ВЗРЫВОЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С СИСТЕМОЙ ОПОВЕЩЕНИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ СИТУАЦИИ
EXPLOSIVE PROTECTION ELEMENT WITH THE EMERGENCY ALARM SYSTEM

Изобретение относится к взрывозащитным устройствам и может быть использовано для взрывозащиты технологического оборудования в случае возникновения чрезвычайной ситуации (ЧС).
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является взрывозащитное устройство по патенту РФ №2549751, F16D 3/04 (прототип), содержащее корпус клапана, теплоизолирующий и разрывной элементы, футерованный грузовой затвор, подвижно соединенный с корпусом клапана, который выполнен в виде нижней цилиндрической, средней конической и верхней цилиндрической частей, причем в нижней цилиндрической части размещен футерованный грузовой затвор, перекрывающий отверстие в корпусе защищаемого объекта, а в верхней цилиндрической части корпуса клапана размещен узел крепления разрывной мембраны.
Недостатком известного решения является сравнительно невысокая надежность из-за того, что гибкие связи крепления футерованного грузового затвора к корпусу взрывозащитного устройства, выполненные в виде ремней, работают рывками, с ударами, т.е. создают дополнительные динамические нагрузки на устройство в целом, что может привести к их поломке.
Технический результат - повышение эффективности и надежности защиты технологического оборудования от взрывов путем выполнения крепления футерованного грузового затвора к корпусу защищаемого объекта посредством направляющих стержней, что способствуют более надежному и мягкому (без рывков и ударов) центрированию затвора относительно сбросного отверстия.
Это достигается тем, что во взрывозащитном элементе с системой оповещения чрезвычайной ситуации, содержащем корпус, разрывной элемент мембранного типа, футерованный грузовой затвор, подвижно соединенный с корпусом защищаемого объекта, при этом корпус клапана выполнен в виде нижней цилиндрической, средней конической и верхней цилиндрической частей, причем в нижней цилиндрической части размещен футерованный грузовой затвор, перекрывающий отверстие в корпусе защищаемого объекта, а в верхней цилиндрической части корпуса клапана размещен узел крепления разрывного элемента мембранного типа, подвижное соединение футерованного грузового затвора с корпусом защищаемого объекта выполнено в виде по крайней мере, трех направляющих стержней, средняя часть которых подвижно размещена во втулках, закрепленных в футерованном грузовом затворе, а нижний конец каждого из которых жестко соединен с корпусом посредством фланца, при этом на другом конце стержней закреплены упорные пластины, на которых закреплены взрывозащитные элементы взрывозащитного устройства, демпфирующие воздействие ударной взрывной волны, взрывозащитный элемент выполнен в виде пакета тарельчатых упругих элементов, подвижно базирующихся на направляющих стержнях и закрепленных на упорной пластине, и содержит круглое основание, которое посредством, по крайней мере двух, штырей подвижно расположено на стержне, при этом один конец штыря жестко закреплен на упорной пластине, а другой - входит с зазором в отверстие, выполненное в основании, и фиксируется посредством гайки, к нижней части основания жестко и соосно ему, прикреплен цилиндрический стакан с полостью и отверстием, через которое с зазором проходит стержень, стержень также подвижно входит внутрь втулки, установленной в футерованном грузовом затворе, и в полость цилиндрического стакана с отверстием, через которое с зазором проходит стержень, при этом полость цилиндрического стакана заполнена вибродемпфирующим материалом типа полиуретаном с жесткостью, меньшей, чем жесткость пакета тарельчатых упругих элементов, причем пакет тарельчатых упругих элементов расположен, с небольшим поджатием, между упорной пластиной и круглым основанием, а на внешней поверхности штыря, коаксиально и осесимметрично, установлена втулка из быстроразрушающегося материала в виде стекла типа «триплекс», которая выполняет дублирующую функцию «слабого звена» в системе безопасности и на которой также закреплен датчик в виде тензорезистора, входящий в систему оповещения начальной фазы чрезвычайной ситуации.
На фиг. 1 изображен общий вид взрывозащитного элемента с системой оповещения чрезвычайной ситуации с креплением футерованного грузового затвора к корпусу защищаемого объекта посредством направляющих стержней, на фиг. 2 - вариант выполнения взрывозащитного элемента взрывозащитного устройства, на фиг. 3 - схема мембранного узла с уплотнительной поверхностью типа «шип-паз», на фиг. 4 - вариант выполнения разрывной мембраны с радиальными рисками, на фиг. 5 - вариант выполнения разрывной мембраны с круговой риской, на фиг. 6 - вариант выполнения разрывной мембраны с прорезями, на фиг. 7 - вариант выполнения разрывной мембраны с отверстиями.
Взрывозащитный элемент с системой оповещения чрезвычайной ситуации (фиг. 1) выполнен с разрывной мембраной 7, которая устанавливается на корпусе 1 защищаемого объекта и содержит футерованный грузовой затвор 2, подвижно соединенный с корпусом 1 защищаемого объекта посредством, по крайней мере, трех направляющих стержней 10, средняя часть которых подвижно размещена во втулках 16, закрепленных в футерованном грузовом затворе 2, а нижний конец каждого из которых жестко соединен с корпусом 1 посредством фланца 11, при этом на другом конце стержней закреплены упорные пластины 12, на которых закреплены взрывозащитные элементы 13 взрывозащитного устройства, демпфирующие воздействие ударной взрывной волны, поступающей через отверстие 9 диаметром Dy в корпусе 1 защищаемого объекта, в случае возникновения ЧС.
Корпус взрывозащитного устройства выполнен в виде нижней цилиндрической части 3, средней конической части 4 и верхней цилиндрической части 5, причем в нижней цилиндрической части размещен футерованный грузовой затвор 2, перекрывающий отверстие 9 диаметром Dy в корпусе 1 защищаемого объекта. К верхней цилиндрической части 5 корпуса взрывозащитного устройства крепится узел разрывной мембраны 7 с герметизирующей прокладкой 6 посредством крепежных элементов 8. При этом футерованный грузовой затвор 2 защищает корпус взрывозащитного устройства от прогорания в случае высокой температуры в защищаемом объекте. Между взрывозащитными элементами 13 и футерованным грузовым затвором 2 установлены быстроразрушающиеся под воздействием первичного импульса взрывной волны элементы 14, выполненные в виде втулок, охватывающих направляющие стержни 10. В качестве материала втулок применяется фарфор, стекло типа «триплекс» и другие хрупкие материалы, прочность которых рассчитывается на первичный импульс взрывной волны. На быстроразрушающихся под воздействием первичного импульса взрывной волны элементах 14 закреплены датчики 15 системы оповещения начальной фазы ЧС, выполненные в виде тензорезисторов, сигналы с которых по линии связи 17 поступают на тензоусилитель 18, а с него по линии связи 19 на блок 20 системы оповещения начальной фазы ЧС.
Разрывные мембраны изготавливают обычно из тонколистового проката пластичных металлов, таких как алюминий, никель, нержавеющая сталь, латунь, медь, титан, монель, а также асбеста и др. Применение асбеста оправдывается высокой температурой внутри оборудования, т.е. в случае взрывозащиты топок, печей и других высокотемпературных реакторов.
Взрывозащитный элемент с системой оповещения чрезвычайной ситуации работает следующим образом.
Аварийное взрывное давление в защищаемом объекте воздействует на футерованный грузовой затвор 2 через отверстие 9 диаметром Dy в корпусе 1 защищаемого объекта. При этом футерованный грузовой затвор 2 приподнимается по направляющим стержням 10 и срабатывает система оповещения начальной фазы ЧС за счет быстроразрушающихся элементов 14. При взрывном давлении разрывная мембрана 7 также испытывает разрывные деформации и разрывается, тем самым обеспечивая полное раскрытие проходного сечения отверстия 9 диаметром Dy в корпусе 1 защищаемого объекта и выброс повышенного давления в атмосферу, что защищает объект от разрушения.
Для химической и других смежных отраслей промышленности, продукты которых и ценны, и исключительно вредны для окружающей среды, условие полной герметичности следует рассматривать как приоритетное, в значительной мере определяющее область возможного их применения.
На фиг. 2 представлен вариант выполнения взрывозащитного элемента 13 взрывозащитного устройства.
Взрывозащитный элемент 13 взрывозащитного устройства (фиг. 2) может быть выполнен в виде пакета тарельчатых упругих элементов 22, подвижно базирующихся на направляющих стержнях 10 и закрепленных на упорной пластине 12. Пакет тарельчатых упругих элементов содержит круглое основание 21, которое посредством, по крайней мере двух, штырей 23 подвижно расположено на стержне 10, при этом один конец штыря 23 жестко закреплен на упорной пластине 12, а другой - входит с зазором в отверстие 24, выполненное в основании 21, и фиксируется посредством гайки 25. К нижней части основания 21 жестко и соосно ему прикреплен цилиндрический стакан с полостью и отверстием, через которое с зазором проходит стержень 10. Стержень 10 подвижно входит внутрь втулки 16, установленной в футерованном грузовом затворе 2, и в полость цилиндрического стакана с отверстием, через которое с зазором проходит стержень 10. Полость цилиндрического стакана заполнена вибродемпфирующим материалом с жесткостью, меньшей, чем жесткость пакета тарельчатых упругих элементов 22, например полиуретаном.
Пакет тарельчатых упругих элементов 22 расположен, с небольшим поджатием, между упорной пластиной 12 и круглым основанием 21. На внешней поверхности штыря 23, коаксиально и осесимметрично, установлена втулка 26 (фиг. 2) из быстроразрушающегося материала, например стекла, типа «триплекс», которая выполняет дублирующую функцию «слабого звена» в системе безопасности и на которой также закреплен датчик в виде тензорезистора, входящий в систему оповещения начальной фазы ЧС (на чертеже не показано).
Возможен вариант (фиг. 3), когда узел разрывной мембраны 7, закрепленный к верхней цилиндрической части 5 корпуса взрывозащитного устройства выполнен в виде мембранного узла с уплотнительной поверхностью типа «шип-паз».
Узел разрывной мембраны 7 (фиг. 3) фланцевого типа содержит мембрану и пару зажимных колец 28 и 29. Мембрана между кольцами зажимается без применения каких-либо прокладок, что обусловливает весьма жесткие требования к качеству уплотнительных поверхностей колец, такие как правильность геометрической формы и высокая чистота обработки. Для удобства сборки мембранного узла во фланцевом соединении кольца скрепляют одно с другим двумя диаметрально расположенными планками 30 и винтами 31. Одно из отверстий под винты в планке имеет продолговатую форму для того, чтобы наличие планок не препятствовало равномерному и герметичному защемлению мембраны между зажимными кольцами при затяжке фланцевого соединения. При этом формы поверхностей колец, контактирующих с фланцами, должны полностью соответствовать форме уплотнительных поверхностей фланцев.
Возможен вариант конструкции разрывных мембран с радиальными (фиг. 4), круговыми (фиг. 5) рисками. Радиальные риски более просты в изготовлении, однако такая мембрана часто при срабатывании разрывается по одной-двум рискам и не обеспечивает полного раскрытия проходного сечения. Мембрана с окружной риской, как правило, раскрывается полностью. Для предотвращения отрыва риску наносят по незамкнутому круговому контуру, при этом со стороны, противоположной источнику давления, у концов риски устанавливают сегментный упор 32, хорда которого стягивает большую дугу окружности чем хорда, соединяющая концы риски, как показано на фиг. 5. Эффективны также мембраны с прорезями (фиг. 6) и отверстиями (фиг. 7). Мембраны всегда двухслойны, так как содержат дополнительно герметизирующую подложку из коррозионно-стойкого и малопрочного материала.
Разрывные мембраны изготавливают обычно из тонколистового проката пластичных металлов, таких как алюминий, никель, нержавеющая сталь, латунь, медь, титан, монель и др. Известны случаи применения неметаллических мембран из полиэтиленовой и фторопластовой пленок, из бумаги, картона, паронита, асбеста и даже из фанеры. Однако эти материалы характеризуются очень нестабильными механическими свойствами, мембраны из них имеют большой разброс давления срабатывания и для широкого использования не рекомендуются, хотя в некоторых случаях их применение является единственно возможным. Обычно это мембраны больших размеров (диаметром около метра и более), иногда квадратной или прямоугольной формы и с весьма низким давлением срабатывания, т.е. предназначенные для взрывозащиты малопрочного оборудования. Применение асбеста оправдывается высокой температурой внутри оборудования, т.е. в случае взрывозащиты топок, печей и других высокотемпературных реакторов.
1
2
2
1
Для получения наибольшей эффективности взрывозащиты производственного оборудования мембранный узел имеет параметры, которые находятся в следующих оптимальных интервалах величин: а=D/D=1,1÷2,0; b=D/D=1,11÷2,4; с=D/D=1,01÷1,3;
1
2
где D - диаметр проходного сечения мембранного узла, равный внутреннему диаметру колец, контактирующих соответственно с фланцами и мембраной, D - наружный диаметр разрывной мембраны, D - внешний диаметр колец, контактирующих с фланцами.
вск
доп
вск
доп
При нагружении рабочим давлением мембрана испытывает большие пластические деформации и приобретает ярко выраженный купол, по форме очень близкий к сферическому сегменту. Чаще всего куполообразную форму мембране придают заранее при изготовлении, подвергая ее нагружению давлением, составляющим около 90% от разрывного. При этом фактически исчерпывается почти весь запас пластических деформаций материала, поэтому еще больше увеличивается быстродействие мембраны. При взрывном давлении мембрана испытывает разрывные деформации и разрывается, т.е. мембраны должны начать вскрываться при давлении Δр<Δр. Обычно Δр=1,5÷2,5 кПа, Δр=3÷5 кПа.
Возможен вариант, когда блок 20 системы оповещения начальной фазы ЧС, контролирующей аварийный режим работы защищаемого объекта, соединен с системой оповещения возникновения чрезвычайной ситуации (на чертеже не показано) через космическую связь, например «ГЛАНАСС», с государственным органом, контролирующим развитие и предотвращение чрезвычайной ситуации на защищаемом объекте.