УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВАРИЙНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 1999 года по МПК F16K17/40 F16K15/14 

Изобретение относится к предохранительной арматуре для трубопроводов преимущественно с газом под давлением и предназначено для их надежного перекрытия в случае аварийной разгерметизации.

Известно устройство для аварийного перекрытия трубопровода (а.с. 1488651 F 16 K 17/22, опубл. БИ N 23, 23.06.89), обеспечивающее повышение надежности работы за счет сокращений утечек рабочей среды.

В нем при обрыве трубопровода под действием образовавшегося перепада давления происходит перемещение чувствительного элемента. Одновременно происходит расфиксирование пружины, которая своим усилием ускоряет движение чувствительного элемента. Перемещение чувствительного элемента сопровождается освобождением запорного элемента, контактирующего с толкателем. Запорный элемент перекрывает трубопровод, исключая подачу среды из входного патрубка в аварийный трубопровод.

Однако при достаточно высокой степени надежности работы эта конструктивно сложная система не обеспечивает равнопроходность трубопровода, что затрудняет (или вообще исключает) его чистку.

Известно устройство - предохранительный клапан (а.с. 1451398 F 16 K 17/22, опубл. БИ N 2, 15.01.89), обеспечивающий прекращение аварийного истечения газа из поврежденного газопровода. Он содержит запорный орган, связанный кинематической связью с чувствительным элементом управляющего механизма, рабочая полость которого сообщена с полостью выходного патрубка, причем запорный орган выполнен в виде шарнирно закрепленной на корпусе поворотной заслонки, седло клапана, взаимодействующее с запорной поверхностью заслонки, выполнено на выходном патрубке и расположено под углом к его оси. Особенностью предохранительного клапана является то, что крепление заслонки расположено под выходным патрубком, поверхность торца входного патрубка выполнена по траектории перемещения обращенной к ней боковой поверхности заслонки, ось входного патрубка смещена вверх относительно оси выходного, диаметр входного патрубка выполнен меньше диаметра выходного патрубка, причем в открытом положении клапана ниже кромки торцов патрубков расположены в плоскости рабочей поверхности заслонки, а поверхность, противоположная рабочей поверхности заслонки, сопряжена с поверхностью корпуса.

В случае аварии под действием возникшей разности давлений между надпоршневой полостью чувствительного элемента и рабочей полостью поршень чувствительного элемента опускается и вызывает перемещение заслонки. Заслонка прижимается к седлу, перекрывая выходной патрубок и прекращая аварийное истечение газа.

Обеспечивая высокую степень надежности клапан обладает следующими недостатками: эта конструктивно сложная система не обеспечивает равнопроходность трубопровода, что затрудняет (или вообще исключает) его чистку.

Наиболее близким к предлагаемому устройству из известных (прототипом) является устройство - предохранительный клапан (а.с. 1603122 F 16 K 17/24, опубл. БИ N 40, 30.10.90), обеспечивающий прекращение аварийного истечения газа из поврежденного газопровода. Он содержит корпус с входным и выходным патрубками; рабочую полость (камеру), соединенную через клапан с трубопроводом; размещенные в корпусе вне сечения трубопровода запорный и чувствительный элементы, выполненные за одно целое в виде поворотной заслонки, поверхность которой совмещена с поверхностью входного патрубка, шарнирно соединенной с корпусом. В случае разрыва трубопровода давление в нем резко падает и рабочая среда вытекает в виде струи из рабочей полости через открытое отверстие, расположенное под заслонкой; вытекающая струя ударяет в заслонку и приподнимает ее; затем заслонка подхватывается потоком рабочей среды и запирает трубопровод.

Недостатком клапана является его относительная конструктивная сложность и недостаточная надежность: сила, действующая на заслонку, определяется давлением на ограниченной площади (с характерным масштабом порядка диаметра отверстия), и в некоторых аварийных ситуациях (например, в случае, когда разрыв трубопровода находится на сравнительно большом расстоянии от клапана) эта сила может оказаться недостаточной для подъема заслонки; (кроме этого существует опасность засорения отверстия).

Трубопроводы широко используются для транспортировки газов (в том числе сжиженных) под давлением во многих типах производств: химических, нефтехимических и др. Природный газ, добываемый на месторождениях, транспортируется в магистральных газопроводах диаметром до 1420 мм при давлении до 75 атм со скоростью до 15 м/с. Трубопроводы также используются в контурах ядерных реакторов, по которым прокачиваются как жидкости (в частности, перегретые), так и газы.

Ряд крупных аварий на газопроводах в нашей стране нанесли большой материальный урон и были причиной многих человеческих жертв. Во многих случаях разгерметизация газопроводов при авариях носит взрывной характер вследствие распространения усталостной трещины, либо вследствие разрушения трубопровода при взрыве вытекшего в атмосферу через "свищ" горючего газа. Взрывной характер может носить разгерметизация при землетрясениях и преднамеренных подрывах продуктопроводов при диверсиях или террористических актах.

Горючие газы в смеси с воздухом образуют взрывоопасную смесь. При аварийном вытекании в атмосферу большого объема газа может возникнуть опасность крупномасштабной катастрофы вследствие взрыва этой смеси. Утечка токсичных газов может привести к отравлению людей в производственных помещениях и на прилегающей территории.

Разрыв трубопроводов в контурах атомного реактора может также иметь тяжелые последствия.

По этим причинам актуальной является разработка надежных быстродействующих устройств, запирающих трубопровод при аварийном разрыве трубопровода.

Предлагаемое устройство для аварийного перекрытия трубопровода (автозатвор) имеет следующие преимущества:
- сравнительная простота конструкции и, следовательно, малая металлоемкость и стоимость;
- высокая надежность срабатывания.

Этот технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями, размещенные в нем запорный и чувствительный элементы выполнены как одно целое, а рабочая полость запорного элемента сообщена с полостью трубопровода, запорный элемент выполнен в виде патрубка, консольно и герметично закрепленного в выходном отверстии корпуса: размеры, форма, толщина стенки и материал патрубка выбраны из условия обеспечения возможности его схлопывания и запирания трубопровода в аварийном режиме течения.

Эти условия реализуются в следующей конструкции. Патрубок может быть выполнен в форме полого тела вращения с цилиндрической внутренней и конической наружной поверхностью, размеры и материал которого определены соотношениями

где ; R - внутренний радиус патрубка; E и σ_s - модуль Юнга материала патрубка и его предел текучести при одноосном растяжении, соответственно; h₁ - толщина стенки свободного конца патрубка; P - давление силы, схлопывающей патрубок;

где σ_в предел прочности материала патрубка при одноосном растяжении; h₂ - толщина стенки патрубка в месте закрепления; P_s - максимальное давление на запорный элемент при аварийном перекрытии трубопровода;
L ≥ R/arcsinγ_в, (3)
где L - длина патрубка; γ_в - деформация разрушения при сдвиге.

Патрубок может иметь и иные формы: это может быть полое тело вращения, у которого цилиндрической является наружная поверхность, а внутренняя конической; или обе поверхности являются или цилиндрическими, или коническими. Патрубок может иметь форму правильной (или даже неправильной) полой призмы, т. е. в поперечном сечении это может быть правильный или неправильный многоугольник (квадрат, шестиугольник, прямоугольник и пр.). Толщина стенок граней этих призм может отличаться от соседних граней в пределах одного патрубка.

Форма образующей боковых поверхностей патрубка не обязательно является прямой линией; это может быть и кривая второго и более высокого порядка. Наконец, она может быть ломаной линией.

В общем случае сложной формы патрубка выбор его размеров может производиться при помощи численных расчетов по трехмерным программам с учетом прочности, (смотри, например: A.I.Abakumov, V.Yu.MeItsas, V.P.Soloyjov et al. Dynamic Behaviour Of Composite Shells Under Explosion Load. Computational and Experimental Studies // Int. Workshop on New Models and Numerical Codes for Shock Wave Processes in Condensed Media, Oxford, Sept. 15-19, 1997].

Патрубок автозатвора прост в изготовлении; вследствие малого количества деталей (патрубок и корпус) он имеет относительно малые металлоемкость и стоимость.

Поскольку патрубок герметично и консольно закреплен в выходном отверстии корпуса, то при течении газа по трубопроводу как в рабочем, так и в аварийном режиме имеется разность давления между наружной и внутренней поверхностью патрубка, поскольку внутри патрубка газ течет, а в рабочей полости (которая сообщается с трубопроводом через зазор между свободным концом патрубка и входным отверстием корпуса) он находится практически в состоянии покоя и давление здесь выше, чем внутри патрубка, т.е. существует постоянная сила, стремящаяся схлопнуть патрубок, однако этому препятствует прочность патрубка. В рабочем режиме течения в трубопроводе сила схлопывания уравновешивается прочностью патрубка; однако в аварийном режиме скорость течения нарастает и растущая сила схлопывания преодолевает прочность патрубка; он теряет устойчивость и схлопывается на свободном конце. При этом толщина стенки патрубка в корне (в месте крепления патрубка к трубопроводу) и его длина выбираются такими, что после схлопывания он приобретает форму неправильного конуса, который запирает трубопровод и удерживает газ.

Рабочая полость сообщается с трубопроводом через зазор между свободным концом патрубка и входным отверстием корпуса, который выбирается таким образом, чтобы давление в ней успевало подстраиваться под режим течения в трубопроводе во всех вариантах рабочего режима: при запуске трубопровода; при его остановке; при колебаниях скорости течения.

Падение давления в трубопроводе в случае аварии является быстродействующим нестационарным процессом. Выравнивание давления над и под патрубком из-за вытекания газа из рабочей полости через зазор в трубопровод происходит не мгновенно, а с некоторой задержкой, и поэтому патрубок оказывается границей областей с разным давлением, т.е. возникает дополнительная сила, направленная от периферии к центру и стремящаяся схлопнуть патрубок. В отличие от прототипа, в котором сила, действующая на запорный элемент (заслонку), определяется давлением на ограниченной площади (с характерным масштабом порядка диаметра отверстия), в нашем случае разность давления прикладывается ко всей площади патрубка, поэтому действующее на патрубок усилие будет существенно выше. После начала схлопывания патрубка момент газодинамической схлопывающей силы возрастает, т.е. реализуется положительная обратная связь.

В то же время в рабочем режиме работы трубопровода, при его запуске, остановке, колебаниях давления и скорости течения газа изменения носят сравнительно медленный, квазистатический характер с характерными временами по крайней мере в несколько раз, а, как правило, на несколько порядков большими, чем в случае аварии, и в результате давление в рабочей полости успевает подстраиваться под течение в трубопроводе. При течении газа в канале трубопровода возникает схлопывающая сила, действующая на патрубок и образующаяся за счет асимметрии течения внутри патрубка (в трубопроводе) и вне патрубка (в рабочей полости). В любом случае скорость потока внутри патрубка больше скорости потока на внешней поверхности патрубка (под патрубком в рабочей полости, где газ практически покоится) и вследствие этого возникает разность давлений на патрубке. Для несжимаемой жидкости давление схлопывающей силы для совершенного газа с показателем адиабаты Пуассона

где v, p и ρ - скорость, давление и плотность в потоке газа или жидкости в трубопроводе в месте установки автозатвора, соответственно.

В процессе различных режимов работы трубопровода (запуск, остановка, колебания параметров течения в рабочем режиме) меняется скорость и плотность газа в трубопроводе - при этом меняется и момент схлопывающей силы, стремящейся схлопнуть патрубок. Поэтому необходимо, чтобы действие схлопывающей силы потока, которое может достигаться в рабочем режиме течения, компенсировалось прочностью патрубка.

В случае возникновения аварии - разрыва защищаемого участка трубопровода (расположенного ниже или выше описываемого устройства по течению газа) в трубопроводе возникает нестационарное течение - от места разрыва к автозатвору движется волна разрежения, за фронтом которой давление и плотность газа в трубопроводе падает, а скорость нарастает. При этом вследствие того, что параметры газа в рабочей полости не успевают подстраиваться под быстро меняющиеся параметры газа в трубопроводе, нарастает и схлопывающая сила, действующая на патрубок.

Когда схлопывающая сила преодолевает действие сил прочности, свободный конец патрубка теряет устойчивость и он начинает схлопываться, угол атаки передней кромки патрубка к потоку возрастает и, соответственно, возрастает схлопывающая сила, что приводит к его захлопыванию вплоть до полного перекрытия трубопровода.

Критерием потери устойчивости патрубка является формула (I), полученная с использованием аппроксимаций [Г. .Линдберг Повышение напряжений в кольце при динамической потере устойчивости // В сб. "Механика. Новое в зарубежной науке. Вып. 8: Нестационарные процессы в деформируемых телах" М.: Мир, 1976, с. 25-50].

Толщина стенки патрубка в корне (в месте крепления патрубка к трубопроводу) и его длина выбираются такими, что после схлопывания он приобретает форму неправильного конуса, который запирает трубопровод и удерживает газ; способность схлопнувшегося патрубка сохранять устойчивость и целостность его стенки в месте крепления к трубопроводу определяется выполнением условии (2) и (3) [В.Л. Бидерман. Механика тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, 1977; Перцев А.К., Платонов Э.Г. Динамика оболочек и пластин: нестационарные задачи. Л., Судостроение, 1987].

Таким образом, патрубок автозатвора прост в изготовлении; вследствие малого количества деталей (патрубок и корпус), он имеет относительно малые металлоемкость и стоимость. Автозатвор имеет повышенную надежность по сравнению с прототипом, в частности, в силу исключения отказа вследствие засорения отверстия.

Патрубок может устанавливаться как симметрично, так и асимметрично по отношению корпуса автозатвора, т.е. зазор между стенкой патрубка и корпусом может быть асимметричным.

Описанная конструкция автозатвора будет перекрывать трубопровод в случае его разрыва ниже по течению газа (естественно, что при этом предполагается дозвуковой рабочий режим течения газа в трубопроводе). Возможна установка рядом двух описываемых устройств, одно из которых перекрывает трубопровод при его разрыве ниже по течению, а второе - перекрывает трубопровод при его разрыве выше по течению газа. В этом случае второй автозатвор должен устанавливаться зеркально симметрично относительно первого, т.е. передняя кромка патрубка должна располагаться по отношению к рабочему потоку газа не с "наветренной", а с "подветренной" стороны.

Возможно также применение описываемого устройства для предотвращения быстрого распространения пламени в воздуховодах, заполненных смесью горючих газов с воздухом (например, в каналах систем вентиляции взрывоопасных производств), или в штреках подземных выработок, в которых возможны возгорания и взрывы газов или пылевоздушной смеси. В этом случае впереди фронта пламени распространяется волна сжатия (со скачком скорости), которая может захлопнуть автозатвор и тем самым позволит обеспечить локализацию пламени.

Возможно также использование автозатвора в системах вентиляции взрывоопасных производств для локализации экологически опасных продуктов аварии взрывного типа. В этом случае продукты взрыва, разлетаясь, создают впереди себя воздушную волну сжатия со скачком скорости, под действием которой автозатвор захлопнется до выхода через систему вентиляции наружу продуктов взрыва.

Таким образом, простота конструкции автозатвора сочетается с его надежностью, и одновременно достигается удобство эксплуатации: все элементы автозатвора находятся вне проходного сечения трубопровода и входят внутрь сечения только при возникновении аварии, что обеспечивает возможность периодической чистки трубопровода.

Описанное устройство может использоваться преимущественно в газопроводах, но в определенных условиях может использоваться в трубопроводах со сжиженным газом (в случае когда в результате аварии сжиженный газ в трубопроводе испаряется) и даже в трубопроводах с жидкостью (в случае, когда жидкость проталкивается сжатым газом).

Перечень фигур.

Фиг. 1. Схема автозатвора для трубопровода. Здесь: 1- трубопровод; 2 - корпус автозатвора; 3, 4 - входное и выходное отверстие корпуса; 5- патрубок; 6 - рабочая полость, 7 - зазор между патрубком и корпусом, стрелкой указано направление течения в трубопроводе.

Фиг. 2. Схема проведения эксперимента с моделью автозатвора. 8 - расходный бак; 9 - диафрагма с системой ее разрушения.

Фиг. 3. Фотография узла автозатвора: а) исходная форма патрубка; б) схлопнувшийся патрубок.

Сведения, подтверждающие возможность достижения технического результата. Схема конкретного выполнения заявляемого устройства приведена на фиг.1. Здесь в цилиндрический трубопровод 1 вмонтирован цилиндрический корпус 2 с входным отверстием 3 и выходным отверстием 4. В начале выходного отверстия корпуса 4 устанавливается запорный элемент в виде патрубка 5, консольно и герметично закрепленного в выходном отверстии корпуса, размеры, форма, толщина стенки и материал патрубка выбраны из условия обеспечения возможности его схлопывания и запирания трубопровода в аварийном режиме течения, определяемого соотношениями (1) - (3). Рабочая полость 6, расположенная между патрубком 5 и корпусом 2 автозатвора, соединяется с внутренним объемом трубопровода 1 через зазор 7 между свободным концом патрубка и корпусом автозатвора.

В рабочем режиме течения в трубопроводе (в направлении, указанном стрелкой) рабочая полость 6 через зазор 7 заполняется сжатым газом, транспортируемым по трубопроводу. Для совершенного газа с показателем адиабаты Пуассона γ - давление торможения (в рабочей полости)

где v, p и ρ - скорость, давление и плотность в потоке газа в трубопроводе в месте установки автозатвора (для несжимаемой жидкости это давление При этом на запорный элемент действует относительно небольшая схлопывающая сила, которая, уравновешивается прочностью патрубка. При запуске трубопровода, его остановке и небольших колебаниях рабочего режима давление газа в рабочей полости через зазор 7 подстраивается под течение в трубопроводе. Прочность стенки запорного элемента при этом выбирается достаточной для того, чтобы компенсировать действие возникающей при этом схлопывающей силы.

При возникновении аварии давление в месте разрыва быстро падает до атмосферного, к автозатвору идет волна разрежения и скорость потока в области автозатвора значительно возрастает и, соответственно, возрастает схлопывающая сила, которая преодолевает прочность патрубка и при выполнении условия (1) свободный (тонкий) край патрубка начинает движение к оси трубопровода; возрастает угол атаки кромки патрубка к потоку; возрастает схлопывающая сила; в результате патрубок теряет устойчивость и схлопывается в передней части, приобретая форму неправильного конуса, который запирает трубопровод. При выполнении условий (2) (необходимое условие устойчивости патрубка после схлопывания) и (3) (необходимое условие отсутствия среза консольно закрепленного края патрубка при схлопывании) прочность этого конуса оказывается достаточной для того, чтобы запереть трубопровод и устоять перед напором заторможенного потока газа. Давление при резком перекрытии трубопровода составляет для совершенного газа P_s ≈ P + p (для жидкости P_s ≈ ρvc).

Установка, на которой проводилась проверка работоспособности модели описанного AЗ (фиг. 2), состоит из расходного бака 8 объемом ≈ 10 л и врезанного в него трубопровода 1 (диаметром 20 мм), в котором установлена модель автозавора 5 в виде схлопывающегося патрубка из алюминиевого сплава АМЦ с цилиндрической внутренней и слабоконической наружной поверхностями. В качестве рабочей среды в установке использовались а) сжатый воздух и б) вода, ускоряемая сжатым воздухом. Рабочее давление в установке до 160 атм.

В конце трубопровода устанавливалась диафрагма 9 и система быстрой разгерметизации трубопровода (разрушения диафрагмы).

При проведении эксперимента замкнутый объем установки заполняется сжатым воздухом до заданного давления и затем производится прорыв диафрагмы и начинается истечение газа из расходного бака через трубопровод (в экспериментах со сжатым воздухом).

Была проведена серия экспериментов, в которых варьировалось начальное давление газа. В результате варьировалась скорость течения воздуха по трубопроводу и, соответственно, величина схлопывающей силы на патрубке модели автозавора. Было определено давление, при котором происходит схлопывание патрубка (фиг.3). При давлении меньшем критического патрубок не схлопывался. Анализ результатов экспериментов показывает, что полученное значение критической величины давления согласуется с условиями (1)-(3).

Была проведена также серия экспериментов с водой, в которых расходный бак заполнялся частично водой, приводимой в движение сжатым воздухом. В этих экспериментах патрубок не схлопывался при давлении меньшем критического и схлопывался при давлении, превышающем критическое значение.

Таким образом, эксперименты подтвердили надежность срабатывания простой конструкции патрубка автозатвора при достижении критических параметров течения.

Изобретение относится к предохранительной арматуре для трубопроводов и может быть использовано преимущественно в газопроводах под давлением (в некоторых случаях в трубопроводах со сжиженным газом или даже жидкостью) для их надежного перекрытия в случае их аварийной разгерметизации или в системах вентиляции взрывоопасных производств для локализации продуктов аварии взрывного типа. Устройство для аварийного перекрытия трубопровода для транспортировки преимущественно газов под давлением содержит корпус с входным и выходным отверстиями, размещенные в нем запорный и чувствительный элементы, выполненные как одно целое в виде патрубка, консольно и герметично закрепленного в выходном отверстии корпуса с возможностью схлопывания и запирания трубопровода в аварийном режиме течения. Техническим результатом является сравнительная простота конструкции и, следовательно, малая металлоемкость и стоимость, повышенная надежность срабатывания. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для аварийного перекрытия трубопровода для транспортировки преимущественно газов под давлением, содержащее корпус с входным и выходным отверстиями, размещенные в нем запорный и чувствительный элементы выполнены как одно целое, а рабочая полость запорного элемента сообщена с полостью трубопровода, отличающееся тем, что запорный элемент выполнен в виде патрубка, консольно и герметично закрепленного в выходном отверстии корпуса с возможностью схлопывания и запирания трубопровода в аварийном режиме течения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что патрубок выполнен в форме полого тела вращения с цилиндрической внутренней и конической наружной поверхностью, размеры и материалы которого определены соотношениями

где
R - внутренний радиус патрубка;
E и σ_s - модуль Юнга материала патрубка и его предел текучести при одноосном растяжении соответственно;
h₁ - толщина стенки свободного конца патрубка;
P - давление силы, схлопывающей патрубок в аварийном режиме;
L ≥ R/arcsinγ_в,
где L - длина патрубка;
γ_в - деформация разрушения при сдвиге,

где σ_в - предел прочности материала патрубка при одноосном растяжении;
h₂ - толщина стенки патрубка в месте закрепления;
R_s - максимальное давление на запорный элемент при аварийном перекрытии трубопровода.