СПОСОБ ПЕРЕКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 1998 года по МПК F16K7/04 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в нефтегазовой промышленности и атомной энергетике.

Известны устройства клапанного типа для аварийного перекрытия участков трубопроводов с жидкостью или газом [1]. Они содержат корпус, вмонтированный в трубопровод с помощью входного и выходного патрубков, с полостью, в которой устанавливается запорный орган той или иной конструкции. В случае разрыва трубопровода (справа от корпуса) за счет увеличения скорости потока и уменьшения давления в нем на элементах запорного органа возникают градиенты давления, под действием которых происходит закрытие клапаном проходного отверстия трубопровода.

Недостатками этих устройств являются сложность конструкции и невысокая надежность их работы, а также нарушение целостности трубопровода при установке устройств и уменьшение его несущей способности. Кроме того, необходимость в быстром перекрытии участка трубопровода может возникнуть и по другим причинам, не связанным с разрывом трубопровода.

Известен также способ быстрого схлопывания участка трубопровода с использованием энергии взрыва [2]. На наружной стенке участка трубопровода в таком способе концентрически располагается вплотную или через смягчающую прокладку заряд взрывчатого вещества (ВВ), в котором при необходимости возбуждается детонация с помощью электродетонатора. При этом за характерное время t_c≤1 с происходит схлопывание стенок трубопровода.

Недостатком этого способа является то, что схлопывание стенок с полным запечатыванием проходного канала трубопровода может быть реализовано только в случае, если трубопровод заполнен газом и относительная толщина стенки трубопровода Δ/R (R - радиус трубопровода) больше некоторой критической величины, например для стали Δ/R ≥ 10% (в противном случае стенки трубопровода в процессе схлопывания теряют устойчивость и гофрируются). В случае заполнения трубопровода жидкостью возникают особенности, связанные с существованием волн сжатия в ней, которые препятствует схлопыванию стенок с полным перекрытием проходного канала трубопровода.

Наиболее близким к заявляемому является способ аварийного перекрытия труб, заполненных жидкостью или газом, нагружение необходимого участка трубопровода в котором осуществляется с помощью удара по нему с двух противоположных сторон пластинами-ударниками, разгоняемыми одновременно навстречу друг другу с помощью взрыва зарядов взрывчатого вещества [3].

Недостатком способа является наличие эффекта недожатия в центре и у краев схлопывающихся стенок трубопровода (эффект "восьмерки").

Решаемой технической задачей является создание способа аварийного перекрытия трубопровода с жидкостью или газом при условии полного перекрытия его проходного сечения. Задача решается способом, заключающимся в обжатии трубопровода посредством соударения с ним двух установленных с противоположных сторон трубопровода металлических пластин, одновременно разгоняемых навстречу друг другу с помощью зарядов взрывчатого вещества. При этом, согласно изобретению, перед осуществлением взрыва на наружной поверхности нагружаемого участка трубопровода устанавливают металлическое кольцо, размеры поперечного сечения которого не меньше толщины стенки трубопровода, а прочностные и пластические свойства материала кольца не ниже соответствующих свойств материала трубопровода.

Совокупность указанных существенных признаков необходима для решения поставленной задачи, исходя из объяснения факторов, определяющих протекание процесса нагружения и пластической деформации стенок трубопровода.

В результате инициирования заряда взрывчатого вещества (ВВ) с помощью генератора линейной детонационной волны пластины-ударники разгоняются скользящей детонационной волной до определенной скорости одновременно навстречу друг другу к оси трубопровода, осуществляя схлопывание его стенок. Последнее достигается, если скорость пластин-ударников достаточна для того, чтобы перевести материал стенок трубопровода в пластическое состояние, но не настолько велика, чтобы возбудить в жидкости волны сжатия большой интенсивности, и находится из условия полного перехода начальной кинетической энергии пластин в работу пластической деформации при схлопывании стенок трубопровода.

Существенным для решения поставленной задачи является предварительное размещение на внешней поверхности нагружаемого участка трубопровода металлического кольца, выполненного из материала с такими же или более высокими прочностными и пластическими свойствами, а размеры поперечного сечения кольца должны быть не менее толщины стенок трубопровода. В случае нагружения участка трубопровода ударниками, но без расположения на его внешней поверхности кольца в силу начальной цилиндрической геометрии всегда имеет место недожатие участка трубопровода у краев и в центре (эффект "восьмерки"). Расположение металлического кольца на наружной поверхности трубопровода позволяет устранить этот эффект за счет пластического течения материала стенок трубопровода в области расположения кольца, связанного с его вдавливанием в материал стенок трубопровода. Исходя из этого, необходимо, чтобы кольцо выполнялось из материала с такими же или более высокими прочностными и пластическими свойствами. Размеры поперечного сечения кольца выбираются опытным путем на трубопроводах различных размеров. Было установлено, что оптимальными является случай, когда размеры поперечного сечения кольца близки к толщине стенки трубопровода.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - фотография участка трубопровода до и после нагружения.

Устройство для реализации способа состоит из генератора линейной детонационной волны (1). На поверхности пластин-ударников (2) располагается заряд ВВ (3), который прикрыт экраном (4). Пластины-ударники располагаются пол углом к стенке трубопровода. На внешней поверхности трубопровода (5) располагается металлическое кольцо (6). Способ осуществляется следующим образом. На трубопровод перед осуществлением взрыва устанавливают кольцо (6). Заряды ВВ (3) инициируют генератором линейной детонационной волны (1) и разгоняют пластины-ударники (2) шириной, примерно равной (1 -2) R и длиной (4 - 6) R, которые при правильно выбранном угле ϕ подлетают параллельно навстречу друг другу и нагружают участок трубопровода (5) с металлическим кольцом (6), осуществляя его схлопывание.

Угол ϕ выбирается в зависимости от начальной скорости пластин-ударников, необходимой для схлопывания трубопровода того или иного типоразмера. Экраны (4) выполняют из того же материала, что и пластины-ударники, имеют равную им толщину и служат для увеличения коэффициента отбора энергии пластиной-ударником от заряда ВВ. Для реальных типоразмеров трубопроводов время работы устройства не превышает 1с.

Использование: в нефтегазовой промышленности и атомной энергетике. Сущность изобретения: на внешней поверхности перекрываемого трубопровода предварительно устанавливают металлическое кольцо. Размеры поперечного сечения кольца не менее толщины стенки трубопровода, а прочностные и пластические свойства материала кольца не ниже соответствующих свойств материала трубопровода. После этого осуществляют обжатие трубопровода с кольцом двумя металлическими пластинами, установленными с противоположных сторон трубопровода с зазором по отношению к нему, под острым углом друг к другу и оси трубопровода. Пластины одновременно разгоняют навстречу друг другу взрывом зарядов взрывчатого вещества, размещенных на внешней стороне каждой пластины. 2 ил.

Способ перекрытия трубопровода путем его обжатия двумя металлическими пластинами, установленными с противоположных сторон трубопровода с зазором по отношению к нему, под острым углом друг к другу и оси трубопровода и одновременно разгоняемыми навстречу друг другу взрывом зарядов взрывчатого вещества, размещенных на внешней стороне каждой пластины, отличающийся тем, что перед осуществлением взрыва на внешней поверхности трубопровода устанавливают металлическое кольцо, размеры поперечного сечения которого не меньше толщины стенки трубопровода, а прочностные и пластические свойства материала кольца не ниже соответствующих свойств материала трубопровода.