МЕМБРАННОЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1996 года по МПК F16K17/16 

Изобретение относится к трубопроводным арматурам, в частности к устройствам для сброса избыточного давления, содержащим разрушаемые элементы хлопающие мембраны, и может быть использовано в системах аварийной защиты технологического оборудования и трубопроводов в химических отраслях промышленности, в энергетике, включая атомную.

Известны устройства для сброса избыточного давления, содержащие предохранительные хлопающие мембраны, срабатывающие под действием перепада давления, устанавливаемые в держателях в виде двух зажимных колец с обеспечением заданных условий опирания мембран, что позволяет добиться требуемой точности их срабатывания [1]
К недостаткам устройств относится достаточно узкая специализация используемых типов зажимных колец-держателей к используемым типоразмерам мембран (материалу геометрии купольной части; краевому опиранию), что порождает множественность исполнений устройств, иногда в пределах одного типа. Последнее связано с индивидуализацией прикраевых зажимных поверхностей (фасок, галтелей, пережимных поясков). Указанный недостаток является существенным и приводит к тому, что мембранные предохранительные устройства, как правило, являются продукцией индивидуального исполнения, плохо поддающейся унификации, что сужает область их использования.

Известно мембранное предохранительное устройство, отчасти свободное от упомянутого недостатка [2] Мембранное предохранительное устройство содержит перекрывающую сбросное сечение хлопающую мембрану и держатель, выполненный в виде двух колец с зажимными поверхностями, выполненными в виде скосов, между которыми размещен зажимной край мембраны, при этом углы наклона скосов и зажимного края мембраны к горизонтальной плоскости равны между собой.

Указанное техническое решение допускает установку в зажимные поверхности мембран с единой геометрией края, но отличающихся толщиной и материалом от сегментов, выполненных из хрупких материалов (ситал, фарфор, графит) до высокопластичных (медь отожженная, мягкие стали, пластики).

Недостатком данного устройства является ограниченный диапазон использования из-за недостаточной приспособленности к типам хлопающих мембран, испытывающих в стадии предкритического деформирования переход к неосесимметричным формам равновесия. Данный процесс связан с механикой потери устойчивости оболочек. Как правило, это имеет место у мембран, изготовленных из высокопрочных материалов, обладающих средними и низкими значениями модуля Юнга, и сопровождается динамическим перегибом прикраевых участков мембран вблизи опорного контура. Следствием этого процесса при пульсирующих давлениях, которые, как правило, имеют место в предохранительном оборудовании, является развитие прикраевых трещин по месту входа купольной части мембраны в защемление. Оно происходит в том числе с выпуклой стороны мембран, т.е. со стороны воздействия технологической среды, а это в ряде случаев недопустимо, так как приводит к неработоспособности мембран.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение диапазона использования за счет обеспечения приспособленности к типам хлопающих мембран, способных испытывать в стадии предкритического деформирования смену напряженно-деформированного состояния в порядке перехода от осесимметричных к неосесимметричным формам равновесия с ограничением развития прикраевых трещин по месту защемления.

Предлагаемое мембранное предохранительное устройство позволяет достичь технический результат, обеспечивающий при смене напряженно-деформированного состояния осесимметричных деформаций мембраны на предкритическую изгибную форму, упорядоченный контакт и единообразное развитие последующих до- и закритических вмятин потери устойчивости для всех типов используемых хлопающих мембран, что достигается за счет того, что в мембранном предохранительном устройстве, содержащем перекрывающую сбросное сечение хлопающую мембрану и держатель, выполненный в виде двух колец с зажимными поверхностями, выполненными в виде скосов, между которыми размещен зажимной край мембраны, а углы наклона скосов и зажимного края мембраны к горизонтальной плоскости равны между собой, зажимная поверхность кольца, расположенная с выпуклой стороны мембраны, продолжена эллипсоидным скосом с углом примыкания α к плоскости разъема держателя, равным
α (1.258.1.311) arctg где β угол наклона скосов к горизонтальной плоскости.

На фиг.1 показано мембранное предохранительное устройство, разрез, общий вид (вариант); на фиг.2 сечение, опорные кромки держателя; на фиг.3 схема воздействия прикраевого участка купола мембраны с эллипсоидным продолжением скоса при смене напряженно-деформированного состояния; на фиг.4 геометрическая схема приопорного участка мембраны.

Мембранное предохранительное устройство содержит хлопающую мембрану 1, держатель, например зажимные кольца 2 и 3, имеющие скосы 4, 5, защемляющие прикраевую часть 6 мембраны 1. Зажимное кольцо 5 деталь держателя имеет со стороны выпуклой поверхности мембраны 1 скос 7, выполненный по форме эллипсоида, образующий с купольной частью мембраны зазор, в условиях отсутствия предкритической величины давления Р, воздействующего на выпуклую поверхность мембраны 1. При угле β образующей наружной поверхностью купола по месту ее защемления между поверхностью продолжения скоса 7 и поверхностью мембраны 1 имеется угол α. Поверхность скоса 7 по своей сути является частью огибающей поверхности по всем возможным перемещениям деформационной поверхности мембраны 1, наиболее близко аппроксимирующейся эллипсоидом (в случае кругового опирания мембраны эллипсоидом вращения) с параметрами, соответствующими максимально возможным углам поворота участков купольной части мембраны в заделке без выхода равнодействующей радиальных внутренних напряжений за срединный слой сечения мембраны в этом сечении.

Обоснование геометрии продолжения скоса 7 кольца-держателя 5.

1. Существует расчетная поверхность огибающая для всех возможных предкритических неосесимметричных деформаций мембран, поскольку переход к закритическим деформациям (хлопку) возможен при появлении начальных вмятин потери устойчивости вполне определенной величины, определяемой известными расчетными методами (см. например, А.С.Вольмир. Устойчивость упругих систем. М. Гос. изд-во физико-математической литературы, 1963, с.627-631. с.825-837).

2. Поскольку направление развития хлопка для строго выпуклых оболочек не зависит от выбора меридиана оболочки, все направления развития хлопка и предшествующих стадий докритического деформирования представляются равновероятными, следовательно огибающая поверхность имеет ось симметрии, совпадающую с осью симметрии мембраны.

3. Из свойств огибающих, свойств деформированных (возмущенных) поверхность оболочки, их представимости в виде тригонометрических функций (см. например, Л.С.Срубщик. Неосесимметричное выпучивание по многим собственным формам тонких упругих несовершенных оболочек вращения. Труды XII Всес. конф. по теории оболочек и пластин. Ер. ГУ, Ереван, Т.3. с.219-225) делается вывод о гладкости упомянутой огибающей поверхности и плавном нарастании ее кривизны от вершины купола к краю. Любое другое предположение соответствовало бы разрывности деформаций оболочек в предкритических стадиях деформации, что не может иметь места.

4. Задача о огибающей поверхности для сферического сегмента должна иметь второе действительное решение, определяющее касание полной сферы с огибающей поверхностью для всех ее возмущений, следовательно огибающая поверхность топологический аналог сферы, т.е. замкнута.

5. Из пункта 1-4 имеем, что для всех возможных деформаций сферического сегмента имеет место поверхность, огибающая все возможные докритические прогибы купола мембраны, симметричная, гладкая, с нарастанием кривизны по меридиану от полюса к краю, замкнутая. Такой поверхностью может быть только эллипсоид; для мембран кругового очертания в плане эллипсоид вращения.

6. Огибающая поверхность в виде эллипсоида пересекает деформированную и недеформированную поверхность по месту тривиальных нулей деформации поверхности мембраны 1, т.е. по месту краевого опирания мембраны, следовательно в исходном состоянии недеформированная поверхность мембраны 1 и продолжение скоса 7 должны иметь угол взаимопересечения.

7. Деформированная поверхность мембраны 1 и огибающая поверхность всех виртуальных перемещений касается хотя бы в одной точке по месту релаксации предельных предкритических деформаций.

8. Поскольку для мембран, имеющих в докритической стадии деформирования переход от осесимметричной к неосесимметричной форме, соответствует перекосу купола мембраны, предполагается касание огибающей поверхности деформаций и реальной поверхности мембраны 1 по месту закрепления мембраны 1 в деталях держателя 2 и 3. (Физически это соответствует перегибу прикраевого участка мембраны 1 вокруг кромок, что наблюдается на практике).

Таким образом, обеспечение единственности геометрии поверхности 7 сводится к подбору величины угла между ней и плоскостью разъема для мембраны 1, что при заданном опорном диаметре мембраны полностью определяет геометрию огибающей поверхности и ее части, а именно участка 7 кольца держателя 3.

Обоснование заявляемого соотношения углов краевого опирания мембран β и угла примыкания α.

Для хлопающих мембран, находящихся в предкритической стадии деформирования _→ 0 ввиду неограниченного роста прогибов W, следовательно P _→ P_кр const Одновременно по линии пластического шарнира напряжение σ __→ σ^т Следовательно, предельные стадии формоизменения мембраны протекают при постоянных давлениях Р_кр и σТ и эти факторы силовой природы можно исключить из рассмотрения; задача сводится к нахождению предельного равновесия из чисто геометрических соображений, а именно по выходу линии равнодействующей за пределы контактной зоны заделки при пластическом перегибе прикраевого участка мембраны вокруг кромки А (фиг.4). В исходном состоянии прикраевой участок имеет единую нейтральную ось Z_o Z_o', сечения AF' и AG' сомкнуты. В процессе перегиба между заделкой и купольной частью мембраны образуется призма глубокого пластического течения FAG, при этом участок FF' освобождается от контакта с зажимной поверхностью EF' за счет пластического перетекания материала.

Очевидно, что предельное состояние пластического шарнира, предшествующее его разрушению, наступает, когда Z₁ Z' выходит на освобождаемый участок заделки FF_o и одновременно поверхность FAG теряет в точке А излом, превращаясь в цилиндрическую (случай неопределенного состояния равновесия). За данной фазой деформирования следует неустановившееся пластическое течение и потеря устойчивости оболочки в целом. При закритических деформациях пластическое перераспределение материала не достигается и шарнир разрушается с образованием трещины по линии АВ.

Ограничиваясь рассмотрением предельного состояния, отмечаем, что в этой стадии деформирования еще соблюдается равенство треугольников FCF_o и САВ по площадям из условия неубывания материала при его пластическом перераспределении, а так как углы при вершине С у обоих треугольников равны и оба они прямоугольные, имеем равенство этих треугольников, соответствующих углов и сторон.

Отмечая, чтоАС|+СF| δ толщине мембраны по месту зажатия, используя известные тригонометрические соотношения, имеем
CB= CF=AC sin следовательно, δ AC • 1+ sin
и AC тогда, учитываяАС|CF| имеем
FFAC cos и
tg (< AFF_o) С учетом реальной геометрии переходного участка нейтральной поверхности в призме FAG ИТ, существующих условий непрерывности и перехода напряженно-деформированного состояния пластического шарнира от купольной зоны к зоне защемления, имеем для реально используемых мембран
α (1.258.1.311) arctg где α угол примыкания к плоскости разъема держателя;
β угол наклона скосов к горизонтальной плоскости. 1,258-1,311 поправочный коэффициент на геометрию переходного участка нейтральной поверхности от прикупольной до защемленной зоны прикраевого пластического шарнира мембран предохранительных хлопающих с соотношением опорного диаметра к высоте купола 6 4.

Обоснование возможности замены огибающего эллипсоида для всех виртуальных перемещений мембран условием касания эллипсоида к недеформированной срединной поверхности мембраны.

Образование пластического шарнира по месту краевого защемления мембраны происходит, как это видно из фиг.4, в зоне, не превышающей по ширине двух толщин прикупольной части мембраны. При этом изгибание прикупольной части мембраны вокруг точки А соответствует начальной зоне контакта длиной не более (ИТ) в пределах поворота сечения на угол β α. Соответственно ввиду малости линейных деформаций при достаточно больших углах поворота, малости прогибов мембран в пролете (предельно-возможные прогибы составляют, как правило, величины порядка десятых толщин мембраны, а в соотношении с высотой ее подъема составляют 0,001) в целях упрощения расчета геометрии кромок следует ограничиться первым приближением условия "огибающей", а именно касанием теоретических поверхностей в полюсах при сохранении соотношения по углам прикраевого их примыкания.

Вышеприведенные обоснования исчерпывают назначение заявляемых геометрических соотношений по предлагаемому устройству предохранительному мембранному с достаточной полнотой.

В состоянии нормальной эксплуатации устройство работает следующим образом (фиг.3).

Гидростатическое давление Р деформирует хлопающую мембрану 1 от ненагруженного состояния m в состояние n, соответствующее осесимметричным деформациям. На этой стадии деформирования в зоне защемления мембраны развивается пластический шарнир по месту входа мембраны в зажимные поверхности колец 5 и 6, соответственно купол мембраны приобретает слегка сплющенную форму. На этой стадии деформирования мембрана 1 не касается своей прикраевой купольной частью эллиптического скоса 7.

При возрастании нагрузки Р до пороговых значений, соответствующих фундаментальному свойству сжатых куполообразных оболочек к смене напряженно-деформированного состояния на неосесимметричное изгибное, форма мембраны скачкообразно переходит в состояние S, что сопровождается ростом деформаций конструкций. Данное явление в форме своего конечного развития переходит в закритические деформации хлопок мембраны. В изобретении в процессе неограниченного роста деформаций мембрана частью своей прикраевой зоны начинает соприкасаться с эллиптическим скосом 7, выполненным по поверхности, близкой к огибающей виртуальные состояния купола мембраны в области предкритических деформаций. Ввиду этого между контактирующими поверхностями не наблюдается резкого взаимодействия и кинематика развития контактных явлений ограничивается плавным перекатыванием купольных прикраевых участков мембраны 1 по эллипсоидному скосу 7, что способствует развитию начальных вмятин потери устойчивости по единообразной геометрии и исключает преждевременное раскрытие трещин по месту краевого защемления. Этим достигается цель обеспечения упорядочения процесса предкритических деформаций и унификация режима перехода в закритические деформации хлопка.

Использование устройств по изобретению, как показали проведенные испытания их макетов, позволяет повысить точность по давлению срабатывания мембран тонкостенных в 1,6-2,2 раза и мембран среднетолщинных типов в 2 2,6 раза, при этом не требуется использование сложных технологий по доводке и тренировке мембран.

В качестве конструкционных материалов для устройства могут быть использованы для колец держателей все виды сталей, металлических материалов с показателем твердости поверхности HRC 32-40.

В качестве материала для мембран могут быть использованы все виды коррозионностойких металлических материалов, допущенных к арматуростроению и имеющих показатель относительного удлинения при пластических деформациях свыше 0,12 (стальной прокат Ст3, Сталь 20, 1Х13, 08Х18Н10Т, большинство медных и медноникелевых сплавов, никель НП-2, алюминий АО и др.).

Использование: в системах аварийной защиты технологического оборудования. Сущность изобретения: сбросное сечение перекрывает хлопающая мембрана. Держатель выполнен в виде двух колец с зажимными поверхностями, выполненными в виде скосов, между к-рыми размещен зажимной край мембраны. Углы наклона скосов и зажимного края к горизонтальной поверхности равны между собой. Зажимная поверхность кольца, расположенная с выпуклой стороны мембраны, продолжена эллипсоидным скосом с углом примыкания к плоскости, разъема держателя, зависящим от угла наклона скосов. 4 ил.

МЕМБРАННОЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее перекрывающую сбросное сечение хлопающую мембрану и держатель, выполненный в виде колец с зажимными поверхностями, выполненными в виде скосов, между которыми размещен зажимной край мембраны, при этом углы наклона скосов и зажимного края мембраны к горизонтальной плоскости равны между собой, отличающееся тем, что зажимная поверхность кольца, расположенная с выпуклой стороны мембраны, продолжена эллипсоидным скосом с углом примыкания α к плоскости разъема держателя, равным

где b угол наклона скосов к горизонтальной плоскости.