ОТСЕЧНОЙ КЛАПАН Российский патент 1997 года по МПК F16K17/24 

Изобретение относится к промышленной трубопроводной арматуре, а именно к устройствам, устанавливаемым в трубопроводах или на сосудах под давлением, и обеспечивает управление потоком проводимой среды, например газа или жидкости, путем автоматического отсечения потока своим запорным органом, что позволяет предотвратить внештатную утечку проводимой среды через отводящий трубопровод.

Известны различные конструкции отсеченных клапанов. Они могут быть классифицированы по принципу срабатывания: автоматическое, ручное, дистанционное; по типу задатчика: с пружинным задатчиком, с грузовым задатчиком, с расходомерным задатчиком и т.д. по типу чувствительного элемента: поршень, мембрана, пьезоэлемент и т.д.

Среди автоматически отсечных клапанов широкое распространение получили клапаны отсечные с пружинным задатчиком, как имеющие наиболее простую конструкцию, монтируемые в любом установочном положении и имеющие возможность возвращения в исходное рабочее положение без замены элементов клапана.

Известен, например, клапан отключающий (отсечной), содержащий корпус с камерой давления, которая расположена между входным и выходным отверстиями корпуса, выполненными в корпусе на его продольной оси, а также подпружиненный поршень, установленный с возможностью перемещения в упомянутой камере и герметичного перекрытия проходного сечения клапана при перемещении в одно из крайних положений [1]
Это известное техническое решение обладает существенным недостатком, а именно: узость диапазона давлений срабатывания клапана, так как величина расхода проводимой среды зависит от давления (т.е. плотности) проводимой среды и вязкостных характеристик среды, а величина давления срабатывания клапана задается усилием пружины, имеющим лишь одно фиксированное установочное значение.

Известен клапан прямоточный отсечной типа К26А, устанавливаемый на фонтанной арматуре устья скважины [2] содержащий наибольшее количество общих с предлагаемым изобретением существенных признаков и выполняет аналогичную функцию. Прототип содержит корпус с седлом и со сквозным продольным каналом, имеющим входную и выходную части и между ними две сопряженные камеры, а также подвижный поршень со сквозным продольным каналом и двумя ступенями, расположенными в соответствующих камерах, имеющий возможность продольного перемещения с двумя крайними положениями. В одном из крайних положений поршень взаимодействует с седлом, расположенным в зоне сопряжения одной из камер с входным отверстием, причем в этой зоне и в зоне сопряжения упомянутой камеры с другой камерой выполнены боковые сквозные отверстия, к каждому из которых подсоединен трубопровод, размещенный вне корпуса и соединяющийся вторым концом с камерами гидроцилиндров гидроусилителя, расположенного также вне корпуса.

Это известное техническое решение имеет существенные недостатки наличие дополнительных элементов и управляющих устройств усложняет конструкцию и существенно снижает надежность клапана при работе в экстремальных ситуациях, например, при повышении температуры проводимой или окружающей среды.

Таким образом, из известного научно-технического уровня следует, что складывается определенная тенденция проектирования клапанов отсечных с возможностью автоматического срабатывания при неспецификационном изменении гидродинамического режима работы системы, в которую клапан установлен, за счет отслеживания гидродинамических параметров либо на входе-выходе клапана, либо в одной из его камер. При этом датчиком иногда служат специальные системы, подающие управляющий сигнал на клапан или на специальный привод клапана.

Известные технические решения характеризуются высоким изобретательским уровнем. В основном этот уровень достигается за счет создания оригинальной схемы системы управления клапана и характеризуется развертыванием исходного принципа действия клапана за счет введения дополнительных, порой расположенных вне клапана, новых самостоятельных узлов и устройств.

Поэтому, если использовать известные конструкции клапанов для отсечения подачи проводимой рабочей среды от источника к потребителю, то, как следует из известного научно-технического уровня, пришлось бы либо устанавливать на рабочем трубопроводе дополнительные устройства, либо вводить в существующую систему подачи рабочей среды дополнительную управляющую систему и/или силовой привод, что усложняет конструкцию и ведет к снижению надежности системы в экстремальных условиях.

Кроме того, в каждом из этих случаев невозможно одновременно обеспечить и высокую точность срабатывания в широком диапазоне рабочих давлений, и высокую надежность работы всех узлов, входящих в состав клапана отсечного.

Задача изобретения создание нового клапана отсечного, который позволял бы полностью прекращать подачу проводимой среды от источника в широком диапазоне давлений при повреждении отводящего трубопровода на любом участке от клапана до потребителя или повреждении трубопровода, образующего обратную связь, и одновременно имел бы простую, высоконадежную конструкцию.

Задача и повышение технического уровня достигается тем, что в известном клапане отсечном, содержащем корпус с двумя смежными камерами, седлом, входным и выходным отверстиями и двумя боковыми отверстиями, одно из которых расположено в первой камере, сообщенной с входным отверстием корпуса, размещенный в корпусе с возможностью взаимодействия с седлом корпуса подвижный поршень с уплотнительной поверхностью, сквозным продольным каналом и двумя ступенями, расположенными в соответствующих камерах корпуса, а также два трубопровода, сообщенных с упомянутыми боковыми отверстиями, согласно предлагаемому изобретению в корпусе со стороны, противоположной первой камере выполнена дополнительная третья камера, сопряженная с имеющейся второй камерой и сообщенная продольным каналом поршня с входным отверстием, а на поршне выполнена третья ступень, размещенная соответственно в третьей камере корпуса, седло выполнено в месте сопряжения входного отверстия и первой камеры, трубопроводы соединены друг с другом с образованием эффекта обратной связи, причем выходное отверстие корпуса клапана совмещено со сквозным боковым отверстием первой камеры, а другое боковое отверстие расположено во второй камере со стороны, обращенной к первой камере, и при этом площадь поперечного сечения первой ступени поршня меньше площади поперечного сечения любой другой ступени, а площадь поперечного сечения третьей ступени меньше площади поперечного сечения второй ступени.

Возможен также вариант, где трубопровод, сообщенный с боковым отверстием второй камеры, выполнен с меньшим условным проходом, чем условный проход трубопровода, сообщенного с выходным отверстием корпуса, и изготовлен из отличного материала, например, с более низкой температурой плавления, чем материал трубопровода от выходного отверстия.

Таким образом, изобретение позволяет отслеживать изменение давления в любом из упомянутых трубопроводов, а именно: отсекать поток проводимой среды от источника при возникновении неспецификационного перепада давлений проводимой среды на участке клапан-потребитель в любом из трубопроводов, связанных с предлагаемым клапаном, что достигается за счет образования эффекта обратной связи особым порядком их соединения и выбранным расположением боковых отверстий корпуса. Величина относительного перепада давлений, при котором происходит перемещение поршня и закрытие клапана, задается соотношением площадей поперечного сечения ступеней поршня, на точность срабатывания во всем диапазоне давлений практически оказывает влияние только сила трения выбранных уплотнений пары корпус-поршень.

На фиг. 1 клапан отсечной находится в положении "открыт" в "ждущем режиме"; на фиг. 2 клапан находится в положении "закрыт" в режиме аварийного отсечения источника.

Клапан отсечной состоит из корпуса 1, в котором выполнены три последовательно смежные камеры 2, 3 и 4, входное 5 и выходное 6 отверстия (фиг. 1). В корпусе 1 размещен поршень 7 со сквозным продольным каналом 8 и тремя ступенями 9, 10, 11, располагающимися соответственно в камерах 2, 3 и 4, причем камера 4 связана через канал 8 поршня 7 с входным отверстием 5, которое сообщается с камерой 2, и в месте их сопряжения выполнено седло 12, образующее с уплотнительной поверхностью 13 поршня 7 уплотнительную пару (фиг. 2). Вне корпуса 1 расположены трубопроводы 14 и 15, соединенные между собой и подсоединяемые к соответствующим боковым сквозным отверстиям корпуса 1. При этом одно такое отверстие совмещено с выходным отверстием 6 корпуса 1 и, например, сообщено с трубопроводом 14, а другое отверстие 16 выполнено в зоне 17 камеры 2 со стороны камеры 3 и сообщено с трубопроводом 15. В клапане размещены также уплотнения 18. Для отвода возможных протечек может быть выполнено технологическое сквозное боковое отверстие 19.

Упомянутый трубопровод 15 может быть выполнен из материала, отличного от материала трубопровода 14, и может иметь отличное проходное сечение.

Клапан отсечной работает следующим образом.

Нормальное рабочее положение клапана "открыт" (фиг. 1). В таком положении при наличии в источнике рабочей проводимой среды (не показан) с рабочим давлением P_p на входном отверстии 5 корпуса 1 и при перепаде давления на участке системы от клапана к потребителю в рамках спецификационного для конкретной системы соотношение величин давлений в камере 2 (P_p), в зоне 17 камеры (P_p ^I и в камере 4 (P_p) также находится в рамках спецификационного, так например, при отсутствии отбора среды или малом ее расходе давления P_p ^I и P_p равны (фиг. 1), а так как площадь поперечного сечения первой ступени 9 меньше площади поперечного сечения любой из двух других ступеней, а площадь третьей ступени 11 меньше площади второй ступени 12, то усилием от давления рабочей среды поршень 7 удерживается в положении "открыт" (фиг. 1).

При падении величины давления P_p ^I в трубопроводе 14 и/или 15 и соответственно в зоне 17 камеры 3 относительно величины давления источника P_p соотношение сил, действующих на поршень, меняется. При падении давления P_p ^I в зоне 17 камеры 3 относительно давления P_p в камере 2 и в камере 4 ниже заданной величины поршень 7 перемещается в положение "закрыт" (фиг. 2). Эта величина относительного перепада давлений, при котором происходит перемещение поршня 7 и образование седлом 12 и поверхностью 13 поршня 7 уплотнительной пары, зависит от выбранного соотношения площадей ступеней 9, 10, 11 поршня 7 и величины силы трения страгивания пары корпус 1 поршень 7 (в основном сила трения уплотнений 18). После перемещения поршня 7 при дальнейшем падении давления в зоне 17 камеры 3 происходит полная герметизация пары седло 12 уплотнительная поверхность 13 и источник отсекается от потребителя (фиг. 2).

В зависимости от типа выбранных уплотнений и величины давления проводимой среды в месте сопряжения камеры 3 и камеры 4 могут скапливаться протечки проводимой среды. Для их удаления образовано технологическое отверстие 19.

Неспецификационное падение давления P_p ^I в зоне 17 камеры 3 относительно давления P_p в источнике и срабатывание отсечного клапана могут произойти по нескольким причинам, например:
разрушение трубопровода 14 или значительные протечки через него;
разрушение, например, термическое трубопровода 15 или значительные протечки через него;
сброс давления из трубопровода 15 (соответственно из зоны 17 камеры 3) при плановом проворачивании и срабатывании системы, в которую установлен клапан.

После приведения клапана отсечного в положение "закрыт" (фиг. 2) приведение его в положение "открыт" (фиг. 1) возможно подачей давления в клапан только со стороны трубопровода 14 и/или трубопровода 15 и только после восстановления целостности трубопровода 14 и/или трубопровода 15.

При размещении предлагаемого клапана отсечного в гидравлических и пневматических системах с двусторонним движением среды, например, на сосудах давления, таких как гидроаккумуляторы, демпферы, газовые баллоны автотранспорта и т.д. источником рабочей среды является тупиковая емкость, и закачка рабочей среды осуществляется через трубопровод 14, поэтому клапан приводится в положение "открыт" при начале подачи рабочей среды извне в эту емкость.

При размещении предлагаемого клапана отсечного в системах с односторонним движением среды, например, на отводных линиях трубопроводов или сосудов давления, куда рабочая среда подается по отдельной питающей линии, а не через трубопровод 14, приведение клапана отсечного в положение "открыт" осуществляется либо за счет медленного повышения давления на участке "источник" клапан трубопровод 14-потребитель" так, что при этом величина относительного перепада давлений в источнике и в зоне 17 камеры 3 не превышает предельного, требуемого для срабатывания, либо за счет использования широко известных средств, описание которых здесь не приводится.

Использование: в арматуростроении для управления потоком газа или жидкости и предотвращения утечки среды через отводящий трубопровод. Сущность изобретения: в корпусе отсечного клапана выполнены три смежные камеры, в которых размещены ступени подвижного поршня с уплотнительной поверхностью, взаимодействующей с седлом. Седло выполнено в месте сопряжения входного отверстия и первой камеры. В поршне выполнен сквозной продольный канал, сообщающий третью и первую камеры. С боковыми отверстиями корпуса сообщены два трубопровода, соединенные друг с другом с образованием обратной связи. Трубопроводы изготовлены из различных материалов. Выходное отверстие корпуса сообщено с боковым отверстием первой камеры, а другое боковое отверстие расположено во второй камере со стороны, обращенной к первой камере. Площадь поперечного сечения первой ступени поршня меньше площади поперечного сечения любой из двух других ступеней, а площадь поперечного сечения третьей ступени меньше площади поперечного сечения второй ступени. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Отсечной клапан, содержащий корпус с двумя смежными камерами, седлом, входным и выходным отверстиями и двумя боковыми отверстиями, одно из которых расположено в первой камере, сообщенной с входным отверстием корпуса, размещенный в корпусе с возможностью взаимодействия с седлом подвижный поршень с уплотнительной поверхностью, сквозным продольным каналом и двумя ступенями, расположенными в соответствующих камерах корпуса, а также два трубопровода, сообщенных с боковыми отверстиями, отличающийся тем, что в корпусе со стороны, противоположной первой камере, выполнена третья камера, сопряженная с второй камерой и сообщенная продольным каналом поршня с входным отверстием, а на поршне выполнена размещенная в третьей камере третья ступень, седло выполнено в месте сопряжения входного отверстия и первой камеры, трубопроводы соединены друг с другом с образованием обратной связи, выходное отверстие корпуса совмещено с боковым отверстием первой камеры, а другое боковое отверстие расположено во второй камере со стороны, обращенной к первой камере, при этом площадь поперечного сечения первой ступени поршня меньше площади поперечного сечения любой из двух других ступеней, а площадь поперечного сечения третьей ступени меньше площади поперечного сечения второй ступени. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что трубопровод, сообщенный с боковым отверстием второй камеры выполнен с меньшим условным проходом, чем трубопровод, сообщенный с выходным отверстием корпуса, при этом трубопроводы изготовлены из различных материалов.