ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ МЕМБРАННОЕ УСТРОЙСТВО
SAFETY MEMBRANE DEVICE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано преимущественно в предохранительных устройствах мембранного типа, работающих при высоких параметрах предохраняемой среды и высоких требованиях по надежности, например, в атомных энергетических установках для защиты от превышения давления систем с потенциально опасной средой.
Необходимость применения предохранительных мембранных устройств (далее по тексту - УПМ) в атомных энергетических установках обусловлена жесткими требованиями по герметичности защищаемого контура по отношению к внешней среде, точности срабатывания и надежности в работе.
Известны разрывные мембраны прямого действия, срабатывающие непосредственно от усилия, развиваемого давлением предохраняемой среды мембранного устройства (SU 1213300 F16K 17/16, опубл. 23.02.1986 г., SU 1057733 F16K 17/16, опубл. 30.11.1983 г., SU 1569494 A1 F16K 17/16, опубл. 07.06.90 г., US 4,819,823 F16K 17/40, опубл. 11.04.1989 г., US 4,830,052 F16K 17/40, опубл. 16.05.1989 г.).
Существенными недостатками, ограничивающими применение данных конструкций в рассматриваемой области техники являются: невозможность использования при высоких уровнях давления предохраняемой системы, недостаточная точность срабатывания, невозможность определения фактического давления срабатывания без обрыва мембраны, невозможность блокирования при проведении гидроиспытаний полости предохраняемой среды и невозможность проведения гидроиспытаний замембранной полости.
Известны предохранительные мембранные устройства, в которых применена куполообразная мембрана, имеющая два устойчивых состояния, которая является техническим средством, реагирующим на уровень давления в предохраняемой системе и приводящим в действие внешний силовой привод для разрушения основной мембраны (RU 2219406 С2 F16K 17/14, опубл. 20.12.2003 г., RU 2220348 С2 F16K 17/14, опубл. 27.12.2003 г.). В данной конструкции обеспечивается дискретный характер срабатывания, но недостатки, описанные выше, распространяются и на эти конструкции, кроме того, использование внешнего привода противоречит базовым принципам, действующим в атомной энергетике.
В предохранительном клапане с разрушаемой мембраной по а.с. СССР № SU 1576761 A1 F16K 17/16, опубл. 07.07.1990 г. мембрана выполняет двоякую роль: герметизация предохраняемого объема и роль чувствительного элемента, реагирующего на давление предохраняемой среды и приводящего в действие пружинный привод разрушения мембраны. Данная конструкция позволяет производить прямую настройку на давление срабатывания, обеспечивает требуемую точность срабатывания, однако мембрана в ней не защищена от циклических нагружений мембраны при нормальной работе вследствие колебания величины давления предохраняемой среды, что снижает ее надежность. Кроме того, срезание мембраны осуществляется не усилием, развиваемым предохраняемой средой, а пружиной, что также противоречит поставленным задачам. По этим причинам данное конструктивное решение не может быть принято.
Мембранное предохранительное устройство по патенту РФ №2214543 С1 F16K 17/16, опубл. 20.10.2003 г. освобождает мембрану от циклических нагружений мембраны при нормальной работе вследствие колебания величины давления предохраняемой среды, однако величина давления срабатывания в этой конструкции определяется усилием обрыва контрольного стержня (штифта), которое зависит от фактических механических характеристик металла и допусков на изготовление. Это относится также и к предохранительному устройству для сосуда давления по патенту РФ №2272207 F16K 17/14, опубл. 20.03.2006 г.
Наиболее близким аналогом предлагаемой конструкции, являющимся ее прототипом, является предохранительный клапан по патенту РФ №1356631 F16k 17/14, опубл. 11.03.1986 г., в корпусе которого размещен нагруженный через опору шток, концентрично которому установлен соединенный своими торцами со штоком и корпусом сильфон, передающий давление рабочей среды через шток на разрывной элемент с ослабленным сечением, и на внутренней поверхности корпуса выполнена расточка, опора пружины выполнена в виде стакана, дно которого соединено со штоком, а наружная поверхность его венца снабжена коническим буртом, причем механизм разгрузки пружины выполнен в виде радиально установленных и заключенных в сепаратор цилиндрических или призматических элементов, торцы которых наклонены под углом к образующей и контактируют соответственно с буртом венца стакана и стенкой корпуса, а пружина своим торцом оперта на сепаратор.
Данная конструкция удовлетворяет требованиям по гарантированной герметичности предохраняемого контура до момента срабатывания, по точности срабатывания, по возможности настройки и регулирования давления срабатывания, по обеспечению возможности проверки работоспособности при эксплуатации.
Однако пропускная способность этой конструкции ограничена диаметром отверстия обрываемого стержня, большие величины расходов она не может обеспечить.
Целью изобретения с учетом высокого уровня давления в основных циркуляционных контурах атомных энергетических установок является разгрузка мембраны от действия давления среды предохраняемой системы, позволяющая применять тонкостенные оболочки в качестве материала для полнопроходной мембраны, а также разгрузка от действия давления со стороны полости сброса, позволяющая обеспечить возможность проведения гидроиспытаний замембранной полости в процессе работы установки с целью проверки герметичности мембраны в процессе эксплуатации УПМ.
Поставленная цель достигается тем, что в известном предохранительном мембранном устройстве, в корпусе которого размещены разрывной элемент и взаимодействующий с ним сильфонный привод, включающий в себя шток, сильфон, соединенный с корпусом и штоком, подпружиненный фиксирующий механизм расцепляющегося типа, разрывной элемент выполнен в виде мембранного узла, состоящего из соединенных кольцевой фасонной мембраной неподвижной части, герметично соединенной с корпусом, и подвижной части, выполненной в виде стакана, имеющего в бортовой части продольные прорези и цилиндрическую ножевую поверхность в донной части, в противоположном от мембраны конце обе части выполнены взаимодействующими друг с другом посредством конического бурта стакана и внутренней конической поверхности неподвижной части, а к нижней плоскости донной части стакана прикреплен ограничитель с осевым зазором по отношению к нижнему торцу нижней резьбовой втулки неподвижной части мембранного узла, обеспечиваемым запасом по упругости мембраны в осевом направлении, во внутреннюю расточку стакана входит запирающая втулка, а кинематическая связь штока с запирающей втулкой осуществлена за счет установки во втулку штифтов, входящих в паз штока, а осевой зазор между торцами штока и запирающей втулки превышает ход штока, необходимый для срабатывания сильфонного привода.
Профиль кольцевой фасонной мембраны образован коническим участком, преходящим в плоские участки со скруглениями в переходах.
Неподвижная часть мембранного блока выполнена в виде двух свинченных между собой цилиндрических резьбовых втулок, причем верхняя втулка ввинчена в корпус и заваривается усиковым сварным швом, а нижняя втулка ввинчена в верхнюю втулку до упора в ее торец через плоский участок мембраны.
В верхней части запирающей втулки предусмотрен бурт, нижний торец которого в исходном состоянии устройства оперт на торец резьбовой втулки, ввинченной в крышку.
Верхняя граница паза штока выбрана из условия обеспечения на пружине усилия предварительного затяга, обеспечивающего неподвижность элементов механизма при рабочих режимах работы.
На фиг. 1-5 представлено схематическое изображение УПМ.
УПМ состоит из следующих основных составных частей: корпус 1, сильфонный привод 2, мембранный узел 3, соединительные и крепежные элементы.
Корпус 1 представляет собой цилиндрическое тело с внутренней рабочей полостью для предохраняемой среды. В корпусе 1 имеются верхний входной 4 и нижний выходной 5 патрубки, а также полость 6 в донной части для размещения подвижной части 7 мембранного узла 3 после срабатывания УПМ. Для герметичного соединения корпуса 1 с крышкой 10 предусмотрены необходимые пристыковочные элементы.
Сильфонный привод 2 выполняет функцию чувствительного механизма, реагирующего на давление в предохраняемой системе и вырабатывающего при недопустимом росте давления дискретный силовой рабочий импульс для срабатывания УПМ.
В состав сильфонного привода 2 входят крышка 10, шток 8, сильфон 9, подпружиненный фиксирующий механизм расцепляющегося типа 11, запирающая втулка 17.
Сильфон 9 герметично соединен с нижней частью штока 8 и крышкой 10. Совместно с корпусом 1 и крышкой 10 сильфон 9 замыкает рабочую полость 6 корпуса 1, находящуюся под давлением предохраняемой системы.
Подпружиненный фиксирующий механизм расцепляющегося типа 11 выполнен, например, в виде радиально установленных и заключенных в сепаратор 12 толкателей 13, торцы которых наклонены под углом к образующей и контактируют соответственно с конической поверхностью 14, предусмотренной на упоре 15, установленном на верхнем конце штока 8, и стенкой расточки крышки 10, а пружина 16 одним торцом оперта в сепаратор 12, а другим - в расточку крышки
Запирающая втулка 17 кинематически сочленена телескопическим соединением с нижним концом штока 8 с возможностью относительного осевого перемещения.
Кинематическая связь штока 8 с запирающей втулкой 17 осуществлена за счет установки в запирающую втулку 17 штифтов 18, входящих в паз штока 8, причем осевой зазор В между торцами штока 8 и запирающей втулки 17 превышает ход штока 8, необходимый для срабатывания сильфонного привода 2.
Верхняя граница паза штока выбрана из условия обеспечения на пружине усилия предварительного затяга, обеспечивающего неподвижность элементов механизма при рабочих режимах работы.
В верхней части запирающей втулки 17 предусмотрен бурт 19, нижний торец 20 которого в исходном состоянии УПМ оперт на торец 21 резьбовой втулки 22, ввинченной в крышку 10, что обеспечивает ограничение захода запирающей втулки 17 в расточку мембранного узла 3 и, соответственно, минимизацию хода штока 8.
Мембранный узел 3, выполняющий функцию разрывного элемента, предназначен для обеспечения до момента срабатывания герметичности защищаемого контура.
В состав мембранного узла 3 входят фасонная кольцевая мембрана 23, неподвижная часть 24, подвижная часть 7 и ограничитель 29.
Профиль фасонной кольцевой мембраны 23 образован коническим участком, переходящим в плоские участки со скруглениями в переходах.
По внешнему контуру фасонная кольцевая мембрана 23 соединена сваркой с неподвижной частью 24, а по внутреннему контуру - с подвижной частью 7.
Неподвижная часть 24 мембранного блока выполнена в виде двух свинченных между собой цилиндрических резьбовых втулок, причем верхняя втулка 32 ввинчена в корпус 1 и заваривается усиковым сварным швом, а нижняя втулка 31 ввинчена в верхнюю втулку 32 до упора в ее торец через плоский участок мембраны, остающийся при срабатывании между торцами втулок 31 и 32. В верхней части втулки 32 предусмотрен участок с внутренней конической поверхностью.
Подвижная часть 7 мембранного блока выполнена в виде стакана 26, имеющего внутреннюю расточку, продольные прорези 27 в бортовой части и цилиндрическую ножевую поверхность в донной части. В противоположном от ножевой поверхности конце стакана имеется конический бурт, взаимодействующий с внутренней конической поверхностью верхней резьбовой втулки 32 неподвижной части 24 мембранного блока 3. К нижней донной поверхности стакана прикреплен ограничитель 29 с осевым зазором по отношению к нижнему торцу нижней резьбовой втулки 31 неподвижной части 24 мембранного узла 3, обеспечиваемым запасом по упругости мембраны в осевом направлении.
УПМ работает следующим образом.
При нормальной величине давления в предохраняемой системе сильфонный привод 2 находится в исходном состоянии, шток 8 и соединенная с ним посредством штифтов 18 запирающая втулка 17, упираясь буртом 19 в торец 21 резьбовой втулки 22, ввинченной в крышку 10, под действием пружины 16 находятся в нижнем положении, между торцами штока и запирающей втулки имеется осевой зазор В, необходимый для обеспечения срабатывания сильфонного привода 2 до начала перемещения запирающей втулки 17, запирающая втулка 17 находится внутри расточки стакана 26.
Осевое усилие предварительного затяга пружины 16 через сепаратор 12, толкатели 13, упор 15, шток 8, штифты 18, бурт 19 запирающей втулки 17 и резьбовую втулку 22 передается на крышку 10 и корпус 1, что обеспечивает неподвижность элементов сильфонного привода при рабочих колебаниях давления в предохраняемой системе и, соответственно, отсутствие износа механизма.
Радиальная составляющая усилия на коническом упоре 25 воспринимается цилиндрической поверхностью запирающей втулки 17, входящей в зацепление с мембранным узлом. Этим исключаются деформация ослабленных участков бортовой части стакана 26 в направлении к центру детали и блокирование УПМ от преждевременного срабатывания.
Осевое усилие от действия давления среды предохраняемой системы через упор конусовидной формы 18 замыкается на корпус 1, не нагружая мембрану 23.
При недопустимом росте давления в предохраняемой системе, под действием усилия давления среды на сильфон 9, шток 8 перемещается вверх, происходит срабатывание подпружиненного фиксирующего механизма расцепляющегося типа 11, шток 8, освободившись от противодействия пружины 16, резко перемещается вверх, зазор В между торцами штока 8 и запирающей втулки 17 выбирается, происходит подъем штоком 8 запирающей втулки 17 и выход ее из расточки стакана 26 подвижной части 7 мембранного узла 3, в результате чего рабочий участок стакана 26 под действием радиальной составляющей усилия, действующего на упор конусовидной формы 18, деформируется (ослабленные прорезями участки несущей детали - стакана 26 прогибаются к центру), что влечет за собой освобождение подвижной части 7 мембранного узла 3 от корпуса 1, прекращение разгрузки мембраны 23 от действия давления среды предохраняемой системы и, как следствие, - обрыв мембраны 23 и освобождение прохода.
Разгрузка мембраны 23 от действия давления со стороны полости сброса осуществляется за счет упора ограничителя 29 подвижной части 7 мембранного узла 3 в торец 30 нижней резьбовой втулки 31 неподвижной части 24 мембранного узла 3 в пределах допустимого прогиба мембраны 23, который обеспечивается профилем мембраны.
После срабатывания УПМ в обеспечение повторного использования УПМ необходимы срезка усикового сварного шва, соединяющего неподвижную часть 24 мембранного узла 3, извлечение ее из корпуса и монтаж нового мембранного узла.