РАСШИРЯЕМАЯ ЗАГЛУШКА И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F16L55/12 

Настоящее изобретение относится к расширяемой заглушке, приспособленной для герметизации или для регулирования давления или расхода внутри трубы, а также к способу регулирования.

Расширяемые заглушки этого обобщенного типа находят применение в тех случаях, когда по определенной причине обычное клапанное управление расходом оказывается неприменимым, например, когда положение нужного уплотнения или регулятора относительно трубы не зафиксировано, нужное уплотнение является временным или наружная часть трубы оказывается недоступной.

Общий подход к устройству и конструкции расширяемых заглушек предусматривает использование эластомерного цилиндра или баллона, у которого вызывают принудительное увеличение диаметра. Этого можно достичь с помощью различных механических средств или путем приложения внутреннего давления.

В процессе применения заглушка должна будет противостоять расширению по диаметру и осевому давлению, причем последнее может быть вызвано трением (в случаях, когда заглушка движется относительно трубы) и перепадом давления текучей среды в трубе по заглушке.

Заглушки, расширяемые механическими средствами, подходят только для случаев с относительно небольшими коэффициентами расширения и/или низкими значениями осевого давления. Более значительные коэффициенты расширения могут потребоваться, например, в случаях, когда непредусмотренная гидравлическая закупорка трубы не может быть допустима при нерасширяющейся заглушке, или когда диаметр трубы может варьироваться или увеличиваться под давлением текучей среды позади заглушки. В таких случаях предпочтительным является расширение под воздействием внутреннего давления.

Настоящее изобретение относится, в своей первой форме, к расширяемой заглушке раздувного типа и имеет своей целью предложение конструкции заглушки, не требующей избыточного давления для раздувания и способной противостоять значительным осевым усилиям.

Этот первый аспект настоящего изобретения предлагает надувную заглушку, содержащую раздувной баллон, приспособленный к диаметральному расширению под воздействием внутреннего давления текучей среды, средство подачи текучей среды, сообщающееся с внутренней полостью баллона для обеспечения его связи с источником раздувающей текучей среды и армирующее средство, включающее гибкие армирующие шнуры, обеспечивающие армирование заглушки в осевом направлении и диаметральную опору баллона, причем каждый из указанных шнуров при раздувании баллона сдвигается в боковом направлении. Шнуры предпочтительно выполняются из множества нитей, не перекрученных между собой, что позволяет нитям каждого шнура сдвигаться в боковом направлении при раздувании баллона.

Шнуры предпочтительно протягиваются между противоположными осевыми концами баллона, образуя конверт, окружающий наружную поверхность баллона, и оказывая незначительное сопротивление диаметральному расширению баллона или не оказывая его совсем.

Второй аспект изобретения относится к способу контролирования раздувания расширяемой заглушки в трубе, так, чтобы регулировать перепад давления в трубе, или допускать утечку текучей среды через заглушку, путем регулирования внутреннего давления в заглушке согласно формуле:
P_p = ΔP+P_d,
где P_P - давление, приложенное к заглушке;
ΔP - перепад давления по заглушке;
P_d - давление, приложенное для расширения заглушки до диаметра d без ограничения (давление свободного расширения);
d - диаметр ограничивающей трубы.

Ниже будут описаны некоторые предпочтительные варианты реализации изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематически показано изображение сбоку, частично в разрезе, предпочтительного устройства заглушки;
на фиг. 2 показано перспективное изображение части баллона со снятой оболочкой с тем, чтобы продемонстрировать спиральное расположение армирующего шнура;
на фиг. 3 и 4 схематически показан сдвиг шнуров по мере раздувания заглушки; и
на фиг. 5-7 приведено схематическое изображение, иллюстрирующее способ регулирования согласно второму аспекту настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов реализации изобретения.

Обычно заглушка состоит из двух торцевых крышечных элементов 10, между которыми простирается цилиндрический баллон 12. Расположенный выше по потоку крышечный элемент 10а имеет вход 14 для текучей среды, предназначенный для поступления жидкости или газа с целью раздувания баллона. На практике торцевые крышки могут быть идентичными, а расположенная ниже по потоку торцевая крышка может быть перекрыта или иметь ограниченную пропускаемость, чтобы создавать противодавление. По меньшей мере, одна из торцевых крышек физически соединяется с наружной опорой, чтобы обеспечить сопротивление осевому давлению на заглушку. Это сопротивление обычно обеспечивается трубой (не показана), по которой поступает текучая среда для раздувания.

Баллон 12 должен быть сформирован из трубы из эластомерного материала, обладающего высокой растяжимостью и низкой жесткостью, чтобы обеспечивать диаметральное расширение без разрушения. Это особенно важно в тех случаях, когда требуется высокий коэффициент расширения.

Эластомерный баллон крепится к торцевым крышкам посредством копрессионного уплотнения 16 или с помощью других подходящих средств. Каждое уплотнение сжимается между прижимным фланцем 18 и прокладочным блоком 20 при затягивании гайки 22 на валу 24 прижимного фланца.

Армирующий конверт 26 выполнен из гибких шнуров 28, которые окружают наружную поверхность баллона, причем шнуры лучше видны на фиг.2. Шнур может быть нанесен путем обматывания ряда расположенных под углом крепежных штифтов 30 (показано на фиг. 1), установленных на каждой торцевой крышке. Шнуры, выполненные из неэластомерного материала, охватывают баллон, совсем или практически не оказывая сопротивления диаметральному расширению. Можно предполагать, что зазор между шнурами будет возрастать по мере увеличения окружности заглушки. В пределах такого зазора эластомерный баллон остается без поддержки, в связи с чем следует использовать многочисленные, тесно расположенные шнуры. Шнуры могут быть закрыты в случае необходимости второй эластомерной оболочкой 34, расположенной вне заглушки.

В варианте, показанном на фиг. 2, шнуры уложены под небольшим углом наклона, например менее 15^o, к оси заглушки, с двумя и более слоями 32а, 32b шнуров в противоположно направленных спиралях. Это способствует размещению шнуров во время расширения, хотя и за счет некоторого увеличения сопротивления в диаметральном направлении, связанного с круговой составляющей направленности шнура.

Наиболее подходящий армирующий шнур изготавливается путем скручивания вместе большого количества отдельных нитей. Скручивание не допускает раздвижения шнура и обеспечивает более высокую упругость. Однако заявитель обнаружил, что в данной сфере применения скрученный шнур нежелателен, поскольку шнуры создают сильные местные напряжения в эластомере и могут прорезать баллон. Заявитель обнаружил, что при использовании не скрученного шнура нити раздвигаются в боковом направлении по расширяющейся поверхности баллона, распределяя нагрузку и не допуская прорезания баллона.

На фиг.3 и 4 показано это боковое смещение шнуров в процессе раздувания. На фиг.3 показано параллельное расположение шнура на нераздутой заглушке. На фиг.4 показана та же заглушка в раздутом состоянии. Можно видеть, что ширина не скрученных шнуров возрастает по мере расширения баллона. Для наглядности на фиг. 3 и 4 шнуры показаны широко раздвинутыми. На практике шнуры предпочтительно укладываются более плотно с небольшим зазором или без него.

В принципе шнуры могут быть изготовлены из любого материала, обладающего подходящими характеристиками, в общем такими как высокое временное сопротивление, высокий коэффициент упругости, высокая гибкость и приемлемая химическая совместимость с применяемой текучей средой. Возможно применение хлопчатобумажного, металлического или синтетического волокна. Очень удачные заглушки получаются с использованием арамидных шнуров, которые состоят из очень большого количества очень тонких нитей и могут быть получены в нескрученной форме.

Для конструкции заглушки важно, чтобы все шнуры были равны по натяжению и длине. Один шнур, который окажется несколько слабее других, может сместиться при расширении и оставить не имеющий поддержки зазор эластомерного баллона. Способ, позволяющий добиться равномерного натяжения, заключается в установке крепежных колец шнура на подходящей жесткой раме и в использовании противовесов для шнуров, обеспечивающих постоянство натяжения.

В альтернативном варианте реализации армирующий конверт может быть выполнен как одно целое с эластомерным материалом баллона и оболочки. Использование не скрученных шнуров допускает боковое смещение нитей, уменьшая тенденцию шнуров к разрыву эластомерной основы композитного материала в процессе расширения.

Конструкция, являющаяся предметом настоящего изобретения, обеспечивает получение заглушки в высшей степени анизотропными свойствами, а именно:
1. Способность принимать диаметральное расширение без разрушения и без необходимости в избыточном давлении, то есть высокая способность к деформации в круговом направлении и низкая жесткость; и
2. Способность переносить осевые нагрузки, вызванные перепадом давления по заглушке, т. е. очень высокая прочность и высокая жесткость в осевом направлении.

Свойства диаметрального расширения заглушки ведут к относительно низкому давлению свободного расширения, т.е. давлению, необходимому для расширения заглушки до диаметра трубы без ограничения. Это обеспечивает возможность точного регулирования раздувания заглушки, что в свою очередь позволяет контролировать давление выше по потоку или расход в трубе, как будет описано ниже.

Неожиданно заявитель обнаружил, что между давлением, приложенным изнутри в расширяемой заглушке, и давлением, которое может сохраниться позади заглушки, существует точная и предсказуемая взаимосвязь, которая описывается следующей формулой:
P_p = ΔP+P_d,
где P_P - давление, приложенное к заглушке;
ΔP - - перепад давления по заглушке;
P_P - давление, приложенное для расширения заглушки до диаметра d без ограничения (давление свободного расширения);
d - диаметр ограничивающей трубы.

На фиг. 5-7 проиллюстрированы параметры способа регулирования. На фиг. 5 показана нерасширенная заглушка, при атмосферном давлении как снаружи, так и внутри заглушки. На фиг. 6 заглушка расширяется до диаметра d без ограничивающей трубы за счет создания давления свободного расширения P_d внутри заглушки. На фиг. 7 заглушка расширяется внутри трубы 36 с внутренним диаметром d и в объеме внутри трубы выше заглушки повышается до ΔP. Минимальное давление в заглушке P_P, необходимое для поддержания перепада давлений ΔP, может быть рассчитано как сумма давления свободного расширения и перепада давлений.

Заявитель обнаружил, что за счет контроля внутреннего давления в заглушке по существу в соответствии с настоящим изобретением давление в трубе выше заглушки может регулироваться точно, когда текучая среда начнет проникать мимо заглушки при перепаде давлений, превышающем ΔP. Регулирование давления в заглушке по существу в соответствии с указанной формулой особенно полезно для тех сфер применения, в которых наблюдается относительное смещение заглушки и трубы. В таких сферах применения можно добиться протекания оставшейся текучей среды по поверхности заглушки с образованием тонкой пленки, которая служит, таким образом, смазкой при относительном смещении и уменьшает связанные с трением нагрузки на наружную поверхность заглушки.

Точность регулирования зависит от давления свободного расширения заглушки. Если оно очень велико, требуется большое давление заглушки для достижения герметизации, что препятствует точности управления системой. Поэтому желательно, чтобы давление свободного расширения поддерживалось на как можно более низком уровне, причем эта цель достигается с помощью конструкции заглушки, соответствующей первому аспекту изобретения.

Для целей регулирования давления еще одной важной характеристикой такой заглушки является отношение ее длины к диаметру (L/D). Предполагается, что максимальный диаметр расширения заглушки достигается в том случае, когда шнуры образуют сферу. После достижения этой точки дальнейшее повышение давления не может привести к дальнейшему увеличению диаметра. (В действительности при перепаде давления по заглушке эта точка никогда не сможет быть достигнута). В связи с этим устанавливается нижний предел длины заглушки. При приближении к этому нижнему пределу чувствительность заглушки уменьшается, т. е. давление свободного расширения заглушки возрастает, и в предельном значении, до бесконечности. Поэтому кажется очень желательным иметь длинную заглушку. Обнаружено, однако, что при слишком длинной заглушке возникает проблема стабильности, из-за которой заглушка последовательно сплющивается от верхнего к нижнему концу, а оставшаяся жидкость выбрасывается струями. Критическое верхнее значение отношения и L/D зависит от ряда факторов, включая податливость системы нагнетания (определяющуюся объемом и упругостью трубопроводов и насосов, так же как характером удерживаемой текучей среды и текучей среды для раздувания). В случае воды удачные отношения L/D для заглушки составляют менее приблизительно 8:1.

Хотя выше приведены описания конкретных вариантов реализации настоящего изобретения, специалистам в данной области должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано в других специфических формах без отступления от его ключевых характеристик. Настоящие варианты реализации и примеры должны, следовательно, рассматриваться во всех отношениях в качестве иллюстрирующих, а не ограничительных, и объем изобретения обозначен скорее прилагаемой формулой изобретения, а не предшествующим описанием, и все изменения, подпадающие под содержание и в рамки эквивалентности пунктов формулы должны, следовательно, охватываться ими.

Расширяемая заглушка предназначена для регулирования давления или расхода в трубе. Заглушка содержит раздуваемый баллон для диаметрального расширения под воздействием внутреннего давления текучей среды, поступающей на вход. Заглушка армируется конвертом из шнуров, раздвигающихся в боковом направлении при раздувании баллона, обеспечивая диаметральную опору баллона. Раздуваемая заглушка, установленная в трубе с внутренним диаметром d, управляется по формуле P_p= ΔP+Pd, в которой P_p - внутреннее давление в заглушке, ΔP - перепад давления по заглушке и P_d - давление свободного расширения заглушки до диаметра d. Повышает точность регулирования. 3 с. и 10 з. п.ф-лы., 7 ил.

1. Раздуваемая заглушка, содержащая раздуваемый баллон, выполненный с возможностью диаметрального расширения под воздействием внутреннего давления текучей среды, средство подачи текучей среды, сообщающееся с внутренней полостью баллона для ее соединения с источником раздувающей текучей среды, и армирующее средство, включающее гибкие армирующие шнуры, обеспечивающие осевое армирование заглушки и диаметральную опору баллона, отличающаяся тем, что каждый шнур содержит множество нитей, причем нити не перекручены между собой, а шнуры раздвигаются в боковом направлении при раздувании баллона. 2. Раздуваемая заглушка по п.1, отличающаяся тем, что шнуры образуют конверт, окружающий наружную поверхность баллона. 3. Раздуваемая заглушка по п.2, отличающаяся тем, что шнуры расположены вплотную, по существу обеспечивая полную опору наружной поверхности баллона. 4. Раздуваемая заглушка по п.3, отличающаяся тем, что шнуры расположены между противоположными осевыми концами баллона. 5. Раздуваемая заглушка по п.4, отличающаяся тем, что шнуры расположены по спирали по наружной поверхности баллона. 6. Раздуваемая заглушка по п.5, отличающаяся тем, что шнуры расположены под углом наклона менее 15^o относительно оси заглушки. 7. Раздуваемая заглушка по п.5, отличающаяся тем, что заглушка имеет два или более слоев шнуров, проходящих в противоположных направлениях. 8. Раздуваемая заглушка по п.2, отличающаяся тем, что шнуры имеют по существу одинаковое натяжение и длину. 9. Раздуваемая заглушка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит расположенные выше и ниже по потоку торцевые элементы на соответствующих противоположных концах баллона, причем по меньшей мере в одном из этих торцевых элементов предусмотрено средство подачи текучей среды и средство соединения с наружной опорой. 10. Раздуваемая заглушка по п.1, отличающаяся тем, что отношение длины заглушки к ее диаметру составляет менее 8 : 1. 11. Раздуваемая заглушка по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оболочку поверх шнуров. 12. Способ поддержания заданного перепада давления ΔP по раздуваемой заглушке, расположенной в трубе с внутренним диаметром d при относительном смещении заглушки и трубы, отличающийся тем, что допускают протечку вокруг заглушки смазывающего слоя содержащейся в трубе текучей среды за счет приложения и поддержания в заглушке внутреннего давления P_p по существу по формуле
P_p = ΔP+P_d,
где P_p - внутреннее давление;
ΔP - перепад давления;
P_d - внутреннее давление, необходимое для расширения заглушки до диаметра трубы d без ограничения. 13. Способ поддержания заданного перепада давления ΔP по раздуваемой заглушке, расположенной в трубе с внутренним диаметром d, отличающийся тем, что прилагают и поддерживают в заглушке внутреннее давление P_p по существу по формуле
P_p = ΔP+P_d,
где P_p - внутреннее давление;
ΔP - перепад давления;
P_d - внутреннее давление, необходимое для расширения заглушки до диаметра трубы d без ограничения.