УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБРОСА ДАВЛЕНИЯ, СОДЕРЖАЩЕЕ ЛИНИЮ ОТКРЫТИЯ, ВЫПОЛНЕННУЮ ЛАЗЕРОМ
PRESSURE RELIEF DEVICE HAVING LASER-DEFINED LINE OF OPENING

ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
По настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США под номером 61/720,800, поданной 31 октября 2012 г., полное содержание которой включено в настоящее описание путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение, в общем, относится к устройствам для сброса давления. В частности, настоящее изобретение относится к устройствам для сброса давления, включающим в себя линию открытия, выполненную избирательным действием лазера для выполнения множества коллинеарных углублений, чередующихся с множеством сегментов зазоров.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Линии надреза в разрывных дисках в течение некоторого времени служили для выполнения области диска, открывающейся под воздействием заданного избыточного давления. В процессе открытия разрывной диск разрывается по линии надреза для выполнения одного или более лепестков, совершающих поворот вокруг одной или более соответствующих шарнирных областей под силовым воздействием избыточного давления, чтобы позволить текучей среде под давлением поступать через открытый диск. Линии надреза обычно создаются с использованием штампов для выполнения надрезов на металле. При использовании штампа для выполнения надреза на металле с целью выполнения линии надреза штамп вызывает сдавливание и деформационное упрочнение металла диска, тем самым изменяя зернистую структуру металла. Данное деформационное упрочнение может повысить хрупкость металла и образовать зоны концентрации напряжений. Хрупкость и зоны концентрации напряжений ограничивают срок службы устройства для сброса давления в результате усталостного растрескивания и коррозии под напряжением. Кроме того, сложно достичь высокой точности регулирования глубины надрезов при изготовлении диска, учитывая, что сам штамп изнашивается в процессе создания надрезов и должен периодически заменяться. Этот недостаток в регулировке вносит некоторую непредсказуемость в характеристики открытия диска.
Чтобы избежать проблем, связанных с выполнением надрезов с помощью штампа, были разработаны альтернативные способы выполнения линий, по которым открывается разрывной диск. Один из таких способов описан в документе US 7,600,527, где раскрыто выполнение линии ослабления способом электрополирования. В данном способе на разрывной диск наносят слой защитного материалом. Далее используют лазер для удаления части защитного материала, соответствующей требуемой линии ослабления. После этого диск подвергается операции электрополирования для удаления металла с поверхности диска, в результате чего образуется линия ослабления требуемой глубины. Однако регулирование ширины электрополированной линии ослабления может вызывать затруднения, особенно если материал диска является относительно толстым и требует продолжительного времени электрополирования, чтобы достичь требуемой глубины линии.
Предложено также непосредственно использовать лазер для выполнения линии ослабления в разрывном диске. Опубликованные патентные документы US 2010/140264 и US 2010/224603 служат в этом отношении примером. Однако в данных ссылочных источниках приняты традиционные конфигурации линий ослабления в части того, что линии ослабления содержат относительно длинные, непрерывные углубления, выполненные на одной поверхности диска, что может ограничивать диапазон разрывных давлений, создаваемых для диска конкретной толщины.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте осуществления настоящего изобретения предложено устройство для сброса давления, содержащее область сброса избыточного давления и окружающий фланцевый участок. Область сброса избыточного давления содержит пару противоположных поверхностей, а также линию открытия, выполненную по меньшей мере в одной ее поверхности. Линия открытия содержит множество коллинеарных разнесенных выполненных лазером углублений и образует по меньшей мере частично лепесток области сброса, образуемый при открытии указанной области сброса.
В другом аспекте осуществления настоящего изобретения предложен способ выполнения линии открытия в устройстве для сброса давления. Создано устройство для сброса давления, содержащее область сброса избыточного давления и окружающий фланцевый участок. Область сброса избыточного давления содержит противоположные поверхности. Линия открытия выполнена в области сброса избыточного давления с использованием лазера для избирательного удаления материала по меньшей мере с одной из указанных поверхностей и выполнения множества коллинеарных разнесенных выполненных лазером углублений, при этом указанная линия открытия образует по меньшей мере частично лепесток области сброса, образуемый при открытии указанной области сброса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показан общий вид выгнутого разрывного диска, имеющего линию открытия, созданную согласно настоящему изобретению, выполненную на его вогнутой поверхности;
на фиг. 2 показан общий вид вогнутой поверхности разрывного диска, представленного на фиг. 1, которая включает в себя линию открытия, содержащую множество разнесенных углублений;
на фиг. 3 показан фрагментированный вид вогнутой поверхности разрывного диска, представленного на фиг. 1;
на фиг. 4 показан вид в разрезе крупным планом выпуклой поверхности разрывного диска, представленного на фиг. 1;
на фиг. 5 показан вид в разрезе крупным планом вогнутой поверхности разрывного диска, представленного на фиг. 1;
на фиг. 6 показан общий вид вогнутой поверхности по другому варианту осуществления разрывного диска, где показана линия открытия, имеющая относительно длинные сегменты зазоров между смежными углублениями;
на фиг. 7 показан фрагментированный вид вогнутой поверхности разрывного диска, представленного на фиг. 6;
на фиг. 8 показан общий вид вогнутой поверхности по другому варианту осуществления разрывного диска согласно настоящему изобретению, где показана линия открытия, имеющая относительно короткие сегменты зазоров между смежными углублениями;
на фиг. 9 показан общий вид вогнутой поверхности по другому варианту осуществления разрывного диска согласно настоящему изобретению, где показана линия открытия, содержащая неравномерно разнесенные углубления;
на фиг. 10 показан фрагментированный вид вогнутой поверхности по другому варианту осуществления разрывного диска согласно настоящему изобретению, где показана альтернативная линия открытия, содержащая сегменты зазоров уменьшенной толщины;
на фиг. 11 показан фрагментированный вид крупным планом разрывного диска, представленного на фиг. 10;
на фиг. 12 показан вид в разрезе вогнутой поверхности разрывного диска, представленного на фиг. 10;
на фиг. 13 показан фрагментированный общий вид вогнутой поверхности по другому варианту осуществления разрывного диска согласно настоящему изобретению, где показана линия открытия, содержащая углубления переменной формы;
на фиг. 14 показан фрагментированный вид крупным планом вогнутой поверхности разрывного диска, представленного на фиг. 13;
на фиг. 15 показан вид в разрезе крупным планом вогнутой поверхности разрывного диска, представленного на фиг. 13.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующем подробном описании изобретения приводятся ссылки на различные варианты осуществления. Варианты осуществления направлены на описание аспектов изобретения в достаточно подробном виде, чтобы позволить специалистам в данной области техники воплотить изобретение на практике. Могут применяться другие варианты осуществления и могут вноситься изменения без отхода от объема настоящего изобретения. Нижеследующее подробное описание, таким образом, не следует воспринимать в ограничительном смысле. Объем настоящего изобретения определяется только пунктами прилагаемой формулы изобретения, вместе с полным объемом эквивалентов, на которые распространяются эти пункты.
На фиг. 1 показан разрывной диск 10 реверсивного действия. Следует понимать, что разрывной диск 10, показанный на фиг. l, является лишь одним примером устройства для сброса давления, позволяющего осуществить настоящее изобретение. Другие устройства для сброса давления также возможны в рамках настоящего изобретения, например невыгнутые или плоские разрывные диски, выгнутые разрывные диски прямого действия, а также различные разгрузочные клапаны давления. Настоящее изобретение может найти применения в широком спектре устройств для сброса давления, где требуется обеспечить повышенный операционный контроль и возможность прогнозирования.
Разрывной диск 10 содержит центральную секцию 12 сброса избыточного давления, которая также будет обозначаться как «выгнутая секция» со ссылкой на фигуры, а также кольцевой фланцевый участок 14, окружающий выгнутую секцию 12. Переходная зона 16 соединяет внутреннюю периферию фланцевого участка 14 с наружным краем выгнутой секции 12. Разрывной диск 10, представленный на фиг. 1, также включает в себя периферийный выравнивающий элемент 18 для содействия надлежащей установке диска 10.
Компоненты разрывного диска 10 и других устройств для сброса давления могут быть выполнены из различных материалов. В некоторых вариантах осуществления разрывной диск 10 и другие устройства для сброса давления могут содержать коррозионно-стойкий материал. В частных вариантах осуществления разрывной диск 10 и другие устройства для сброса давления могут содержать любое количество традиционных коррозионно-стойких металлов, например нержавеющие стали, Hastalloy-C, MONEL, INCONEL, а также никель.
Как показано на фиг. 1, выгнутая секция 12 может включать в себя элемент 19 инициирования реверса, используемый для контроля давления, при котором выгнутая секция 12 начинает совершать реверс, а затем открывается. В некоторых вариантах осуществления элемент 19 может содержать область измененной металлической зернистой структуры, обладающую более высокой прочностью при растяжении, чем окружающие области выгнутой секции 12. В одном варианте осуществления, включающем в себя область с более высокой прочностью при растяжении, такая область может располагаться на вершине или любом другом участке выгнутой секции 12. Такие элементы инициирования реверса описаны в патентном документе US 6,945,420, полное содержание которого включено в настоящее описание путем ссылки. В других вариантах осуществления элемент 19 инициирования реверса может содержать дискретную область выгнутой секции 12, имеющую обработанную лазером поверхность, в которой материал диска удален так, чтобы уменьшить толщину дискретной области относительно непосредственно примыкающих участков выгнутой секции 12. Такие выполненные лазером элементы инициирования реверса описаны в патентном документе US 13/552,165, полное содержание которого включено в настоящее описание путем ссылки.
Выгнутая секция 12 разрывного диска 10 содержит вогнутую поверхность 12a и выпуклую поверхность 12b. Как показано на фиг. 2, линия открытия 20 выполнена на вогнутой поверхности 12a выгнутой секции 12. Хотя в данном варианте осуществления линия открытия 20 продолжается по периферии выгнутой секции 12 по существу в форме буквы «C», настоящее изобретение предполагает и другие формы выполнения линии открытия. Например, в некоторых вариантах осуществления линия открытия может продолжаться поперек выгнутой секции разрывного диска и/или пересекаться по меньшей мере с одной другой линией открытия для выполнения крестообразной формы.
Возвращаясь к фиг. 2 и 3, линия открытия 20 содержит пару разнесенных противоположных концевых областей 21, 23, которые совместно образуют шарнирную область 25. При открытии диска 10 лепесток, выполненный из выгнутой секции 12 в результате разрыва материала диска вдоль линии открытия 20, совершает поворот вокруг шарнирной области 25, так что избыточное давление может сбрасываться, не вызывая фрагментации лепестка.
Линия открытия 20 содержит множество коллинеарных углублений 22 и сегментов 24 зазоров. Сегменты 24 зазоров чередуются с углублениями 22, по существу располагаясь между смежными углублениями. В контексте настоящего описания термин «коллинеарный» может относиться как к криволинейной, так и прямолинейной конфигурациям. Углубления 22 обычно содержат участки одной из поверхностей 12a, 12b, прошедшие лазерную обработку, при которой удаляется участок материала диска. Как показано на фигурах, углубления 22 продолжаются от поверхности 12a в направлении противоположной поверхности 12b, не проникая в противоположную поверхность 12b. Таким образом, углубления 22 отличны от щелей, продолжающихся целиком сквозь материал диска. Сегменты 24 зазоров обычно имеют глубину, которая меньше глубины углублений 22, а в некоторых вариантах осуществления по существу расположены заподлицо с поверхностью, в которой выполнена линия открытия 20.
В некоторых вариантах осуществления материал диска, в котором выполнены углубления 22, представляет собой цельный, неслоистый материал. Например, выгнутая секция 12, в которой выполнены линия открытия 20 и углубления 22, содержит единственный слой или лист. Вне зависимости от того, содержит ли разрывной диск 10 дополнительные слои или слоистые листы, углубления 22 содержатся только в единственном слое и не проходят насквозь.
В других вариантах осуществления диск 10 может содержать множество пластов или слоев, тем самым образуя слоистую конструкцию. Отдельные слои могут содержать металлический материал, интерметаллический материал, композитный материал, керамику, стекло, полимерный материал или их комбинацию. В таких вариантах осуществления углубления 22 могут продолжаться полностью сквозь один или более слоев, но проходить только частично сквозь один из слоев. Таким образом, как и в вариантах осуществления, описанных ранее, существует по меньшей мере один слой слоистой конструкции диска, в котором углубления 22 продолжаются только частично сквозь него. В этом заключается отличие от предшествующих конструкций диска (см., например, патент US 5,080,124), где щель или углубление продолжается полностью сквозь один из слоев диска, не продолжаясь по меньшей мере частично в один другой слой диска.
Как отмечено выше, углубления 22 могут быть созданы лазерной обработкой. Может использоваться лазер любого типа, пригодный для удаления участка материала области сброса избыточного давления. Однако предпочтительно, чтобы выбранный лазер по существу не изменял зернистую структуру металла области сброса, например путем создания зон теплового воздействия. В объеме настоящего изобретения, тем не менее, возможно использование других технологий для выполнения углублений 22, таких как высокоскоростное механическое фрезерование (см., например, опубликованный патентный документ US2009/0302035, полное содержание которой включено в настоящее описание путем ссылки) и электрополирование.
На фиг. 4 и 5 подробнее показано, как углубления 22 продолжаются от вогнутой поверхности 12a в направлении выпуклой поверхности 12b, а также то, что сегменты 24 зазоров по существу расположены заподлицо с поверхностью 12a. Кроме того, углубления 22 представляют по существу прямолинейные края 26a-d, хотя такие края могут иметь некоторую незначительную кривизну, в частности, когда линия открытия 20 имеет криволинейную конфигурацию.
Линии открытия, созданные согласно настоящему изобретению, обеспечивают повышенную жесткость и целостность области сброса избыточного давления по сравнению с традиционными линиями надреза и схожими элементами. Это позволяет более тщательно контролировать характеристики отрыва диска при открытии, а в некоторых вариантах осуществления расширить диапазон разрывных давлений для диска, выполненного из материала определенной толщины. Изменяя относительную форму, ширину, длину и глубину углублений и сегментов зазоров, можно оптимизировать характеристики открытия диска для удовлетворения конкретным условиям применения. Кроме того, поскольку углубления выполнены без изменения зернистой структуры металла в материале области сброса давления смежно с углублениями, проблема возникновения усталости металла становится менее острой или вообще не возникает.
Глубина углублений 22 может изменяться согласно техническим требованиям, предъявляемым к конкретному устройству для сброса давления. В некоторых вариантах осуществления глубина по меньшей мере одного углубления 22 составляет от около 50% до около 90%, от около 60% до около 85% или от около 65% до около 80% от толщины выгнутой секции 12, непосредственно смежной углублению. В некоторых вариантах осуществления глубина углублений 22 может быть одинаковой по всей линии открытия 20. В других вариантах осуществления глубина углублений 22 изменяется вдоль длины линии открытия 20. Например, линия открытия 20 может содержать углубления 22 проксимально к шарнирной области 25, глубина которых меньше глубины тех углублений, которые находятся противоположно от шарнирной области 25.
Применительно к слоистым конструкциям диска точность глубины резания, обеспечиваемая лазером, позволяет изготавливать слоистую конструкцию диска с последующим созданием в ней углублений 22. Ранее изготовление многослойной конструкции диска, имеющей одну или более углубленных областей, выполнялось путем первоначально механического выполнения сквозных щелей в однослойном материале диска. За этим этапом следовало нанесение уплотнительного слоя поверх материала диска с выполненными щелями либо наложение дополнительных слоев диска на материал диска с выполненными щелями. Однако настоящее изобретение позволяет полностью изготовить слоистую конструкцию диска, а затем образовать углубления 22, как описано выше.
Что касается длины и ширины углублений, углубления 22 могут быть по существу одинаковыми или существенно отличаться по всей длине линии открытия 20. На фиг. 2-5 углубления 22 и сегменты 24 зазоров равномерно разнесены по всей длине линии открытия 20. Как можно видеть, углубления 22 в общем длиннее, чем промежуточный сегмент 24 зазора. Однако на фиг. 6-7 показан разрывной диск 10a, в котором углубления 22a короче промежуточного сегмента 24 зазора. В некоторых вариантах осуществления линия открытия 20a будет обладать более высоким сопротивлением отрыву, чем линия открытия 20 на фиг. 2-5.
На фиг. 8 показан еще один вариант осуществления разрывного диска 10b, где длина углублений 22b одинакова по всей длине линии открытия 20b, но сегменты 24b зазоров существенно короче углублений 22b. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления линия открытия 20b будет обладать меньшим сопротивлением отрыву, чем линия 20a, при открытии соответствующего диска.
На фиг. 9 показан пример разрывного диска 10c, имеющего линию открытия 20c, содержащую по существу одинаковые углубления 22c, но переменную длину сегментов зазоров. Как показано, сегменты 24c зазоров, расположенные противоположно от шарнирной области 25, имеют более короткую длину, чем сегменты 24d зазоров, расположенные ближе к концевым областям 21 и 23. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления линия открытия 20c обладает пониженным сопротивлением отрыву в области, противоположной шарнирной области 25, и повышенным сопротивлением отрыву по мере приближения к шарнирной области 25. Такая конфигурация приводит к поглощению энергии при открытии области сброса избыточного давления и снижает вероятность фрагментации лепестков.
Принимая во внимание вышеприведенные иллюстрации, становится понятно, что характеристики соответствующих углублений 22 и сегментов 24 зазоров могут существенно варьироваться, чтобы достичь требуемых рабочих характеристик открытия диска.
На фиг. 10-15 представлены дополнительные варианты осуществления линий открытия, созданных согласно настоящему изобретению. Обратимся сначала к фиг. 10-12, на которых показан выгнутый разрывной диск 110, содержащий линию открытия 120, выполненную на вогнутой поверхности 112a выгнутой секции 112. Линия открытия 120 содержит множество чередующихся углублений 122 и сегментов 124 зазоров. Однако в отличие от вариантов осуществления, описанных ранее, сегменты 124 зазоров не лежат заподлицо с поверхностью 112a. Вместо этого данные сегменты 124 зазоров сами заглублены от поверхности 112a, хотя их глубина меньше, чем глубина углублений 122. При изготовлении таких конструкций на поверхности 112a выгнутой секции 112 может быть получен фрезерованием начальный канал 130 (см. фиг. 11) (например, путем лазерной обработки). В некоторых вариантах осуществления канал 130 может иметь по существу одинаковую глубину по всей своей длине, хотя это не является обязательным условием. После того как получена требуемая глубина канала 130, лазер может проходить по каналу 130 и периодически срабатывать для избирательного удаления материала из определенных заданных областей, что приводит к выполнению углублений 122 и сегментов 124 зазоров. Соответственно сегменты 124 зазоров содержат обработанную лазером поверхность 132, продолжающуюся между смежными углублениями 122, хотя обработанная лазером поверхность 132 расположена на меньшей глубине по сравнению с углублением 122.
Углубления 122 и сегменты 124 зазоров могут быть выполнены аналогично углублениям 22 и сегментам 24 зазоров, рассмотренным ранее, в отношении длины, ширины, глубины, единообразия и вариабельности вдоль длины линии открытия 120. На фиг. 13-15 показан разрывной диск 110a, содержащий линию открытия 120a, выполненную на его вогнутой поверхности 112a. Углубления 122a и сегменты 124a зазоров содержат альтернативную геометрическую конфигурацию. Как показано подробнее на фиг. 14, углубления 122a имеют по существу ромбовидную форму. Опять же, края углублений 112a могут не образовывать строгий параллелограмм с учетом общей криволинейной конфигурации линии открытия 120a. Другие геометрические формы для углублений 122a и сегментов 124a зазоров также допускаются в рамках настоящего изобретения. Например, углубления 122a могут быть круглыми, овальными, прямоугольными или трапецеидальными. Для иллюстрации последнего углублениям 122b и 122c в результате обработки придана по существу трапецеидальная форма, а разделяющий их сегмент 124b зазора имеет по существу параллельные боковые края.
Таким образом, очевидно, что линии открытия, выполненные согласно настоящему изобретению, могут обладать углублениями и сегментами зазоров множества конфигураций. Следует понимать, что любые элементы или конфигурации, рассмотренные выше, могут объединяться для достижения требуемых характеристик открытия по линиям открытия. Таким образом, объем настоящего изобретения никоим образом не ограничен вариантами осуществления, рассмотренными выше.