УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА Российский патент 1999 года по МПК F16L55/45 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации жидкостных и парожидкостных систем, а именно нефтепроводов, водоводов, тепловых сетей, устройств водоотлива из шахт, рудников и метро, систем расхолаживания атомных электростанций и т.п.

При пуске и остановке жидкостных систем в них возникают переходные процессы, сопровождающиеся нередко быстрым изменением скорости потока и повышением давления жидкости. Это повышение давления в гидродинамике получило название гидравлического удара: весьма опасного явления, способного разрушить трубопроводы, насосы и другие элементы, входящие в состав указанных систем.

Известны устройства, предохраняющие жидкостные системы от разрушительного действия гидравлических ударов, содержащие принудительно управляемые предохранительные клапаны, объединяющие функции задвижки и обратного клапана; насосы, допускающие обратное вращение ротора; воздушные емкости и аккумуляторы, выполняющие роль гасителей колебаний давления жидкости; специальные клапаны для срыва вакуума, если в трубопроводе невозможно избежать разрыва сплошности жидкости и т.п. [1, 2, 3 и 4].

Недостатки известных устройств для защиты жидкостных систем от действия гидравлического удара вытекают из их инерционности - как правило, наблюдается проскок части ударной волны, - если в качестве таких устройств используются механические предохранительные клапаны или вантузы; а также из больших размеров и способности насыщать кислородом воздуха жидкость, протекающей по системе, что в свою очередь приводит к повышенной коррозии металлических трубопроводов системы, если для этих целей используются воздушные емкости.

Наиболее близким решением к заявляемому изобретению является устройство для локализации гидравлического удара, описанное в [3].

Устройство [3] включает герметическую емкость (воздушный колпак) и задвижку или обратный клапан, соединенных между собой и остальными элементами жидкостной системы трубопроводами.

Недостатком этого решения является необходимость создания в воздушном колпаке избыточного давления, величина которого, например при глубине шахты или рудника 1000 м, может достигать 10 МПа. Воздух при таком давлении будет настолько изначально сжат, что его дальнейшее сжатие в процессе локализации гидравлического удара будет весьма незначительным. Поэтому, чтобы такой локализатор выполнил свое предназначение, он должен иметь большие размеры, а это, в свою очередь, повлечет за собой соответствующее увеличение толщины стенок и металлоемкости устройства. Кроме того, под таким давлением воздух будет активно растворяться в жидкости (воде). Для восполнения воздуха данное устройство должно иметь специальный компрессор, что заметно усложняет и повышает стоимость решения поставленной задачи.

Одновременно следует учитывать то, что в ряде случаев, когда длина волны гидравлического удара не находится в соответствии с объемом воздуха, можно получить обратный эффект: воздух выполнит роль сжатой пружины, которая не только не уменьшит удар по системе, а, наоборот, еще больше его усилит. Такой ход событий не исключается, поскольку гидравлические удары, как правило, являются следствием случайных событий, поэтому параметры этих волн также являются случайными величинами, то есть такими, которые заранее определить трудно.

Кроме того, как было выше указано, воздух, содержащийся в колпаке, может насыщать кислородом протекающую по нему жидкость, что увеличит скорость коррозии жидкостной системы и одновременно сократит срок ее службы.

Для увеличения эффективности локализатора гидравлических ударов: уменьшения давления в нем, его размеров и веса, устранения необходимости постоянной подкачки воздуха, исключения насыщения кислородом протекающей жидкости и увеличения срока службы жидкостной системы предлагается устройство, содержащее герметичную емкость, заполненную жидкостью и плавающими в ней полыми, покрытыми слоем резины и находящимися под вакуумом шарами из хрупкого, коррозионностойкого материала, преимущественно из стекла. Эти шары по внешнему виду, по конструкции и по способу изготовления напоминают обрезиненные электрические лампочки. Прочность полых шаров выбирают таким образом, чтобы они сохранялись в условиях рабочего давления в гидравлической системе и разрушались при повышении давления по каким-либо причинам до значения, опасного (предельного) для элементов этой системы. Чтобы уменьшить объем затекающей жидкости в герметичную емкость и соответственно ее размеры и количество полых шаров, указанную герметичную емкость снабжают обратным клапаном, установленным за этой емкостью по ходу движения жидкости.

Новым в заявляемом изобретении является введение внутрь воздушного колпака вместо воздуха покрытых слоем резины, полых, находящихся под вакуумом шаров из хрупкого материала, преимущественно из стекла. Прочность этих шаров обеспечивает их сохранность при воздействии давления не менее рабочего, но не выше предельного в данной точке системы.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

Перечисленные новые признаки в совокупности позволят существенно повысить технико-экономические показатели локализаторов гидравлических ударов. Использование стекла в качестве материала для изготовления полых шаров обеспечивает практически неограниченный срок их службы.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез заявленного устройства; на фиг. 2 приведен поперечный разрез этого же устройства.

Устройство содержит резервуар 1, выполняющий роль воздушного колпака в известном устройстве, внутри которого в перфорированном каркасе 2 расположены покрытые резиной 3, полые, находящиеся под вакуумом шары 4 из хрупкого материала (стекла). За упомянутым резервуаром, по ходу жидкости, расположен обратный клапан 5. Для подвода и отвода жидкости предусмотрены трубопроводы 6 и 7.

Заявленное устройство работает следующим образом. В обычном режиме жидкость от какого-либо источника с помощью, например, насоса (на чертеже не показан), подается по трубопроводу 6, далее проходит через резервуар 1, через обратный клапан 5 и трубопровод 7 к потребителю (на чертеже не показан) данной жидкости. При возникновении гидравлического удара в результате, например, мгновенного закрытия задвижки у потребителя, ударная волна со скоростью 500-1300 м/с (для стальных и чугунных труб) будет распространятся в сторону обратного клапана 5. В момент подхода волны гидравлического удара к обратному клапану 5 этот клапан начнет закрываться, однако часть жидкости, из-за инерционности клапана и большой скорости распространения ударной волны, успеет до его полного закрытия перетечь в резервуар 1. В результате поступления дополнительной жидкости в резервуар 1, давление в нем (учитывая, что жидкости, в отличие от воздуха, практически не сжимаются) может значительно повысится.

Однако при повышении давления выше расчетного происходит разрушение полых, находящихся под вакуумом шаров 4. Объем, ранее занимаемый этим шаром, заполнится жидкостью и давление в резервуаре 1 понизится до расчетного. Таким образом, воспринимая на себя ударную волну, данное устройство защищает от разрушения все элементы, расположенные от источника жидкости до обратного клапана 5. К этим элементам преимущественно относят насосные станции, как наиболее слабое и дорогостоящее звено всей гидравлической системы. Небольшой слой резины 3 вокруг полых шаров 4 и перфорированный каркас 2 предохраняют гидравлическую систему от засорения остатками шаров, разрушившихся при воздействии гидравлического удара. Периодически резервуар 1 вскрывают, и разрушившиеся шары 4 заменяют на целые.

Список источников:
1. Боярский В.А., Киров И.П. "Водоотлив и осушение на горных предприятиях", М., Высшая школа, 1980 г., стр. 223.

2. Абрамов Н. Н., Гениев Н.Н., Павлов В.И. "Водоснабжение", М., Госстройиздат, 1985, стр. 125 и 126, рис. 81.

3. Френкель Н. З. "Гидравлика", М.-Л., Гос. энергетическое изд. 1947, стр. 289, рис. 202.

4. Седых Н. А., Ильин Ю.А. "Сейсмостойкий водовод" Изобретение, а.с. N 211883, 1984 г.

Устройство предназначено для защиты жидкостных систем, например нефтепроводов, водоводов, тепловых сетей и т.п., от воздействия гидравлических ударов, которые возникают при пуске и остановке указанных систем, в результате землетрясений и в других случаях. Устройство для локализации гидравлических ударов состоит из последовательно соединенных по ходу движения жидкости герметичной емкости и обратного клапана. Причем для восприятия избыточной жидкости, притекающей при гидравлическом ударе, указанная емкость снабжена покрытыми слоем резины, полыми, находящимися под вакуумом, хрупкими (стеклянными) шарами, разрушающимися при превышении давления в системе, выше допустимого. Технический результат - повышение надежности жидкостных систем. 2 ил.

Устройство для защиты жидкостных систем от гидравлического удара, содержащее герметичную емкость для восприятия избыточной жидкости и обратный клапан, соединенные между собой последовательно по ходу движения жидкости, а также с остальными элементами системы с помощью трубопроводов, отличающееся тем, что в герметичную емкость введены покрытые слоем резины, полые, находящиеся под вакуумом шары из хрупкого материала, преимущественно стекла, прочность которых ограничена значениями давления, опасными для системы.