм, шланги с диаметром условного прохода свыше 150 мм не выпускаются). Имеются также ограничения по условному давлению проводимой среды и по температурному диапазону. В частности, материал шлангов (резины, ПХЦ, композиты) как правило не рассчитан на длительную эксплуатацию в климатических условиях СНГ и стран, близких по климату. Это сужает диапазон использования устройства-прототипа.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение диапазона использования устройства гасителя гидроударов.

Указанная задача решается за счет того, что гаситель гидроударов в виде линейного поглотителя механической энергии, имеющий изгибную жесткость, не совпадающую с изгибной жесткостью трубопровода, выполнен в виде пролетной четырехпоясной предварительно-напряженной вантовой фермы с попарно-перекрещивающимися S-образными поясами, соединенными между собой распорками и поперечными прогонами, и снабженной креплениями к наружной поверхности трубопровода.

Предлагаемый гаситель гидроударов позволяет обеспечить технический результат, выражающийся в возможности регулирования демпфирующих свойств, за счет его выполнения.

Изобретение является новым, так как не известно из уровня техники по доступным источникам информации, российским и зарубежным изданиям (патентная, научно-техническая, рекламно-техническая, рекламно-техническая литература и др.).

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники; реализуемый в пределах изобретения эффект расширение диапазона использования устройства. Оно может быть использовано в системах с местным гидравлическим сопротивлением и для магистральных трубопроводов большой продолжительности за счет того, что конструкция выполнена пролетной, закреплена на наружной поверхности трубопровода, а способность предлагаемой конструкции к гашению энергии гидроудара достаточно большая. Гаситель гидроударов, выполненный в виде четырехпоясной предварительно-напряженной вантовой фермы с S-образными поясами в безраскосном исполнении, воспринимает инерционные силы, возникающие при гидроударе за счет антисимметричных изгибных деформаций поясов фермы, связанных между собой распорками и прогонами, при возможности регулирования деформаций за счет изменения усилий предварительного напряжения в поясах фермы.

Изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано для гашения гидравлических ударов в магистральных трубопроводах. Изготовление устройства по изобретению не составляет принципиальных трудностей, может быть изготовлено из промышленно освоенных и недефицитных материалов: сталей, полимерных материалов и т.п.

На фиг. 1 показана статическая схема устройства, аксонометрия; на фиг. 2 фронтальный разрез; на фиг. 3 вид устройства в плане; на фиг. 4 диаграмма прогибов трубопровода и четырехпоясной предварительно напряженной вантовой фермы; на фиг. 5 график зависимости показателя жесткости для ненапряженной фермы.

Гаситель гидроударов выполнен в виде четырехпоясной предварительно напряженной вантовой фермы и состоит из попарно перекрещивающихся поясов 1 и 2; 3 и 4, соединенных между собой распорками 5 и поперечными прогонами 6, стыкуемых в узлах 7. Крепление к трубопроводу 8 осуществлено, например, хомутами 9. Пролетная конструкция четырехпоясная вантовая ферма имеет опоры 10.

Устройства для придания пролетной конструкции предварительного напряжения (раздвижением опор 10 или распорок 5), обычно используемые в вантовых конструкциях, не показаны.

При отсутствии гидроудара устройство работает следующим образом.

Четырехпоясная ферма из поясов 1-4, соединенная распорками 5 и прогонами 6 в ненапряженном и недеформированном состоянии, представляет собой одну из разновидностей мгновенно-нежестких конструкций с возможностью конечных перемещений при воздействии бесконечно малых сил, действующих "в плоскости" фермы, способной к самостабилизации при предельных связанных величинах кинематических деформаций поясов, соответствующих равенству
(a_i) L (1) где L длина пролета;
a_i недеформированная длина i-й панели фермы в одном из поясов;
np_x(a_i) ее проекция на горизонтальную ось;
n число панелей в поясе фермы. До достижения указанного равенства в ненапряженной ферме возможны кинематические деформации; при снижении величины левой части равенства менее длины пролета L в ферме происходит перераспределение усилий и она "ужесточается". На фиг. 4 и 5 схематически изображены эти два состояния фермы. По вертикальной оси отложено значение показателя жесткости
C для одного из произвольных узлов фермы; P_i нагрузка, действующая по этому узлу; W прогиб в этом узле. Кривая f представляет собой характер зависимости показателя жесткости С для ненапряженной фермы. Показано, что до некоторого значения прогиба W_пр это значение равно нулю, далее оно нарастает. Предварительное напряжение Н_о (фиг. 4) меняет характер этой зависимости, что показано на фиг. 5, кривая S. В данном случае предварительно растянутые пояса до своей разгрузки не могут испытывать кинематических деформаций, не связанных с упругими, в силу чего предварительно-напряженная ферма с S-образными поясами становится деформационно эквивалентной струне, также представляющей собой мгновенно-нежесткую кинематическую цепь, имеющую предварительное напряжение, с жесткостью, определяемой величиной предварительного напряжения. Вместе с тем вантовая ферма с S-образным очертанием поясов и в этом случае сохраняет свойство к ужесточению по достижении предельных деформаций, соответствующих уравнению (1), не зависимому от внутренних усилий, действующих в ферме. Отмечается, что зависимость Сⁿ для обоих поясов имеет нелинейный характер и излом.

По совокупности упомянутых двух причин ужесточению по достижению предельных кинематических деформаций и наличию в элементах фермы предварительного напряжения четырехпоясная вантовая ферма с попарно-перекрещивающимися S-образными поясами способна нести полезные нагрузки, в том числе и нагрузки от трубопровода, к которому она прикреплена, а поэтому при отсутствии гидроудара работоспособна.

При появлении инерционных сил гидравлического удара, приходящихся на изогнутые участки трубопровода, гаситель гидроударов работает в целом, как было описано выше.

Пролетная четырехпоясная вантовая ферма имеет нелинейную характеристику нагрузка-деформация; использование нелинейных демпферов широко известно в технике.

Распространение гидравлического удара происходит со скоростями, близкими к звуковым; действие инерционных сил гидроудара от трубопровода на пролетную четырехпоясную вантовую ферму происходит как волновой процесс, описываемый уравнением в частных производных
a²▿²W+a₁▿W+a₂ +a₃W
(3) где коэффициенты "а" характеризуют упруго-волновые массовые и диссипативные (в том числе за счет аэродинамического сопротивления внешней среды) свойства конструкции, внешнюю нагрузку.

От соотношения этих коэффициентов и их знаков зависит тип решения уравнения (2). Коэффициенты "а" в данном уравнении применительно к предлагаемому устройству не являются постоянными и зависят от амплитуд воспринимаемых сил удара и в соответствии с вышесказанным тип решения уравнения (2) может измениться. В частности, это означает, что для четырехпоясной вантовой фермы с S-образными поясами не существует постоянных резонансных частот, а при увеличении амплитуд колебаний они перейдут в апериодические затухающие деформации фермы с преимущественным развитием диссипативных явлений за счет несовпадающих по фазе изгибных деформаций поясов фермы, поворотов распорок относительно возникновения инерционных сил, соответствующих крутильным деформациям поясов и поворотам распорок. Энергия, расходуемая на развитие данного вида деформаций, расходуется из запаса кинетической энергии гидравлического удара, передаваемой через инерционные силы и реакции креплений пролетной четырехпоясной вантовой фермы к трубопроводу 8, за счет чего энергия гидроудара уменьшается до безопасных значений.

Для изготовления гасителя гидроударов по изобретению могут быть использованы материалы, применяемые в трубопроводостроении: малоуглеродистые и низколегированные стали (трубы, прокат распорки, прогоны); для вантовых поясов канаты, семипроволочные и девятнадцатипроволочные пряди, сталь арматурная для железобетонных конструкций, неметаллические канаты.

Предлагаемое устройство может быть совмещено с вантовыми переходами трубопроводов через местные препятствия (малые реки, овраги и т.п. с характерными пролетами 60-80 м).

Использование: в магистральных трубопроводах. Сущность изобретения: гаситель имеет изгибную жесткость, не совпадающую с изгибной жесткостью трубопровода. Гаситель выполнен в виде пролетной четырехпоясной предварительно напряженной вантовой фермы с попарно перекрещивающимися S- образными поясами, соединенными между собой распорами и поперечными прогонами, и снабженной креплениями к наружной поверхности трубопровода. 5 ил.

ГАСИТЕЛЬ ГИДРОУДАРОВ в виде линейного поглотителя механической энергии, имеющий изгибную жесткость, не совпадающую с изгибной жесткостью трубопровода, отличающийся тем, что он выполнен в виде пролетной четырехпоясной предварительно напряженной вантовой фермы с попарно перекрещивающимися s-образными поясами, соединенными между собой распорками и поперечными прогонами, и снабженной креплениями к наружной поверхности трубопровода.