ЗАТВОР БАЙОНЕТНЫЙ

Полезная модель относится к области машиностроения, более конкретно к закрывающим элементам для сосудов высокого давления - байонетным затворам, широко используемым в нефтегазовой промышленности, в том числе на концевых и тупиковых участках трубопроводов. Байонетный затвор обеспечивает доступ во внутреннюю полость трубопровода при проведении его диагностического осмотра, ремонта, а также очистки, требующей ввода во внутреннюю полость трубопровода очистных устройств. Использование байонетных затворов позволяет резко сократить время на проведение отмеченных операций.
В зависимости от способа присоединения к трубопроводу затворы изготавливаются под приварку к трубопроводу или с фланцевым присоединением к нему.
Конструкции байонетных затворов также могут отличаться одна от другой. В настоящее время наиболее широкое распространение получили затворы с поворотной крышкой, двусторонние затворы, затворы с цельным байонетным кольцом, а также затворы с разъемным байонетным кольцом.
Независимо от конструкции байонетного затвора и способа его присоединения к трубопроводу, основными конструктивными элементами затвора остаются полый корпус или фланец (далее будем использовать термин «полый корпус») и крышка, между уплотняющими поверхностями которых в кольцевой канавке на уплотняющей поверхности корпуса или крышки располагается уплотнительный элемент, обеспечивающий герметизацию закрытого затвора.
Уплотнительный элемент изготавливается из эластомера, имеющего механические характеристики, химическую стойкость и диапазон рабочих температур, соответствующие конкретным условиям эксплуатации затвора, это, как правило, резина соответствующей марки.
Работоспособность байонетного затвора в значительной степени зависит от надежности уплотнительного элемента, поэтому его конструктивному выполнению уделяется большое внимание.
Традиционно уплотняющий элемент представляет собой кольцо, имеющее в поперечном сечении прямоугольную форму, соответствующую форме канавки на уплотнительной поверхности корпуса или крышки. В свободном состоянии высота уплотнительного элемента Н больше высоты канавки на расчетную величину ΔН. В процессе закрытия затвора под действием давления уплотнительный элемент осаживается, заполняет канавку, происходит сцепление поверхности уплотнительного элемента с уплотнительными поверхностями корпуса, крышки и боковыми поверхностями канавки, другими словами, между упомянутыми поверхностями образуется плотный контакт, и происходит герметизация затвора.
Основным недостатком байонетного затвора с таким уплотняющим элементом является потеря герметичности из-за возможной релаксации материала уплотняющего элемента во время эксплуатации затвора. Причину релаксации материала уплотняющего элемента можно найти, обратившись к теории пластичности. Сжатие уплотнителя байонетного затвора можно рассматривать как одноосное сжатие короткого пластичного слоя между двумя жесткими плитами [Качанов Л.М. Основы теории пластичности: учебное пособие для университетов, издание второе, переработанное и дополненное М.: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1969, С. 205]. Деформация пластичного слоя при этом происходит крайне неравномерно, вплоть до того, что практически половина объема пластичного слоя остается жесткой, не испытывая внутренних напряжений, то есть в пассивном состоянии, тогда как в другой половине объема волокна материала оказываются сжатыми. Поскольку резина обладает выраженной способностью к релаксации, с течением времени внутренние напряжения от сжатия, возникшие в отдельных частях уплотняющего элемента, перераспределяются по всему объему, и сила сцепления уплотняющего элемента с уплотняющими поверхностями корпуса и крышки снижается, что, в свою очередь, приводит к потере герметичности затвора, то есть со временем затвор становится крайне ненадежным.
Однако, несмотря на столь существенный недостаток на практике зачастую используют байонетные затворы с уплотнительным элементом, имеющим в поперечном сечении прямоугольную форму, но при этом заведомо и значительно уменьшают срок службы уплотнительных элементов и соответственно производят их частую замену.
Более рациональным представляется использование приемов, направленных на преодоление указанного недостатка байонетного затвора и увеличение срока службы уплотняющего элемента.
Известен байонетный затвор [А.С. 609013, МПК F16J 13/16, 1978 г.], в котором между уплотняющими поверхностями корпуса и крышки расположен уплотняющий элемент, имеющий в поперечном сечении прямоугольную форму, Особенностью затвора является то, что механизм поворота байонетного кольца связан с упругим элементом - пружиной, которая деформируется в процессе закрытия затвора. При возможной во время эксплуатации затвора релаксации уплотняющего элемента и снижении силы сцепления между уплотняющим элементом и уплотняющими поверхностями корпуса и крышки напряженный упругий элемент - пружина, перемещая байонетное кольцо, восстанавливает требуемую нагрузку на уплотнительный элемент.
Недостатком затвора является усложнение его конструкции за счет введения дополнительного упругого элемента - пружины, связанной с механизмом поворота байонетного кольца. Кроме того, проблема, связанная с неравномерной деформацией уплотняющего элемента, имеющего в поперечном сечении прямоугольную форму, остается, а пошаговое увеличение нагрузки на уплотняющий элемент может, в конечном счете, привести к разрыву части волокон резины.
Известен также байонетный затвор [ТУ 3683-023-12693592-06], в котором герметизацию осуществляют при помощи резинового уплотнительного кольца, установленного по наружному диаметру затвора и полиуретановой прокладки, установленной по внутреннему диаметру затвора.
Использование двух уплотнительных элементов повышает надежность герметизации затвора и в меньшей степени усложняет его конструкцию, но указанная выше проблема, связанная с неравномерной деформацией уплотняющего элемента вследствие одноосного сжатия, касающаяся теперь и резинового уплотнительного кольца, и полиуретановой прокладки, никуда не исчезает, к тому же становится сложным контролировать срок службы кольца и прокладки из-за существенного различия свойств их материалов.
Опыт эксплуатации байонетных затворов показывает, что эффективным приемом, направленным на преодоление недостатка байонетного затвора, связанного с потерей герметичности из-за возможной релаксации материала уплотняющего элемента, является создание схемы деформации уплотняющего элемента, отличной от одноосного сжатия. Для создания такой схемы необходимым является изменение направления усилий, действующих на уплотнитель при смыкании уплотняющих поверхностей корпуса и крышки, что можно обеспечить изменением формы уплотняющего элементы. Причем даже незначительное изменение формы уплотнительного элемента дает положительный эффект. Так известен байонетный затвор [А.С. 836426, МПК F16J 13/02, 1981 г.], в котором уплотнительный элемент имеет скосы, вследствие чего на него при закрытии затвора воздействуют и растягивающие усилия, приводя большую часть волокон резины в активное состояние. Уплотнительный элемент расположен в канавке нажимного кольца, имеющей форму, соответствующую форме уплотнительного элемента.
Однако в данном байонетном затворе возможности, которые дает изменение формы уплотнительного элемента, использованы недостаточно.
Форма уплотнительного элемента под воздействием нагрузки должна претерпеть более заметное изменение. Любое изделие из резины, изменившее свою форму под воздействием нагрузки, сжатия, растяжения или изгиба, после снятия нагрузки незамедлительно, в силу упругих свойств резины, возвращается в прежнее состояние, соответственно растягивается, сжимается или выпрямляется. Это реакция на действие нагрузки также является релаксацией, которую можно условно назвать мгновенной или внешней, в отличие от рассмотренной выше внутренней релаксации, протекающей в структуре материала с течением времени. Если же нагрузка не снимается, возникают внутренние напряжения, направленные в сторону противоположную действию нагрузки. Повышенный уровень напряжений, возникающих при заметном изменении формы уплотнительного элемента, способствует эффективному сцеплению поверхности уплотнительного элемента с уплотнительными поверхностями крышки и корпуса и соответственно более надежной герметизации байонетного затвора.
Так известен байонетный затвор [Патент RU 2035988, МПК B01J 3/03, 1996 г.], в котором уплотнительный элемент имеет в поперечном сечении форму круга. Уплотнительный элемент установлен в проточке, выполненной на уплотнительной поверхности корпуса. Основанием проточки служит цилиндрическая поверхность, а боковыми стенками - конические поверхности. Под воздействием нагрузки круг сплющивается (такая схема деформации кардинально отличается от схемы одноосного сжатия), при этом возникают силы, которые пытаются вернуть уплотнительному элементу первоначальную форму, прижимающие его к уплотнительным поверхностям частей байонетного затвора.
К недостаткам байонетного затвора можно отнести низкую технологичность, связанную с трудоемкостью выполнения на поверхности корпуса проточки сложной формы.
Известен также байонетный затвор, содержащий уплотнительный элемент с коническими боковыми поверхностями и внутренней открытой полостью, имеющей в поперечном сечении коническую форму. Полость открыта со стороны, обращенной к основанию проточки, выполненной на уплотнительной поверхности корпуса или крышки, при этом боковые стенки проточки представляют собой конические поверхности [Борщев В.Я., Кормильцин Г.С. и др. Основы безопасной эксплуатации технологического оборудования химических производств: учебное пособие для ВУЗов. Тамбов: Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011, С. 77].
Недостатком затвора является снижение эффективной площади сцепления уплотнительного элемента с поверхностью корпуса или крышки в основании проточки из-за наличия полости открытой со стороны, обращенной к основанию проточки. Также к недостаткам затвора можно отнести, как и в предыдущем случае, трудоемкость выполнения проточки, причем с точным соблюдением размеров, что необходимо для обеспечения соответствия формы проточки форме уплотнительного элемента.
Известен выбранный за прототип полезной модели байонетный затвор [Патент RU 2418218, МПК F16J 13/16, 2011 г.], включающий полый корпус и крышку, между уплотнительными поверхностями которых в канавке, выполненной на уплотнительной поверхности корпуса и имеющей в поперечном сечении прямоугольную форму, расположен уплотнительный элемент, при этом боковые стенки уплотнительного элемента в поперечном сечении параллельны боковым стенкам канавки. В нижней части уплотнителя имеется небольшая полость в поперечном сечении в виде сегмента круга, высота которой, h, примерно равна 0,1 Н, где Н - высота уплотнительного элемента.
Достоинством прототипа является то, что канавка в перечном сечении имеет простую прямоугольную форму. Полость в нижней части уплотнителя в процессе закрытия затвора из-за растяжения резины уменьшается по высоте, при этом в уплотнительном элементе возникают напряжения, стремящиеся возвратить первоначальную форму полости, способствующие более надежной герметизации затвора. Однако эти напряжения незначительно влияют на надежность герметизации затвора вследствие небольшой высоты полости. Если же увеличить высоту полости, h, а именно ограничить ее дугой сегмента круга меньшего диаметра, то может заметно уменьшиться эффективная площадь сцепления поверхности уплотнительного элемента с поверхностью корпуса в основании проточки. Кроме того, при такой форме уплотнительный элемент подвержен в основном одноосному сжатию со всеми отмеченными выше негативными последствиями использования такой схемы деформации, приводящими к уменьшению срока службы уплотнительного элемента.
Необходимо также отметить, что в байонетных затворах, выбранных в качестве аналогов, в том числе в прототипе, где уплотнительный элемент выполнен с внутренней полостью, не предусмотрено попадание транспортируемого по трубопроводу продукта в полость уплотнительного элемента. Отмеченное обстоятельство не является недостатком байонетного затвора. Однако обеспечение возможности попадания транспортируемого по трубопроводу продукта в полость уплотнительного элемента могло бы оказаться эффективным для дальнейшего повышения надежности герметизации затвора. Такой прием является известным, он используется в затворах гидротехнических сооружений [Патент RU 2196862, МПК Е02В 7/26, 2003 г.].
Задачей полезной модели является увеличение срока службы уплотнительного элемента байонетного затвора и повышение надежности герметизации байонетного затвора.
Технический результат полезной модели достигается за счет изменения формы уплотнительного элемента так, что обеспечивается создание отличной от одноосного сжатия схемы деформации уплотняющего элемента и повышение уровня напряжений, способствующих сцеплению уплотнительных поверхностей корпуса и крышки с поверхностью уплотнительного элемента.
Кроме того, форма уплотнительного элемента обеспечивает возможность попадания транспортируемого по трубопроводу продукта в полость уплотнительного элемента.
Технические результаты полезной модели достигаются за счет того, что байонетный затвор, содержащий полый корпус и крышку, между уплотнительными поверхностями которых в канавке, выполненной на одной из уплотнительных поверхностей и имеющей в поперечном сечении прямоугольную форму, расположен уплотнительный элемент, при этом боковые стенки уплотнительного элемента в поперечном сечении параллельны боковым стенкам канавки, отличается от прототипа тем, что уплотнительный элемент в поперечном сечении имеет комбинированную форму, сочетающую с внешней стороны затвора сплошной прямоугольный участок, а с внутренней стороны затвора участок с внутренней полостью, открытой со стороны боковой стенки уплотнительного элемента, полость ограничена частью окружности и расположена таким образом, что касательной к целой окружности является линия боковой стенки уплотнительного элемента, центр окружности лежит на линии, разделяющей пополам высоту канавки, а диаметр окружности не превышает величины, примерно равной половине общей ширины уплотнительного элемента, кроме того, в части поперечного сечения уплотнительного элемента, обращенной к основанию канавки, окружность на входе в полость сопряжена с отрезком прямой, в части поперечного сечения уплотнительного элемента, обращенной к уплотнительным поверхностям крышки и корпуса, окружность на входе в полость сопряжена с отрезком прямой, являющимся продолжением ее радиуса до точки пересечения линии боковой стенки уплотнительного элемента с линией, ограничивающей высоту прямоугольной части уплотнительного элемента, одновременно этот отрезок прямой представляет собой радиус другой окружности соответственно большего диаметра, дуга которой, проведенная до пересечения с линией, ограничивающей высоту прямоугольной части уплотнительного элемента, является дугой сектора, образующего выпуклость на поверхности уплотнительного элемента.
Технический результат достигается также в случаях, когда
- канавка выполнена на уплотнительной поверхности крышки;
- уплотнительный элемент выполнен составным, включающим кольцо из более твердой резины, расположенное с внешней стороны затвора и обращенное к уплотнительным поверхностям корпуса и крышки, кольцо в соответствии со своим расположением имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, высота и ширина которого примерно равны половине высоты и ширины всей прямоугольной части уплотнительного элемента.
Одним из основных признаков полезной модели, подтверждающих возможность достижения отмеченных технических результатов, является то, что участок уплотнительного элемента, имеющий внутреннюю полость, фактически представляет собой в поперечном сечении разомкнутое кольцо со значительным сопротивлением деформации, что обеспечивается толщиной кольца, а именно диаметр окружности (внутренний диаметр кольца) не превышает величины, равной половине общей ширины уплотнительного элемента. Значительное сопротивление деформации такого кольца и создает повышенный уровень внутренних напряжений, способствующих лучшему сцеплению уплотнительных поверхностей корпуса и крышки затвора с поверхностями уплотнительного элемента. Кольцо деформируется не сразу. При сжатии уплотнительного элемента между поверхностями корпуса и крышки сначала происходит консольный изгиб части кольца - выпуклой части уплотнительного элемента, сопровождающийся растяжением волокон резины как на рассматриваемом участке, так и на сплошном прямоугольном участке - месте заделки консоли. При дальнейшей деформации уплотнительного элемента, когда уплотнительная поверхность корпуса или крышки касается поверхности его прямоугольного участка, кольцо начинает сплющиваться, оказывая, как было отмечено выше, значительное сопротивление деформации. При этом возникают напряжения, направленные в разные стороны от полости уплотнительного элемента, способствующие эффективному сцеплению поверхности уплотнительного элемента с уплотнительными поверхностями корпуса и крышки и с боковыми стенками канавки. При увеличении диаметра полости, то есть при толщине кольца, меньшей указанной выше, может произойти потеря его устойчивости, выражающаяся в появлении складок и зажимов на поверхности уплотнительного элемента, а также произойдет снижение уровня напряжений, способствующих эффективному сцеплению поверхности уплотнительного элемента с уплотнительными поверхностями корпуса и крышки.
В месте, где происходит изгиб, и полость уплотнительного элемента является открытой, в зависимости от допусков на размеры уплотнительного элемента и канавки возможно касание поверхностей уплотнительного элемента и боковой стенки канавки или же наличие небольшого зазора. В обоих случаях появляется возможность проникновения рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу под давлением, в полость уплотнительного элемента, и, как следствие, еще лучшего прижатия и сцепления уплотняющих поверхностей корпуса и крышки и поверхности уплотняющего элемента.
При отмеченной последовательности и созданной схеме деформация уплотняющего элемента протекает достаточно равномерно. Кроме того, уплотняющий элемент деформируется без нарушения структуры материала (перерезания волокон резины). Оба отмеченных обстоятельства увеличивают срок службы уплотняющего элемента. В результате отпадает необходимость замены уплотняющего элемента при каждом открытии затвора. В этих условиях оптимальным является расположение уплотнительного элемента в канавке, выполненной на уплотнительной поверхности крышки, чтобы предохранить уплотнительный элемент от задевания при проведении различных ремонтных работ или очистки трубопровода.
Также, чтобы предотвратить излишнюю деформацию уплотнительного элемента, он выполнен составным, включающим кольцо из более твердой резины, расположенное с внешней стороны затвора и обращенное к уплотнительным поверхностям корпуса и крышки, кольцо в соответствии со своим расположением имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, высота и ширина которого примерно равны половине высоты и ширины всей прямоугольной части уплотнительного элемента.
Полезная модель поясняется графическими материалами, на которых представлены в поперечном сечении:
Фиг. 1 - части байонетного затвора, корпус и крышка, и уплотнительный элемент, расположенный в канавке, выполненной на уплотнительной поверхности крышки, перед закрытием затвора;
Фиг. 2 - части байонетного затвора, корпус и крышка, и уплотнительный элемент, расположенный в канавке, выполненной на уплотнительной поверхности корпуса, перед закрытием затвора;
Фиг. 3 - части байонетного затвора, корпус и крышка, и уплотнительный элемент, расположенный в канавке, выполненной на уплотнительной поверхности корпуса, при закрытом затворе;
Фиг. 4 - части байонетного затвора, корпус и крышка, и уплотнительный элемент, расположенный в канавке, выполненной на уплотнительной поверхности корпуса, при закрытом затворе при наличии зазора между боковой стенкой канавки и уплотнительным элементом.
На фиг. 1 показаны части затвора перед его закрытием: крышка 1, на уплотнительной поверхности которой выполнена канавка 2, в которой расположен уплотнительный элемент, включающий кольца 3 и 4, а также корпус 5. В кольце 3 выполнена полость 6.
На фиг. 2 показаны части затвора перед его закрытием: корпус 7, на уплотнительной поверхности которого выполнена канавка 8, в которой расположен уплотнительный элемент, включающий кольцо 9, а также крышка 10. В кольце 8 выполнена полость 6.
На фиг. 3 и 4 показан затвор в закрытом состоянии, причем на фиг. 4 показан зазор 11 между боковой стенкой канавки и уплотнительным элементом.
Затвор работает следующим образом.
При повороте крышки происходит ее осевое перемещение, закрывается зазор между крышкой и корпусом и деформируется уплотнительный элемент. Ход деформации уплотнительного элемента рассмотрен выше. В результате деформации уплотнительного элемента между упомянутыми поверхностями образуется плотный контакт, и происходит герметизация затвора.