АВАРИЙНЫЙ ОТСЕКАТЕЛЬ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1999 года по МПК F16K17/22 

Изобретение относится к трубопроводному арматуростроению, а именно к автоматическим отсекателям трубопроводов. Изобретение может быть использовано в системах автоматической аварийной отсечки каналов возможного выхода в окружающую среду вредных продуктов взрывной аварии в технологических установках и локализующих системах химической и атомной промышленности, а также в локализующих системах безопасности атомных реакторов.

Известно устройство для аварийного перекрытия трубопроводов [1]. Устройство состоит из корпуса с входным и выходным патрубками, в котором размещаются запорный орган, удерживаемый в исходном положении спусковым механизмом с чувствительным элементов. При обрыве трубопровода за выходным патрубком под действием образовавшегося перепада давления на чувствительном элементе происходит выдавливание фиксатора и перемещение чувствительного элемента. При этом запорный орган освобождается и перекрывает трубопровод.

Данное устройство реагирует только на аварийное изменение параметров потока среды в самом трубопроводе и не может быть установлено на трубопроводы, которые непосредственно не связаны с контролируемым объемом.

Наиболее близким по технической сущности является отсечной аварийный клапан [2], содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в полости которого размещены запорный орган, спусковой механизм и чувствительный элемент. Спусковой механизм выполнен в виде шариковой защелки. Рабочие канавки защелки выполнены на хвостовике запорного органа и на стенках чувствительного элемента, который выполнен в виде стакана. Отверстия под шарики выполнены в направляющей между чувствительным элементом и запорным органом.

Между запорным органом и чувствительным элементом установлен упругий элемент - приводная пружина. При подаче среды во входной патрубок она обтекает чувствительный элемент, запорный орган и попадет в выходной патрубок. При достижении расходом среды максимально допустимого значения чувствительный элемент, преодолевая усилие приводной пружины и силы трения, перемещается, и канавки в нем совмещаются с отверстиями в направляющей. При этом шарики из канавок в хвостовике запорного органа вытесняются под действием приводной пружины в канавки на чувствительном элементе, освобождая запорный орган, который под действием приводной пружины перекрывает трубопровод.

Данный отсечной аварийный клапан реагирует на определенный допустимый расход среды в трубопроводе и, опять же, не может использоваться для перекрытия трубопроводов непосредственно не связанных с контролируемым аварийноопасным объемом. Данный клапан в принципе может реагировать на кратковременный импульс давления рабочей среды, передающийся по трубопроводу, например, при авариях взрывного типа. Однако, он имеет низкую чувствительность к воздействию такого типа импульсов вследствие того, что чувствительный элемент имеет большую массу и непосредственно подпружинен сильно приводной пружиной.

Данное изобретение направлено на решение технической задачи обеспечения возможности перекрытия трубопроводов, непосредственно не связанных с контролируемым объемом, в котором происходит аварийный взрыв, и повышения чувствительности отсекателя. Для этого в известный аварийный отсечный клапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в полости которого размещены взаимодействующие между собой чувствительный элемент, спусковой механизм и запорный орган, который приводится в движение упругим элементом (приводной пружиной), введены отличия, а именно: спусковой механизм помещен в отдельную газовую полость, сообщающуюся с контролируемым объемом посредством трубопровода с жесткими стенками, на конце трубопровода, введенного в контролируемый объем, размещен конфузор, направленный примерно на центр предполагаемого взрыва, чувствительный элемент выполнен в виде легкой пластинки, приводимой в движение импульсом давления, и спусковой механизм, срабатывающий от перемещения чувствительного элемента от исходного положения.

Спусковой механизм выполнен в виде полой обоймы с входным отверстием, которое располагается напротив входного отверстия газовой полости. Обойма может быть совмещена со стенками газовой полости, в которой соосно входному отверстию размещена с возможностью осевого перемещения цанга, соединенная штоком с запорным органом и снабженная выступами на наружной поверхности лепестков со стороны входного отверстия. На внутренней поверхности обоймы выполнен кольцевой бурт для взаимодействия с выступами лепестков цанги, причем взаимодействующие поверхности бурта и выступов скошены под углом, выбранным из условия обеспечения свободного взаимного скольжения, а чувствительный элемент выполнен в виде легкой пластины, подвижно установлен между лепестками цанги в распор и упруго нагружен в сторону входного отверстия обоймы.

Отличительными от прототипа являются следующие существенные признаки:
1) спусковой механизм имеет отдельную газовую полость;
2) трубопровод с жесткими стенками, соединяющий контролируемый объем с входным отверстием полости спускового механизма;
3) конфузор, размещенный на конце трубопровода, введенном в контролируемый объем;
4) чувствительный элемент, выполнен в виде легкой пластинки, установленной между лепестками цанги в распор и приводимой в движение импульсом давления;
5) спусковой механизм, срабатывающий от перемещения чувствительного элемента и выполненный в виде обоймы и цанги, причем взаимодействующие поверхности цанги и бурта обоймы скошены под углом, выбранным из условия свободного взаимного скольжения.

Совокупность этих признаков определяет решение технической задачи по обеспечению возможности перекрытия как газовых, так и жидкостных трубопроводов, непосредственно не связанных с контролируемых объемом, в котором происходит аварийный взрыв, и повышения чувствительности отсекателя. Предполагается, что контролируемый объем содержит газовую среду. При аварийном взрыве в контролируемом объеме импульс ударной волны улавливается и усиливается конфузором и передается по трубопроводу к спусковому механизму отсекателя, установленному на трубопроводе, который может быть не связан непосредственно с контролируемым объемом. Для передачи импульса давления по трубопроводу с минимальными потерями, стенки трубопровода должны быть жесткими. Импульс давления ударной волны воздействует на чувствительный элемент спускового механизма. Чувствительный элемент приходит в движение и, сжимая подпирающую пружину, выходит из зацепления с лепестками цанги. Лепестки цанги освобождаются и, сжимаясь, сходят с кольцевого бурта обоймы спускового механизма под действием приводной пружины отсекателя. Таким образом, спусковой механизм, срабатывает и отсекатель закрывается. Коэффициент усиления конфузора зависит от его угла раствора и отношения площадей на входе и выходе. Авторами экспериментально показано, что при угле раствора конфузора ≈ 30^o и отношении площадей на входе и выходе конфузора ≈ 25 импульс давления примерно в 5 раз выше, чем без конфузора.

Потребный импульс давления, необходимый для перемещения пластинки в спусковом механизме (чувствительность спускового механизма) зависит от усилия удержания пластинки цангой, площади пластинки, ее массы, величины перемещения пластинки, необходимого для снятия расклинивания лепестков цанги (размер A на фиг. 2), и величины усилия подпирающей пружины. Усилие удержания пластинки цангой зависит от величины угла α и усилия приводной пружины, а также от сил трения между пластинкой и цангой. С уменьшением угла α уменьшается и усилие удержания пластинки. Минимально необходимый угол в каждом конкретном случае может быть определен расчетным путем из условия незаклинивания цанги.

Для достижения высокой чувствительности спускового механизма площадь пластинки выбирается максимально возможной из конструктивных условий, а масса пластинки должна быть минимальной, что достигается за счет уменьшения толщины пластинки.

Необходимая для срабатывания отсекателя величина перемещения пластинки должна быть минимальной и приблизительно равной ее толщине. Усилие подпирающей пружины выбирается равным нескольким весам пластинки. Назначение подпирающей пружины - исключить смещение пластинки при возможных в эксплуатации толчках и вибрациях.

Таким образом, отличительные признаки в совокупности являются существенными, так как определяют решение поставленной задачи и определяют изобретательский уровень заявляемого устройства, так как представленное техническое решение ранее было неизвестным и явным образом не вытекает из современного уровня техники.

На фиг. 1 представлена схема отсекателя в исходном (открытом) положении; на фиг. 2 - схема спускового механизма отсекателя во взведенном состоянии.

В корпусе 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками размещены запорный орган 4 и спусковой механизм 5, помещенный в полость 6. Запорный орган нагружен приводной пружиной 7. Элементы крепления полости спускового механизма к корпусу не показаны. К входному отверстию полости спускового механизма подсоединен волновод 8, выполненный в виде трубопровода с жесткими стенками, на втором конце которого имеется приемный жесткий конфузор 9. Волновод сообщает между собой спусковой механизм и контролируемый объем 10, аварийный взрыв 11 в котором является сигналом для срабатывания отсекателя. Конфузор 9, улавливающий ударную волну 12 аварийного взрыва 11 направлен приблизительно к его центру. Импульс ударной волны взрыва, усиленный конфузором, передается по волноводу на спусковой механизм. Спусковой механизм содержит неподвижную цилиндрическую обойму 13, в которой соосно размещается цанга 14, соединенная штоком 15 с запорным элементом 4. В данном примере обойма спускового механизма конструктивно совмещена со стенками полости спускового механизма, что не является обязательным. Цанга имеет возможность осевого перемещения зацепления своими выступами 16, выполненными на наружной поверхности лепестков, с внутренним кольцевым буртом 17 обоймы. Лепестки цанги в состоянии зацепления расклинены чувствительным элементом в виде легкой приемной пластинки 18, подпираемый пружиной 19. Приемная пластинка расположена напротив входного отверстия в обойме 13, к которому подстыкован волновод 8. Опорные поверхности выступов цанги и кольцевого бурта имеют наклон с углом α, причем угол α подбирается из условия обеспечения свободного скольжения выступов лепестков по бурту в случае отсутствия пластинки 18.

Отсекатель работает следующим образом. В исходном состоянии отсекатель открыт, и рабочая среда свободно транспортируется по трубопроводу. При этом приводная пружина 7 и спусковой механизм 5 взведены и удерживаются расклинивающей лепестки цанги 14 приемной пластинкой 18 сколь угодно долго.

При аварийном взрыве 11 импульс ударной волны 12 улавливается и усиливается приемным конфузором 9 и передается по волноводу 8 со скоростью звука к входному отверстию обоймы 13 спускового механизма 5. Здесь импульс ударной волны воздействует на легкую приемную пластину 18 и вышибает ее внутрь цанги 14, сжимая слабую пружину 19. Лепестки цанги 14 освобождаются. Под действием усилия приводной пружины 7 запорный орган 4 вместе с цангой 14 и штоком 15 быстро перемещаются в направлении выходного патрубка 3 и перекрывают трубопровод. При этом лепестки цанги 14 выходят из зацепления с кольцевым буртом 17 обоймы 13 за счет скольжения по наклонной опорной поверхности и прогибания внутрь. Скоростной напор рабочей среды в перекрываемом трубопроводе способствует ускорению процесса перекрытия.

Высокая чувствительность спускового механизма достигается тем, что приемная пластинка 18 выполнена очень легкой, а усилие удержания ее в цанге, создаваемое приводной пружиной, снижено за счет снижения расклинивающих лепестки цанги усилий при уменьшении угла α и за счет малого коэффициента трения между приемной пластинкой и лепестками цанги в местах их взаимного скольжения. В примере расчета, проведенного авторами, показано, что отношение усилия приводной пружины к усилию удержания приемной пластинки (передаточное отношение) достигает ≈ 11,4 при α = 30^o (для стальных цанги и пластинки).

Источники информации
1. Устройство для аварийного перекрытия трубопровода. Авторское свидетельство СССР N 1488651, МКИ F 16 K 17/22, 23.06.89.

2. Отсечной аварийный клапан. Авторское свидетельство СССР N 1551927, МКИ F 16 K 17/22, 23.03.90.

Устройство относится к арматуростроению и может быть использовано в системах автоматической аварийной отсечки каналов возможного выхода в окружающую среду продуктов взрывной аварии в химической и атомной промышленности. Спусковой механизм запорного органа размещен в отдельной газовой полости, сообщенной трубопроводом с контролируемым объемом. Он включает полую обойму с кольцевым буртом на внутренней поверхности и подвижную в осевом направлении цангу, соединенную штоком с запорным органом. На наружной поверхности лепестков цанги выполнены выступы для зацепления с кольцевым буртом. Между лепестками цанги в распор установлена чувствительная пластинка, подпружиненная в сторону входного отверстия газовой полости. На конце трубопровода, введенном в контролируемый объем, размещен конфузор. Отсекатель обеспечивает возможность перекрытия трубопроводов, непосредственно не связанных с аварийноопасным объемом, позволяет расширить интервал допустимых параметров взрывной аварии в сторону меньших значений. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Аварийный отсекатель трубопроводов, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в полости которого размещены взаимодействующие между собой запорный орган, который подпружинен в сторону выходного патрубка, спусковой механизм запорного органа и чувствительный элемент спускового механизма, отличающийся тем, что спусковой механизм помещен в отдельную газовую полость, входное отверстие полости сообщается с контролируемым объемом посредством трубопровода, на конце которого, введенном в указанный объем, размещен конфузор, спусковой механизм выполнен в виде полой обоймы с входным отверстием, расположенным напротив входного отверстия газовой полости, в обойме соосно входному отверстию размещена с возможностью осевого перемещения цанга, соединенная штоком с запорным органом и снабженная выступами на наружной поверхности лепестков со стороны входного отверстия, на внутренней поверхности обоймы выполнен кольцевой бурт для зацепления с выступами лепестков цанги, причем взаимодействующие поверхности бурта и выступов скошены под углом, выбранным из условия свободного взаимного скольжения, а чувствительный элемент выполнен в виде пластинки, подвижно установленной между лепестками в распор, и подпружинен в сторону входного отверстия. 2. Аварийный отсекатель по п.1, отличающийся тем, что трубопровод, соединяющий контролируемый объем с полостью спускового механизма, выполнен с жесткими стенками. 3. Аварийный отсекатель по п.1, отличающийся тем, что обойма спускового механизма конструктивно совмещена со стенками газовой полости.