ИМПУЛЬСНЫЙ ОТКРЫВАЮЩИЙ КОЛЬЦЕВОЙ КЛАПАН Российский патент 2000 года по МПК F16K17/14 

Клапан относится к трубопроводному арматуростроению, а именно к устройствам аварийного открытия трубопроводов, срабатывающих от внешних импульсных источников управляющего давления газа или жидкости. Клапан может быть использован в системах аварийного охлаждения ядерных реакторов, а также для аварийного открытия трубопроводов в теплоэнергетике, нефтегазовой и химической промышленности.

Известен клапан для сосудов под давлением (патент Великобритании N 1363951, кл. F 16 K 17/14, 1972, публикация 1974 г., 21 августа, N 4455), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, проходной канал которого нормально закрыт запорным элементом, подпружиненным в направлении действия давления рабочей среды. Запорный элемент имеет ослабляющую проточку, выполненную с возможностью открытия проходного отверстия в нем при разрушении запорного элемента по проточке и извлечении из него центральной части. Центральная часть запорного элемента посредством штока взаимодействует с поршневым приводом, встроенным непосредственно в корпус устройства. Расширяющаяся камера поршневого привода сообщается с источником управляющего давления, в качестве которого в клапане применена взрывная камера с зарядом пороха. Проходной канал клапана имеет поворот оси на 90^o. Ввод штока в проходной канал клапана уплотнен сальником. Клапан эксплуатируется в режиме ожидания. При срабатывании клапана поджигается пороховой заряд, импульс давления поступает на поршневой привод, который посредством штока выдергивает из запорного элемента его центральную часть, разрушая ослабляющую проточку, центральная часть запорного элемента перемещается в крайнее положение и заклинивается в конусном упоре, освобождая проходной канал. После падения давления пороховых газов в положении "открыто" клапан продолжает удерживаться пружиной и давлением рабочей среды.

Недостатки клапана: работает только при одностороннем направлении подачи давления на патрубки клапана; имеет большое гидравлическое сопротивление проточной части из-за поворота потока на 90^o; имеет ненадежную изоляцию полости привода от среды в трубопроводе.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является кольцевой клапан со встроенным поршневым приводом, представленный на стр. 299 справочника "Трубопроводная арматура с автоматическим управлением", под общей редакцией С. И. Косых, Л. "Машиностроение", 1982 г., 318 с.

Клапан имеет выполненный в виде местного расширения трубопровода корпус с патрубками для подсоединения ветвей трубопровода. В корпусе соосно ему установлен на ребрах обтекаемый сердечник, образующий вместе с корпусом кольцевой проходной канал. В сердечник встроен поршневой привод, связанный штоком с выдвигаемым из сердечника обтекаемым запорным элементом, который в выдвинутом положении перекрывает проходной канал. Полости привода сообщаются с внешним источником управляющего давления.

Данный клапан принципиально может работать в качестве открывающего клапана. При этом клапан эксплуатируется в нормально закрытом положении при подаче постоянного управляющего давления в поршневой привод в направлении закрытия и срабатывает при переключении управляющего давления в обратном направлении. Клапан может работать при произвольном направлении действия давления рабочей среды в открываемом трубопроводе. В положении "открыто" клапан обладает низким гидравлическим сопротивлением, для удержания клапана в открытом положении необходима постоянная подача на поршневой привод управляющего давления в направлении открытия. Внешний источник управляющего давления позволяет размещать клапан в недоступном для персонала месте, например в необслуживаемых помещениях реакторной установки.

Применительно к использованию данного клапана в качестве устройства для аварийного открытия трубопроводов систем охлаждения ядерных реакторов он обладает существенными недостатками:
1. неоправданно сложен по конструкции для устройств, которые, как правило, срабатывают однократно при тяжелой аварии, после которой необходима полная остановка и ремонт реактора,
2. требует постоянного наличия управляющего давления для удержания клапана как в положении "закрыто", так и в положении "открыто",
3. имеет подвижные эластичные уплотнения поршня и штока, вследствие чего ограничена температура эксплуатации клапана уровнем термостойкости уплотнений и не исключены нежелательные протечки среды из трубопровода в линии управляющего давления и наоборот через уплотнение штока, а также требуется периодическая замена уплотнений с полной разборкой клапана,
4. недостаточно надежная изоляция ветвей трубопровода через уплотнение в месте контакта запорного органа с корпусом.

Заявляемое техническое решение направлено на упрощение конструкции клапана, достижение надежного удержания клапана в положении "закрыто" и "открыто" без постоянной подачи управляющего давления, поднятие верхнего предела температуры эксплуатации до уровня температуры эксплуатации самого трубопровода, исключение протечек среды из трубопровода в линии управляющего давления и наоборот, устранение необходимости технического обслуживания клапана в течение всего срока службы, исключение протечек среды между ветвями трубопровода.

Для этого в известный кольцевой клапан, содержащий корпус в виде местного расширения трубопровода с патрубками для ветвей трубопровода, встроенный внутрь корпуса обтекаемый сердечник, закрепленный в корпусе соосно ему и образующий вместе с корпусом кольцевой проходной канал, встроенный в сердечник поршневой привод с расширяющейся камерой, сообщающейся с внешним источником управляющего давления, и запорный элемент, перемещаемый приводом вдоль оси корпуса с возможностью открытия нормально закрытого проходного канала, введены отличия.

Цилиндр поршневого привода выполнен подвижным, а поршень неподвижным, цилиндр совмещен с запорным элементом, а поршень - с сердечником. Уплотнение поршня с цилиндром выполнено в виде сильфона, закрепленного герметично одним концом на поршне, а другим на цилиндре, причем сильфон выполнен пластически деформируемым при сжатии - растяжении. Запорный элемент соединен с корпусом неразъемным герметичным соединением и имеет ослабленную кольцевую перемычку, выполненную с возможностью ее разрыва и последующего открытия проходного канала клапана при перемещении запорного элемента в положение "открыто".

Введенные изменения позволяют существенно упростить конструкцию, во-первых, за счет совмещения цилиндра привода с запорным элементом и поршня с сердечником, во-вторых, за счет исключения штока и подвижных уплотнений поршня и штока и, в-третьих, за счет исключения второй камеры в цилиндре, противоположной расширяющейся камере. Применение неразъемного герметичного соединения запорного элемента с корпусом позволяет надежно изолировать ветви трубопровода друг от друга при любом направлении перепада давления на запорном элементе. Применение сильфона позволяет исключить протечки рабочей среды из трубопровода в расширяющуюся камеру привода и затем в линии управляющего давления за счет герметичности самого сильфона и мест крепления его концов. Использование пластически деформируемого сильфона при срабатывании клапана обеспечивает фиксацию запорного элемента в положении "открыто", исключая необходимость поддержания управляющего давления на определенном уровне, а также значительно увеличивает рабочий ход сильфона при небольшой его длине, что при упругом сильфоне потребовало бы значительного увеличения длины самого сильфона и соответствующего увеличения осевого габарита клапана. Ослабленная кольцевая перемычка на запорном элементе позволяет снизить усилие его отрыва от корпуса при срабатывании клапана до требуемого по условиям применения клапана уровня. Наконец, применение для всех деталей клапана материала с термостойкостью не ниже, чем у материала трубопровода (например, металла), позволяет снять ограничения по эксплуатационной температуре клапана по сравнению с трубопроводом.

Конструкция заявляемого клапана приведена на фиг. 1, а на фиг. 2 - сечение клапана по оси трубки для подвода управляющего давления.

На фиг. 1 выше оси показано положение клапана "закрыто", а внизу - "открыто". Представлена цельносварная неразборная конструкция клапана. Клапан содержит корпус 1 с патрубками для подсоединения ветвей трубопровода, внутри которого на ребрах закреплен соосно ему обтекаемый сердечник 2, совмещенный с поршнем поршневого привода. Подвижный запорный элемент 3 совмещен с цилиндром привода. Уплотнение между поршнем и цилиндром выполнено в виде пластичного сильфона 4, прикрепленного герметично одним концом к сердечнику 2, а другим - к цилиндру 3. Сильфон выполнен за одно целое с концевой частью запорного элемента, что необходимо по условиям сборки клапана. Концевая часть запорного элемента соединена с корпусом посредством ослабленной кольцевой перемычки 5. Трубка 6 соединяет расширяющуюся камеру 7 привода с внешним источником управляющего давления (на фиг. не показан).

Клапан может работать при любом направлении подачи давления среды в трубопроводе. Стрелками на фиг. 1 показан поток среды через открытый клапан для одного из двух возможных направлений потока. Клапан срабатывает однократно и эксплуатируется в режиме ожидания. При возникновении аварийной ситуации, вызывающей необходимость срабатывания клапана, на него от внешнего источника подается импульс управляющего давления требуемого уровня. Под действием давления управляющей среды в расширяющейся камере 7 развивается усилие отрыва запорного элемента 3 от корпуса 1. При достижении этим усилием уровня разрыва ослабленной кольцевой перемычки 5, с учетом имеющегося усилия от перепада давления среды на запорном элементе, происходит отрыв запорного элемента от корпуса и перемещение его в положение "открыто". При этом происходит пластическое деформирование сильфона 4, а запорный элемент перемещается до полного сжатия сильфона. Ход запорного элемента и конфигурация открывающегося кольцевого окна подбираются такими, чтобы обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление проходного канала. После снятия импульса управляющего давления открытое положение клапана удерживается затем сколь угодно долго за счет сохранения состояния сжатия пластически деформируемого сильфона.

Импульсный открывающий кольцевой клапан предназначен для аварийного открытия трубопроводов в теплоэнергетике, нефтегазовой и химической промышленности. Импульсный открывающий кольцевой клапан содержит корпус в виде местного расширения трубопровода с патрубками для присоединения ветвей трубопровода; закрепленный внутри корпуса соосно ему обтекаемый сердечник, образующий вместе с корпусом кольцевой проходной канал; встроенный в сердечник поршневой привод с расширяющейся камерой, сообщающейся с внешним источником управляющего давления, и запорный элемент, перемещаемый поршневым приводом вдоль оси корпуса с возможностью открытия нормального закрытого проходного канала. Цилиндр поршневого привода выполнен подвижным, а поршень - неподвижным. Причем цилиндр совмещен с запорным элементом, а поршень - с сердечником. Уплотнение поршня с цилиндром выполнено в виде пластически деформируемого сильфона, закрепленного герметично одним концом на запорном элементе, а другим - на сердечнике. Запорный элемент соединен с корпусом неразъемным герметичным соединением и имеет ослабленную кольцевую перемычку, выполненную с возможностью ее разрыва и последующего открытия проходного канала при перемещении запорного элемента в положение "Открыто". Изобретение позволяет упростить конструкцию клапана, достигнуть надежного удержания клапана в положении "Закрыто" и "Открыто" без постоянной подачи управляющего давления, исключить протечки среды между ветвями трубопровода. 2 ил.

Импульсный открывающий кольцевой клапан, содержащий корпус в виде местного расширения трубопровода с патрубками для подсоединения ветвей трубопровода, закрепленный внутри корпуса соосно ему обтекаемый сердечник, образующий вместе с корпусом кольцевой проходной канал, встроенный в сердечник поршневой привод с расширяющейся камерой, сообщающейся с внешним источником управляющего давления, и запорный элемент, перемещаемый поршневым приводом вдоль оси корпуса с возможностью открытия нормально закрытого проходного канала, отличающийся тем, что цилиндр поршневого привода выполнен подвижным, а поршень - неподвижным, причем цилиндр совмещен с запорным элементом, а поршень - с сердечником, уплотнение поршня с цилиндром выполнено в виде пластически деформируемого сильфона, закрепленного герметично одним концом на запорном элементе, а другим - на сердечнике, запорный элемент соединен с корпусом неразъемным герметичным соединением и имеет ослабленную кольцевую перемычку, выполненную с возможностью ее разрыва и последующего открытия проходного канала при перемещении запорного элемента в положение "Открыто".