Область техники
Настоящее изобретение раскрывает запорное устройство для труб большого диаметра для остановки потока жидкости внутри требуемой трубы. Соответствующая область техники относится к трубам в целом, точнее к устройствам или вспомогательным элементам для использования в трубах или системах труб или в связи с ними. Раскрытое запорное устройство вводится в трубу в осевом направлении и расширяется in situ для выполнения требуемой задачи. Настоящее изобретение является одним из технических решений, в котором расширение осуществляется радиально, т. е. путем радиального расширения уплотнительного корпуса.
Техническая задача
Уплотнение систем, находящихся под давлением, является важной частью процессов технического обслуживания, обеспечивающих соответствующее физическое разделение потока жидкости внутри системы, нуждающейся в таком техническом обслуживании. Уплотнение труб – довольно простая задача, если диаметр трубы небольшой, а давление жидкости низкое. Проблемы с уплотнением in situ возникают для труб диаметром более 0,5 м, а также при давлении более 1,5 бар, при этом такие запорные устройства должны выдерживать усилие более 120 кН без изгиба, что в конечном итоге приводит к утечке текучей среды. Последнее чрезвычайно важно, если запорное устройство установлено внутри атомной электростанции или трубопроводной системы нефтяной вышки, где необходимо проводить ремонтные работы. А именно, раскрытое запорное устройство должно обеспечивать безопасную и бесперебойную работу всей проверяемой системы, за исключением той части, которая изолируется для проведения технического обслуживания.
Помимо приведенных выше проблем, конкретные проблемы возникают, когда уплотнительное устройство должно проходить через диаметр, который значительно меньше диаметра в участке уплотнения. На практике, когда соотношение между диаметром (d) входа, куда вставляется запорное устройство, и диаметром (D) участка уплотнения, расположенного где-то внутри трубы, составляет (d/D)≈0,5, трудно выполнить уплотнение большого диаметра, которое было бы надежным и могло бы выдерживать значительное давление, оказываемое на указанное устройство.
Первая техническая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в образовании запорного устройства для больших труб, которое способное к вставке внутри трубы диаметром более 0,5 м и с давлением текучей среды более 1,5 бар, предпочтительно диаметром до 0,9 м и давлением текучей среды до 2 бар, а также в создании идеального уплотнения, даже если диаметр входа на 50% меньше места уплотнения. Все решения предшествующего уровня техники, используют эластичное уплотнительное средство для окончательного уплотнения внутреннего диаметра трубы. Указанный метод хорошо работает при низком давлении жидкости. При повышении давления или при большом диаметре эластичное уплотнительное средство склонно к деформации, если оно не поддерживается должным образом, что приводит к утечке и растрескиванию под действием давления текучей среды. Указанная техническая задача была решена с помощью специально разработанного набора прижимных лопастей, которые поддерживают эластичное уплотнительное средство, т. е. резину, по всему диаметру уплотнения, тем самым предотвращая любые чрезмерные деформации эластичного уплотнительного средства.
Вторая техническая задача, подлежащая решению настоящим изобретением, заключается в обеспечении того, чтобы указанное запорное устройство для больших труб имело коэффициент расширения, т. е. отношение «минимальный/максимальный диаметр» механизма расширительного кольца, ниже 0,5, предпочтительно близкий к 0,46.
Легко найти техническое решение с заданным соотношением d/D. Однако в предшествующем уровне техники ничего не говорится о решениях, которые одновременно отвечают желаемому коэффициенту расширения наряду с требованиями к диаметру трубы до 0,9 м и давлению текучей среды до 2 бар внутри указанной трубы.
Вторая техническая задача решается путем тщательно продуманной укладки указанного набора прижимных лопастей, поддерживающих эластичное уплотнительное средство, для достижения желаемого коэффициента расширения приблизительно 0,46.
Уровень техники
В настоящем документе более подробно рассматриваются несколько документов предшествующего уровня техники, относящихся к запорному устройству для труб большого диаметра.
Китайский патент CN106523845B на изобретение: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАГЛУШКИ ТРУБОПРОВОДОВ (PIPELINE PLUGGING DEVICE); поданный на имя 
Fuzhou Water Pipe Network Maintenance Co., Ltd; раскрывает устройство для заглушки или для уплотнения. Согласно реферату и фигурам, приведенное устройство имеет механизм расширительного кольца, который взаимодействует посредством зеркально установленного набора шарнирных рычагов, соединенных с нижней и верхней монтажными пластинами и расширительным кольцом. Последнее расширительное кольцо взаимодействует со шпиндельным механизмом. Вся механическая система закрыта эластичным средством для защиты от протечек. Система очень прочная, и в соответствии с конструкцией, раскрытой в патентной спецификации, указанная система имеет коэффициент расширения, близкий к 0,57. Более того, наш расчет методом конечных элементов (МКЭ) показывает, что отсутствие прижимных лопастей и случай, при котором приложенное давление составляет более 0,5 бар, приводят к значительным деформациям резины между шарнирными рычагами, при этом эластичное средство не имеет опоры. Последнее ясно демонстрирует, что раскрытое в настоящем документе запорное устройство для труб большого диаметра имеет нетривиальные преимущества перед приведенным документом CN, характеризующим предшествующий уровень техники; например, оно может выдерживать большее давление и имеет лучший коэффициент расширения, чем указанное в CN106523845B решение. Тем не менее, CN106523845B представлен как наиболее близкий документ предшествующего уровня техники для раскрываемого в настоящем документе изобретения.
Китайская полезная модель CN202674700U для настоящего изобретения: МЕХАНИЗМ РАСШИРЕНИЯ ЗАКУПОРИВАНИЯ УСТРОЙСТВА ЗАГЛУШКИ (EXPANSION PLUGGING MECHANISM OF PLUGGING DEVICE); поданная на имя Shenyang Wanda Petrochemical Equipment Co Ltd.; раскрывает другой механизм уплотнения трубы, подходящий для труб большого диаметра. Кроме того, присутствует механизм расширительного кольца, а механическая часть закрыта эластичным уплотнительным средством. Преимуществом описанной системы является ее простота по сравнению с CN106523845B и настоящим изобретением. Однако умеренный коэффициент расширения и отсутствие средств поддержки давления делает ее уступающей CN106523845B и настоящему изобретению.
Корейский патент KR100728766B1 выдан на изобретение: ШИБЕРНЫЙ ЗАТВОР ДЛЯ ТРУБОПРОВОДА (THE FLUID-CROSSING GATE FOR PIPELINE); поданный на имя KOREA WATER RESOURCES CORP.; раскрывает еще одно запорное устройство для труб большого диаметра, способное вставляться перпендикулярно в поток текучей среды. В приведенном документе представлено радиально расширяющееся уплотнительное средство, которое использует давление текучей среды для улучшения уплотнения со стенкой внутренней трубы после механической активации указанного уплотнения. Согласно представленным фигурам, можно предположить, что коэффициент расширения близок к 0,6. Уплотнение представляется менее эффективным по сравнению с ранее приведенным предшествующим уровнем техники по причине меньшего радиально прикладываемого усилия уплотнения, приложенного к расширительному элементу. Настоящий документ представляет собой документ, определяющий уровень техники в целом.
В предшествующем уровне техники ничего не говорится о запорном устройстве для труб с поддерживающими эластичными средствами, которые поддерживают всю поверхность механизма расширительного кольца, предотвращая деформацию эластичных средств, т. е. резины, под воздействием давления жидкости. Кроме того, можно предположить, что коэффициент расширения из ближайшего документа предшествующего уровня техники уступает коэффициенту расширения раскрытого изобретения в следствии усовершенствованной трехслойной конструкции расширительного кольца, реализованной в настоящем изобретении.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении раскрыто запорное устройство для труб большого диаметра с механизмом расширительного кольца, образованным между верхней монтажной пластиной и нижней монтажной пластиной. Верхняя монтажная пластина имеет ряд радиально распределенных шарнирных механизмов, к которым присоединены с возможностью поворота верхние шарнирные рычаги. Аналогично, нижняя монтажная пластина имеет ряд радиально распределенных шарнирных механизмов, к которым присоединены с возможностью поворота соответствующие нижние шарнирные рычаги. Указанные нижние шарнирные рычаги дополнительно оснащены соответствующими лопастями.
Механизм расширительного кольца содержит множество кольцевых сегментов, каждый из которых оснащен одним из соответствующих двойных шарнирных механизмов, к которым присоединены с возможностью поворота верхние шарнирные рычаги к верхним сторонам указанных двойных шарнирных механизмов, и к которым присоединены с возможностью поворота нижние шарнирные рычаги к нижним сторонам указанных двойных шарнирных механизмов. Монтажные пластины дополнительно механически соединены с помощью средства привода расширения, которое обеспечивает возможность изменения управляемым образом относительного расстояния между указанными монтажными пластинами. Изменение расстояния между монтажными пластинами изменяет радиус механизма расширительного кольца, расположенного между монтажными пластинами. Изменение расстояния оказывает усилие на набор верхних шарнирных рычагов и набор нижних шарнирных рычагов, благодаря чему кольцевые сегменты толкаются в радиальном направлении, когда расстояние между монтажными пластинами уменьшается, и кольцевые сегменты втягиваются в радиальном направлении, соответственно, когда расстояние между монтажными пластинами увеличивается.
Нижняя монтажная пластина имеет водонепроницаемо установленную полую мачту со сплошным основанием, при этом указанная мачта имеет внутреннее гнездо для приема части или всего средства привода расширения. К нижней монтажной пластине с одной стороны и к верхним шарнирным рычагам через средство крепления с противоположной стороны крепится эластичное уплотнительное средство, которое охватывает все кольцевые сегменты механизма расширительного кольца стеновым уплотнительным участком и образует барьер для текучей среды в трубе. Указанная текучая среда оказывает давление в направлении мачты на указанные эластичные средства после выполнения уплотнения.
Механизм расширительного кольца состоит из трех слоев, каждый слой образован только из одного типа кольцевых сегментов; при этом все первые кольцевые сегменты оснащены двумя прорезями, при этом все вторые кольцевые сегменты оснащены двумя скользящими штифтами, и при этом все третьи кольцевые сегменты снова оснащены двумя прорезями. Все скользящие штифты используются для скольжения внутри вышеупомянутых прорезей таким образом, что указанные кольцевые сегменты взаимно соединены в соответствии с одной или более повторяющимися схемами. Простейшая схема представляет собой следующее: первый кольцевой сегмент – второй кольцевой сегмент – третий кольцевой сегмент – второй кольцевой сегмент и снова первый кольцевой сегмент. Соединение между прорезями и соответствующее соединение скользящими штифтами обеспечивает жесткое соединение между указанными выше кольцевыми сегментами во время процесса расширения и втягивания указанного механизма расширительного кольца.
Лопасти, которые действуют как несущие давление барьеры, прикреплены к соответствующему набору нижних шарнирных рычагов с помощью соответствующих средств крепления лопасти, что позволяет складывать указанные лопасти одна на другую, когда механизм расширительного кольца полностью втягивается под действием средства привода расширения. Указанные лопасти покрывают всю поверхность механизма расширительного кольца, ориентированную в сторону мачты, когда механизм расширительного кольца полностью разложен, таким образом, что указанная поверхность состоит из лопастей, которые частично перекрываются.
Внутренняя поверхность эластичного уплотнительного средства, ориентированная в сторону механизма расширительного кольца, прилегает к поверхности, выполненной из лопастей, и передает всю нагрузку давления текучей среды на лопасти, которые закреплены на соответствующих шарнирных рычагах. Это предотвращает экстремальную деформацию эластичного уплотнительного средства, а также утечку и образование трещин под действием вызываемого давления текучей среды.
В одном варианте осуществления верхние шарнирные рычаги и соответствующие нижние шарнирные рычаги образованы зеркально друг над другом. Набор первых верхних шарнирных рычагов и первых нижних шарнирных рычагов более узкий, чем вторые верхние шарнирные рычаги и вторые нижние шарнирные рычаги, чтобы освободить место на соответствующих монтажных пластинах и обеспечить плотную упаковку указанных шарнирных рычагов путем установки попеременно каждого первого шарнирного рычага после второго шарнирного рычага.
В предпочтительном варианте осуществления каждая первая лопасть образована со своей отогнутой частью лопасти, и каждая первая лопасть свободно прикреплена посредством средства крепления первой лопасти к соответствующему первому нижнему шарнирному рычагу, что позволяет укладывать указанные первые лопасти одна на другую и накладывать их друг на друга на участках их согнутой части во время втягивания механизма расширительного кольца. Во время процесса втягивания каждая вторая лопасть вставляется между двумя соседними первыми лопастями.
В еще одном варианте средство крепления первой лопасти образовано как средство крепления в виде пружинного болта.
В еще одном варианте осуществления средство привода расширения выбрано в качестве шпиндельного механизма, при этом соответствующая ось шпинделя механически соединяет центры соответствующих монтажных пластин. Указанная ось шпинделя вставляется в мачту, как только механизм расширяющего кольца полностью расширен и когда указанный шпиндельный механизм входит в зацепление посредством механического крутящего момента, приложенного к гнезду вставки, расположенному в верхней части первой монтажной пластины.
В еще одном варианте осуществления средством привода расширения выбран гидравлический цилиндр с соответствующим поршневым штоком, который механически соединяет центры соответствующих монтажных пластин и расширяет или втягивает механизм расширительного кольца указанного устройства для уплотнения труб. В одном из вариантов того же варианта осуществления гидравлический цилиндр расположен внутри мачты.
В некоторых вариантах мачта дополнительно оснащена средством выпуска воздуха для удаления остаточного воздуха, скопившегося между наружной поверхностью эластичного уплотнительного средства, ориентированного в сторону текучей среды внутри указанной трубы, где установлено указанное запорное устройство, чтобы остановить поток текучей среды внутри трубы, проходящей техническое обслуживание.
Запорное устройство для труб большого диаметра имеет соотношение между минимальным диаметром механизма расширительного кольца и максимальным диаметром механизма расширительного кольца менее 0,5. Устройство способно уплотнять трубы диаметром до 0,9 м, где постоянное давление, оказываемое на лопасти, поддерживающие эластичное уплотнительное средство, составляет до 2 бар.
Описание фигур
На фиг. 1A показан вид сбоку запорного устройства для труб большого диаметра, когда механизм расширительного кольца полностью втянут, и на фиг. 1B показано то же устройство, когда механизм расширительного кольца полностью расширен. На фиг. 2A, 2B показан вид сверху состояний того же самого запорного устройства, изображенного на соответствующих фиг. 1A, 1B.
На фиг. 1A, 1B, 2A, 2B показано запорное устройство для труб большого диаметра с установленным эластичным уплотнительным средством. Учитывая, что эластичное уплотнительное средство охватывает механизм запорного устройства, на других фигурах изображен механизм без установленного на нем эластичного уплотнительного средства.
На фиг. 3A, 3B и 3C показано постепенное расширение механизма расширительного кольца, а именно от полностью втянутого положения, изображенного на фиг. 3A, до полностью расширенного положения, изображенного на фиг. 3C. Аналогично, на фиг. 4A, 4B и 4C показаны эквивалентные положения вида сверху.
На фиг. 5А показан вид сверху в перспективе полностью развернутого положения, изображенного на фиг. 3С, с увеличенной деталью, представленной на фиг. 5В, что дает представление о конструкции механизма расширительного кольца.
На фиг. 6A показан еще один вид в перспективе полностью расширенного положения, изображенного на фиг. 3C, с увеличенной деталью, представленной на фиг. 6B, позволяющей четко увидеть распределение опорных лопастей.
Подробное описание настоящего изобретения
На фиг. 1А показан вид сбоку запорного устройства для труб большого диаметра при полностью втянутом механизме (30) расширительного кольца. В указанном состоянии устройство готово к транспортировке и повторной установке в другом положении, т. е. внутри другой трубы. На фиг. 1B показан механизм (30) расширительного кольца, находящийся в полностью расширенном состоянии и покрытый эластичным уплотнительным средством (90), которое уплотняет трубу, оказывая давление стеновым уплотнительным участком (93) на внутреннюю стенку трубы.
Запорное устройство для труб большого диаметра имеет механизм (30) расширительного кольца, образованный между верхней монтажной пластиной (10) и нижней монтажной пластиной (60), как показано на фиг. 3A, 3B и 3C. Геометрия верхней монтажной пластины (10) показана на фиг. 5А, а геометрия нижней монтажной пластины (60) частично показана на фиг. 6А, но в основном она такая же, как у соответствующей верхней монтажной пластины (10). Верхняя монтажная пластина (10) может быть оснащена одной или более подъемными проушинами (19), которые облегчают транспортировку и физические манипуляции с устройством, как показано фиг. 1А.
Согласно предпочтительному варианту осуществления верхняя монтажная пластина (10) имеет ряд радиально распределенных шарнирных механизмов (11, 12) верхней монтажной пластины, как показано фиг. 5B. Каждый шарнирный механизм (11, 12) имеет закрепленный с возможностью поворота соответствующий верхний шарнирный рычаг (21, 22). Фиксация между указанными шарнирными рычагами (21, 22) и соответствующими шарнирными механизмами (11, 12) образована с помощью шарнирных штифтов способом, хорошо известным в данной области техники. Указанное крепление позволяет каждому шарнирному рычагу (21, 22) перемещаться с возможностью поворота вокруг соответствующего шарнирного механизма (11, 12). Согласно предпочтительному варианту осуществления геометрия первого верхнего шарнирного рычага (21) и второго верхнего шарнирного рычага (22) разная, как показано на фиг. 3B и 5A. Соответствующие шарнирные механизмы (11, 12) верхней монтажной плиты также отличаются, как видно на фиг. 5B. Такая конструкция позволяет улучшить упаковку запорного устройства для труб большого диаметра благодаря близкой упаковке указанных шарнирных рычагов (21, 22), которые устанавливаются взаимозаменяемо. А именно, каждый первый верхний шарнирный рычаг (21) следует за вторым верхним шарнирным рычагом (22). Указанная небольшая хитрость улучшает коэффициент расширения механизма (30) расширительного кольца, где каждый второй шарнирный механизм (12) помещен внутри второго верхнего шарнирного рычага (22), который образован значительно шире, чем первый верхний шарнирный рычаг (21), который помещен внутри первого шарнирного механизма (11), фиг. 5B.
В предпочтительном варианте осуществления нижняя монтажная пластина (60) имеет ряд радиально распределенных шарнирных механизмов (61, 62), к которым присоединены с возможностью поворота соответствующие нижние шарнирные рычаги (41, 42), таким же образом, как описано выше для верхних шарнирных рычагов (21, 22) и верхней монтажной пластины (10). Конструкция первого шарнирного механизма (61) нижней монтажной пластины идентична конструкции первого шарнирного механизма (11) верхней монтажной пластины. Конструкция второго шарнирного механизма (62) нижней монтажной пластины идентична конструкции второго шарнирного механизма (12) верхней монтажной пластины. Это частично видно на фиг. 5A.
Геометрия всего узла, т. е. монтажных пластин (10, 60) и соответствующих им шарнирных механизмов (11, 12; 61, 62), имеет зеркальную симметрию над плоскостью, в которой расположен механизм (30) расширительного кольца. Каждый первый шарнирный механизм (11) верхней монтажной пластины расположен прямо над соответствующим первым шарнирным механизмом (61) нижней монтажной пластины, а каждый второй шарнирный механизм (12) верхней монтажной пластины расположен прямо над соответствующим вторым шарнирным механизмом (62) нижней монтажной пластины. Аналогичным образом устроены шарнирные рычаги (21, 22; 41, 42). Каждый первый верхний шарнирный рычаг (21) расположен над соответствующим нижним шарнирным рычагом (41), а каждый второй верхний шарнирный рычаг (22) расположен над соответствующим вторым нижним шарнирным рычагом (42). Все шарнирные рычаги (21, 22; 41, 42) присоединены с возможностью поворота к соответствующим шарнирным механизмам (11, 12; 61, 62) с одной стороны – а с другой стороны концы указанных шарнирных рычагов (21, 22; 41, 42) присоединены к соответствующим двойным шарнирным механизмам (37, 38, 39), расположенным на соответствующих кольцевых сегментах (31, 32, 33); фиг. 3B, 5B. Единственное различие между верхним набором элементов, т. е. верхней монтажной пластиной (10), верхними шарнирными механизмами (11, 12) и верхними шарнирными рычагами (21, 22), с одной стороны, и нижним набором элементов, т. е. нижней монтажной пластиной (60), нижними шарнирными механизмами (61, 62) и нижними шарнирными рычагами (41, 42), с другой стороны, заключается в том, что последние шарнирные рычаги (41, 42) дополнительно оснащены соответствующими лопастями (51, 52), как показано на фиг. 3В, 6В.
Механизм (30) расширительного кольца состоит из множества кольцевых сегментов (31, 32, 33), как показано на фиг. 5B и 6B. Каждый кольцевой сегмент оснащен только одним из соответствующих двойных шарнирных механизмов (37, 38, 39), к которым шарнирные рычаги (21, 22; 41, 42) присоединены с возможностью поворота известным в данной области техники способом, например, посредством шарнирных штифтов. Указанные двойные шарнирные механизмы (37, 38, 39) всегда принимают и соединяют пару геометрически идентичных шарнирных рычагов; либо пару первых шарнирных рычагов (21, 41), либо пару с другой геометрией, например, пару вторых шарнирных рычагов (22, 42). Двойной шарнирный механизм (37) первого кольцевого сегмента, установленный на первом кольцевом сегменте (31), соединен с первым верхним шарнирным рычагом (21), а также с первым нижним шарнирным рычагом (41), фиг. 5B. Двойной шарнирный механизм (38) второго кольцевого сегмента, установленный на втором кольцевом сегменте (32), соединен со вторым верхним шарнирным рычагом (22), а также со вторым нижним шарнирным рычагом (42), фиг. 5B. Двойной шарнирный механизм (39) третьего кольцевого сегмента, установленный на третьем кольцевом сегменте (33), соединен с первым верхним шарнирным рычагом (21), а также с первым нижним шарнирным рычагом (41), фиг. 5B. Каждый первый кольцевой сегмент (31) оснащен двумя прорезями (34) первого кольцевого сегмента, фиг. 6B. Каждый второй кольцевой сегмент (32) оснащен двумя скользящими штифтами (35) второго кольцевого сегмента, фиг. 5B, 6B. Каждый третий кольцевой сегмент (33) оснащен двумя прорезями (36) третьего кольцевого сегмента, фиг. 6B. Указанные прорези (34, 36) и штифты (35) предназначены для взаимодействия, например, диаметр штифта (35) немного меньше ширины указанных прорезей (34, 36), что позволяет указанным штифтам (35) скользить по прорезям (34, 36), фиг. 6B, в то время как кольцевые сегменты (31, 32, 33) изменяют свои взаимные расстояния.
Как работает механизм (30) расширительного кольца. Механизм (30) расширительного кольца состоит из трех различных слоев. Каждый слой формируется/выбирается только из одного типа кольцевых сегментов (31, 32, 33); фиг. 5B, 6B. Все скользящие штифты (35) используются для скольжения внутри прорезей (34, 36) таким образом, что указанные кольцевые сегменты (31, 32, 33) взаимно соединяются в соответствии с одной или более повторяющимися схемами. Скользящие штифты (35) закреплены внутри прорезей (34, 36) и зафиксированы, например, болтами, что позволяет указанным штифтам (35) скользить внутри прорезей (34, 36) без существенного трения. Под «повторяющейся схемой» в настоящем документе понимается существенное, например, минимальное количество кольцевых сегментов, которые взаимно соединены: первый кольцевой сегмент (31) – соединен со – вторым кольцевым сегментом (32) – соединен с – третьим кольцевым сегментом (33) – соединен со – вторым кольцевым сегментом (32) и снова – соединен с – первым кольцевым сегментом (31). Указанное минимальное количество сегментов может повторяться произвольное число раз, например, 4 раза, как показано на фиг. 5А. Специалисту в данной области техники очевидно, что больше – лучше, но механические и геометрические ограничения, по-видимому, дают наилучшие результаты для схем, которые повторяются 3–5 раз. Указанная геометрия повторяющейся схемы позволяет механизму (30) расширительного кольца втягиваться, как показано на фиг. 4A, частично расширяться, как показано на фиг. 4B, и, наконец, полностью расширяться, как показано на фиг. 4C. Следует помнить, что на всех фазах указанный механизм (30) расширительного кольца выполнен из прочно соединенных кольцевых сегментов (31, 32, 33), что позволяет указанным сегментам (31, 32, 33) перемещаться только в плоскости механизма (30) расширительного кольца, движение которого определяется направлениями прорезей (34, 36). Более того, кольцевые сегменты (31, 32, 33) скользят один по другому, что особенно хорошо видно на фиг. 6А. Такая трехслойная конструкция позволяет механизму достичь соотношения между минимальным диаметром механизма (30) расширительного кольца и максимальным диаметром механизма (30) расширительного кольца, которое составляет менее 0,5; фиг. 4A, 4C.
Для расширения или втягивания механизма (30) расширительного кольца необходим соответствующий привод. В этом смысле указанные монтажные пластины (10, 60) дополнительно механически соединены с помощью средства (80) привода расширения, способного управляемым образом изменять относительное расстояние между указанными монтажными пластинами (10, 60). Специалист в данной области техники сразу поймет, что указанное действие изменяет радиус механизма (30) расширительного кольца, расположенного между монтажными пластинами (10, 60). А именно, набор верхних шарнирных рычагов (21, 22) и набор нижних шарнирных рычагов (41, 42) будут толкать кольцевые сегменты (31, 32, 33) в радиальном направлении, как только расстояние между монтажными пластинами (10, 60) уменьшится, и будут радиально втягивать кольцевые сегменты (31, 32, 33), как только расстояние между монтажными пластинами (10, 60) увеличится. В этом смысле фазы, изображенные на фиг. 3A, 3B, 3C, следует сравнить. Выбор средства (80) привода расширения может быть различным; это может быть шпиндельный механизм с гнездом (81) вставки шпинделя, как показано на фиг. 5A., или вариант с гидравлическим цилиндром и поршневым штоком, который соединяет монтажные пластины (10, 60).
Если выбран шпиндельный механизм, то естественно, что монтажные пластины (10, 60) будут содержать элементы шпиндельного механизма. На фиг. 5А показан механизм (80) привода шпинделя, расположенный под верхней монтажной пластиной (10), которая входит в зацепление посредством кривошипа, вставленного в соответствующее гнездо (81) вставки. Вращение кривошипа точно регулирует расстояние между монтажными пластинами (10, 60), и во время расширения механизма (30) расширительного кольца шпиндель выступает через нижнюю монтажную пластину (60) и вставляется в полую мачту (100), оснащенную основанием (101) мачты. Указанная мачта (100) прикреплена к нижней монтажной пластине (60) как ее неотъемлемая часть; фиг. 1A, 1B. Все соединения между монтажной плитой (60) и мачтой (100) должны быть образованы водонепроницаемыми.
В другом варианте гидравлический цилиндр может быть расположен внутри полой мачты (100) и закреплен на нижней монтажной пластине (60). Затем поршневой шток указанного гидроцилиндра соединяется с верхней монтажной плитой (10), и указанный гидроцилиндр используется для регулирования расширения механизма (30) расширительного кольца. Гидравлические линии в этом случае должны быть пропущены через все запорное устройство. В еще одном варианте гидравлический цилиндр может быть закреплен на верхней монтажной пластине (10) с помощью поршневого штока, который взаимодействует с нижней монтажной пластиной (60). В последнем случае мачта (100) может быть сформирована значительно меньше, учитывая, что привод (80) средства установлен на верхней части запорного устройства.
Другие варианты средства (80) привода расширения, например, использование электрических шаговых двигателей или аналогичных, сами по себе понятны специалисту в данной области техники. Однако использование дорогостоящих средств привода может быть проблематичным, если запорное устройство для труб большого диаметра используется на атомных электростанциях только один раз. В случае высоких доз радиации такое устройство после использования должно быть выброшено как вредное для здоровья человека. В этом случае шпиндельный механизм является недорогим и вполне подходящим средством (80) привода для выполнения требуемой задачи.
Для выполнения основной технической функции, т. е. перекрытия потока через трубу, эластичное уплотнительное средство (90) крепится к нижней монтажной пластине (60), например, с помощью соответствующего набора винтов с этой же стороны. Также эластичное уплотнительное средство (90) крепится к верхним шарнирным рычагам (21, 22) с помощью средства (91) крепления с противоположной стороны; фиг. 1A, 1B. На практике эластичное уплотнительное средство (90) обычно представляет собой резиновое покрытие, упрочненное или нет, толщиной около 0,5 см, которое охватывает все кольцевые сегменты (31, 32, 33) механизма расширительного кольца (30), а также стеновой уплотнительный участок (93), который находится в прочном соединении со стенкой трубы. Давление текучей среды воздействует на эластичное уплотнительное средство (90) со стороны мачты (100), и все поверхности, ориентированные в сторону текучей среды, должны быть водонепроницаемыми до давления 2 бар.
В немалой степени новым и изобретательским в этой конструкции являются опорные лопасти (51, 52), которые действуют как несущие давление барьеры и прикреплены к соответствующему набору нижних шарнирных рычагов (41, 42). Очевидно, что преимущество использования эластичного уплотнительного средства (90) имеет свои ограничения в отношении давления, которое может выдерживать такое устройство, например, конструкция по CN106523845B. В предшествующем уровне техники эластичное уплотнительное средство (90) проходит непосредственно над набором нижних шарнирных рычагов. При приложении значительного давления свыше 0,5 бар происходит деформация эластичного уплотнительного средства между указанными шарнирными рычагами. Одним из довольно непрактичных решений наблюдаемой проблемы деформации является увеличение количества нижних шарнирных рычагов и уменьшение расстояния между указанными рычагами, что в конечном итоге увеличивает поверхность монтажных пластин. Таким образом, указанное решение является достаточно ограниченным, если необходимо достичь коэффициента механизма расширительного кольца, близкого к 0,5. Другой возможный подход, используемый в раскрытом изобретении, заключается в том, чтобы покрыть весь механизм (30) расширительного кольца несущими давление барьерам, т. е. опорными лопастями (51, 52), как изображено на фиг. 6А.
В предпочтительном варианте осуществления были использованы два вида лопастей: первые лопасти (51), которые имеют частично согнутые части (51'), и вторые лопасти (52). Первые лопасти (51) прикреплены к первым нижним шарнирным рычагам (41) с помощью первого средства (71) крепления. Вторые лопасти (52) прикреплены ко вторым нижним шарнирным рычагам (42) посредством второго средства (72) крепления. Используемые средства (71, 72) крепления позволяют укладывать указанные лопасти (51, 52) одна на другую, когда механизм (30) расширительного кольца полностью втянут, как показано на фиг. 3A. С другой стороны, указанные лопасти (51, 52) покрывают всю поверхность механизма (30) расширительного кольца, ориентированную к мачте (100), после того, как указанный механизм (30) полностью расширен, фиг. 6A, таким образом, что указанная поверхность состоит из лопастей (51, 52), которые частично перекрываются. Важно подчеркнуть, что даже в частично расширенном механизме (30) расширительного кольца, как показано на фиг. 3B, прижимные лопасти (51, 52) достаточно хорошо покрывают всю поверхность механизма (30) расширительного кольца и могут передавать давление на нижние шарнирные рычаги (41, 42).
Согласно предпочтительному варианту осуществления каждая первая лопасть (51) свободно прикреплена с помощью средства (71) крепления первой лопасти к соответствующему первому нижнему шарнирному рычагу (41). Каждая вторая лопасть (52) прочно прикреплена с помощью средства (72) крепления второй лопасти к соответствующему второму нижнему шарнирному рычагу (42). Это позволяет укладывать указанные первые лопасти (51) одна на другую и перекрывать их на участках согнутой части (51') во время втягивания механизма (30) расширительного кольца, где указанные участки согнутой части (51') определяют процесс укладки; сравните фиг. 3A и 3B. Во время указанного действия каждая вторая лопасть (52) вложена между двумя соседними первыми лопастями (51); фиг. 3A, 3B и 3C. Средство (71) крепления первой лопасти предпочтительно сформировано как средство крепления в виде пружинного болта, как изображено на фиг. 5B.
Очевидно, что внутренняя поверхность эластичного уплотнительного средства (90), ориентированная в сторону механизма (30) расширительного кольца, прилегает к поверхности, выполненной из лопастей (51, 52), как показано на фиг. 6B. Эластичное уплотнительное средство (90) передает всю нагрузку от давления текучей среды на указанные лопасти (51, 52), которые закреплены на соответствующих шарнирных рычагах (41, 42), и, таким образом, предотвращает экстремальную деформацию эластичного уплотнительного средства (90), а также утечку и растрескивание под воздействием давления текучей среды, давления выше 1,5 бар в трубе большого диаметра. С другой стороны, использование лопастей (51, 52) уменьшает количество соответствующих шарнирных рычагов (41, 42), необходимых для поддержания оказываемого давления и предотвращения чрезмерной деформации эластичных средств (90), как это имело место в приведенных решениях предшествующего уровня техники.
Раскрытое изобретение было всесторонне испытано. Было установлено, что запорное устройство для труб большого диаметра должно быть дополнительно снабжено средством выпуска воздуха для удаления остаточного воздуха, скопившегося между наружной поверхностью эластичного уплотнительного средства (90), ориентированного в сторону текучей среды внутри указанной трубы, и текучей средой как таковой. Указанное средство выпуска воздуха, образованное в предпочтительном варианте как стандартный клапан, работает дистанционно как электроклапан, установленный внутри мачты (100), которая погружена в текучую среду, предпочтительно рядом с нижней монтажной пластиной (60), или даже образована как часть указанной нижней монтажной пластины (60). Удаление остаточного воздуха необходимо для лучшего распределения давления текучей среды на эластичное уплотнительное средство (90).
Что касается материала, из которого изготовлено запорное устройство для труб большого диаметра, раскрытое в настоящем документе, специалист в данной области техники, конечно, будет использовать сталь или соответствующую нержавеющую сталь в качестве материала для формирования элементов или частей, который является прочным и должен выдерживать значительные усилия. В качестве эластичного уплотнительного средства в практике широко распространено использование NBR (нитрил-бутадиенового каучука).
Промышленное применение
Промышленное применение указанного изобретения очевидно. Согласно предпочтительному варианту осуществления, изображенному на фиг. 1A и 2A, когда механизм (30) расширительного кольца полностью втянут, устройство вставляется в трубу, которую необходимо уплотнить. Мачта (100) ориентирована в сторону текучей среды, и устройство располагается внутри трубы. В случае, когда средство (80) привода расширения представляет собой шпиндельный механизм, кривошип вставляется в гнездо (81) вставки, и процесс расширения, изображенный на фиг. 3A, 3B, 3C, начинается. Все это время лопасти (51, 52) закрывают внутреннюю поверхность эластичного уплотнительного средства (90), ориентированного в сторону механизма (30) расширительного кольца, и указанные лопасти (51, 52) служат в качестве несущие давление барьеров, способных передавать все давление текучей среды на нижние шарнирные рычаги (41, 42); независимо от того, максимально расширено устройство или нет, фиг. 3B, 3C. Другими словами, устройство способно с одинаковой эффективностью уплотнять трубы различных диаметров, предпочтительно от 0,6 м до 0,9 м. После достаточного расширения уплотнительный участок (93) стенки эластичного средства прилегает к внутренней стенке трубы и уплотняет трубу со стороны мачты (100). При необходимости остаточный воздух, скопившийся между наружной поверхностью эластичного уплотнительного средства (90) и текучей средой, может быть удален через встроенное в устройство средство выпуска воздуха. Указанное устройство было испытано при давлении жидкости до 2 бар и диаметре уплотнения 0,9 м.
Ссылочные номера
Изобретение относится к вспомогательным устройствам трубопроводов и может быть использовано в процессе их ремонта. Запорное устройство для труб большого диаметра содержит расширительное кольцо, образованное между верхней и нижней монтажными пластинами. Расширительное кольцо состоит из кольцевых сегментов. Каждая пластина соединена с расширительным кольцом шарнирными рычагами. К нижней пластине прикреплено эластичное уплотнительное средство. Внутренняя поверхность эластичного уплотнительного средства прилегает к поверхности из лопастей, закреплённых на соответствующих нижних шарнирных рычагах. Достигается предотвращение деформации эластичного уплотняющего средства, утечек и образования трещин под действием давления жидкости. 9 з.п. ф-лы, 14 ил.
1. Запорное устройство для труб большого диаметра с механизмом (30) расширительного кольца, образованным между верхней монтажной пластиной (10) и нижней монтажной пластиной (60),
при этом верхняя монтажная пластина (10) имеет ряд радиально распределенных шарнирных механизмов (11, 12), к которым присоединены с возможностью поворота верхние шарнирные рычаги (21, 22);
при этом нижняя монтажная пластина (60) имеет ряд радиально распределенных шарнирных механизмов (61, 62), к которым присоединены с возможностью поворота нижние шарнирные рычаги (41, 42), причем последние дополнительно оснащены соответствующими лопастями (51, 52);
при этом механизм (30) расширительного кольца состоит из множества кольцевых сегментов (31, 32, 33), каждый из которых оснащен одним из соответствующих двойных шарнирных механизмов (37, 38, 39), к которым присоединены с возможностью поворота верхние шарнирные рычаги (21, 22) к верхним сторонам указанных двойных шарнирных механизмов (37, 38, 39) и к которым присоединены с возможностью поворота нижние шарнирные рычаги (41, 42) к нижним сторонам указанных двойных шарнирных механизмов (37, 38, 39);
при этом указанные монтажные пластины (10, 60) дополнительно механически соединены с помощью средства (80) привода расширения, способного управляемым образом изменять относительное расстояние между указанными монтажными пластинами (10, 60), при этом указанное действие изменяет радиус механизма (30) расширительного кольца, расположенного между монтажными пластинами (10, 60), побуждая набор верхних шарнирных рычагов (21, 22) и набор нижних шарнирных рычагов (41, 42) толкать кольцевые сегменты (31, 32, 33) в радиальном направлении, как только расстояние между монтажными пластинами (10, 60) уменьшится, и втягивать кольцевые сегменты (31, 32, 33) в радиальном направлении, как только расстояние между монтажными пластинами (10, 60) увеличится;
при этом нижняя монтажная пластина (60) имеет водонепроницаемо установленную полую мачту (100) с прочным основанием (101), при этом указанная мачта (100) имеет внутреннее гнездо для приема части или всего средства (80) привода расширения;
при этом эластичное уплотнительное средство (90) прикреплено к нижней монтажной пластине (60) с одной стороны и к верхним шарнирным рычагам (21, 22) посредством средства (91) крепления с противоположной стороны, охватывая все кольцевые сегменты (31, 32, 33) механизма (30) расширительного кольца стеновым уплотнительным участком (93) и образуя барьер для текучей среды в трубе, которая оказывает давление в направлении мачты (100) на указанное эластичное средство (90);
отличающееся тем, что
механизм (30) расширительного кольца состоит из трех слоев, каждый слой образован только из одного типа кольцевых сегментов; при этом все первые кольцевые сегменты (31) оснащены двумя прорезями (34), при этом все вторые кольцевые сегменты (32) оснащены двумя скользящими штифтами (35), при этом все третьи кольцевые сегменты (33) оснащены двумя прорезями (36); при этом все скользящие штифты (35) используются для скольжения внутри прорезей (34, 36) таким образом, что указанные кольцевые сегменты (31, 32, 33) взаимно соединяются в соответствии с одной или более схемами: первый кольцевой сегмент (31) – второй кольцевой сегмент (32) – третий кольцевой сегмент (33) – второй кольцевой сегмент (32) и снова первый кольцевой сегмент (31); при этом соединение между прорезями (34, 36) и соответствующими скользящими штифтами (35) обеспечивает жесткое соединение между указанными выше кольцевыми сегментами (31, 32, 33) во время процесса расширения и втягивания указанного механизма (30) расширительного кольца; и
при этом лопасти (51, 52), которые действуют как несущие давление барьеры, прикреплены к соответствующему набору нижних шарнирных рычагов (41, 42) с помощью соответствующих средств крепления лопасти (71, 72), что позволяет складывать указанные лопасти (51, 52) одна на другую, когда механизм (30) расширительного кольца полностью втягивается под действием средства (80) привода расширения, и при этом указанные лопасти (51, 52) покрывают всю поверхность механизма (30) расширительного кольца, ориентированную в сторону мачты (100), когда указанный механизм (30) расширительного кольца полностью разложен таким образом, что указанная поверхность состоит из лопастей (51, 52), которые частично перекрываются; и
при этом внутренняя поверхность эластичного уплотнительного средства (90), ориентированного в сторону механизма (30) расширительного кольца, прилегает к поверхности из лопастей (51, 52) и передает всю нагрузку давления текучей среды на указанные лопасти (51, 52), которые закреплены на соответствующих шарнирных рычагах (41, 42) и предотвращают экстремальную деформацию эластичного уплотнительного средства, а также утечку и образование трещин под действием давления жидкости.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхние шарнирные рычаги (21, 22) и соответствующие нижние шарнирные рычаги (41, 42) образованы зеркально один над другим; первые верхние шарнирные рычаги (21) и первые нижние шарнирные рычаги (41) более узкие, чем вторые верхние шарнирные рычаги (22) и вторые нижние шарнирные рычаги (44), чтобы освободить место на соответствующих монтажных пластинах (10, 60) и обеспечить плотную упаковку указанных шарнирных рычагов путем установки попеременно каждого первого шарнирного рычага (21, 41) после второго шарнирного рычага (22, 42).
3. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что каждая первая лопасть (51) образована со своей согнутой частью (51') лопасти, и при этом каждая первая лопасть (51) свободно прикреплена посредством средства (71) крепления первой лопасти к соответствующему первому нижнему шарнирному рычагу (41), что позволяет укладывать указанные первые лопасти (51) одна на другую и накладывать их друг на друга на участках их согнутой части (51') во время втягивания механизма (30) расширительного кольца, при этом каждая вторая лопасть (52) вложена между двумя соседними первыми лопастями (51).
4. Устройство п. 3, отличающееся тем, что средство (71) крепления первой лопасти образовано в виде средства крепления пружинного болта.
5. Устройство по любому из пп. 1–4, отличающееся тем, что средство (80) привода расширения выбрано в качестве шпиндельного механизма, при этом соответствующая ось шпинделя механически соединяет центры монтажных пластин (10, 60) и при этом указанная ось шпинделя вставляется в мачту (100), как только механизм (30) расширительного кольца полностью расширен, при этом указанный шпиндельный механизм входит в зацепление посредством механического крутящего момента, приложенного к гнезду (81) вставки, расположенному в верхней части первой монтажной пластины (10).
6. Устройство по любому из пп. 1–4, отличающееся тем, что средством (80) привода расширения выбран гидравлический цилиндр с соответствующим поршневым штоком, который механически соединяет центры монтажных пластин (10, 60) и расширяет или втягивает механизм (30) расширительного кольца указанного запорного устройства.
7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что гидравлический цилиндр расположен внутри мачты (100).
8. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что мачта (100) дополнительно оснащена средством выпуска воздуха для удаления остаточного воздуха, скопившегося между наружной поверхностью эластичного уплотнительного средства (90), ориентированного в сторону текучей среды внутри указанной трубы, где установлено указанное запорное устройство, чтобы остановить поток указанной текучей среды.
9. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что соотношение между минимальным диаметром механизма (30) расширительного кольца и максимальным диаметром механизма (30) расширительного кольца составляет менее 0,5.
10. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что устройство способно уплотнять трубы диаметром до 0,9 м, и при этом давление, оказываемое на лопасти (51, 52), поддерживающие эластичное уплотнительное средство (90), составляет до 2 бар.
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДА | 2002 |
|
RU2220362C1 |
| CN 106523845 A, 22.03.2017 | |||
| CN 106499908 B, 19.06.2018 | |||
| WO 2009011543 A1, 22.01.2009. | |||
