ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ МЕМБРАННОЕ УСТРОЙСТВО
SAFETY MEMBRANE DEVICE

Область техники
Изобретение относится к предохранительной трубопроводной арматуре, обеспечивающей необходимый сброс массы парогазовой смеси при определенном давлении срабатывания, и предназначено для защиты объектов технологического оборудования, сосудов и трубопроводов от опасных перегрузок избыточным и (или) вакуумметрическим давлением, создаваемым рабочими средами, и устанавливается, в частности, в системах защиты парогенераторов атомных электростанций.
Уровень техники
Мембранное предохранительное устройство (МПУ) состоит из разрывной или хлопающей предохранительной мембраны и узла ее крепления по краевому кольцевому участку в сборе с другими элементами. Предохранительная мембрана разрушается при заданном давлении и при этом освобождается необходимое проходное сечение для сообщения защищаемого сосуда (трубопровода) со сбросной системой. МПУ с разрывной мембраной, плоской или куполообразной применяются на жидких и газообразных средах и работают на разрыв под давлением, действующим на ее поверхность. МПУ с хлопающей куполообразной мембраной работают на потерю устойчивости (хлопок) под давлением, действующим на выпуклую поверхность. Теряя устойчивость, мембрана разрезается на ножевых лезвиях либо разрывается по предварительно ослабленному сечению. Для защиты сосудов, работающих под давлением, широкое распространение получили МПУ, принцип действия которых основан на прорезании неподвижно закрепленным ножом мембраны в момент ее предельно допускаемого прогиба.
Известно выполнение выгнутых предохранительных разрывных дисков обратного действия, имеющих углубление, представляющее собой линию ослабления, или линию разрыва на одной наружной поверхности выгнутого диска. Линии ослабления или линии разрыва, как правило, представляют собой перекрещивающиеся надрезы или окружное углубление, представляющее собой линию ослабления на вогнутой поверхности диска, определяют границы зоны диска, которая разрывается при реверсе. Предохранительный разрывной диск с полученной механической обработкой линией разрыва содержит выгнутую часть и ограничивающую фланцевую зону, окружающую выгнутую часть (RU 2507428 C2, 6 МПК F16K 17/16, опубл. 20.12.2014, Файк Корпорэйшн, (US) [1]. Диск с перекрещивающимися надрезами образует четыре лепестка, которые выгибаются наружу при реверсе диска, в результате чего также предотвращается разделение лепестков на части. Окружные линии надреза или линии ослабления предпочтительны в случаях применения при низком давлении вследствие большего отверстия, образующегося при разрыве диска вдоль дугообразной линии надреза, по сравнению с диском с перекрещивающимися надрезами.
Известная разрушаемая мембрана (RU 2317462 C1, 6 МПК F16K 17/16, опубл. 20.02.2008) [2] выполнена с утолщением в центральной части. По периметру утолщения выполнена канавка в виде неполного кольца с прямолинейными концевыми участками, образующими гибкую радиальную перемычку в периферийной части диска. На радиусе прохождения кольцевой канавки дополнительно выполнено не менее одной гибкой радиальной перемычки, образованной прямолинейными концевыми участками. Перемычки распределены равномерно. Дополнительные прямолинейные канавки соединяют кольцевые канавки друг с другом через центр диска. Диаметр и толщина диска в его центральной части и в местах утонения по донышкам кольцевых и дополнительных канавок выбраны из условия обеспечения заданного давления разрушения мембраны и пропускной способности образуемого отверстия. При этом обеспечивается при разрушении мембраны образование нескольких одинаковых частей, каждая из которых прогибается по своей радиальной перемычке и зависает на ней, не образуя осколков.
Наличие кольцевых и дополнительных прямолинейных канавок для упорядочения процесса разрушения мембраны не обеспечивает надежность безосколочного раскрытия мембраны из-за неоднородности микроструктуры металла, влияющей на концентрацию напряжений в канавках.
Для защиты сосудов, работающих под давлением, широкое распространение получили мембранные предохранительные устройства, принцип действия которых основан на прорезании неподвижно закрепленным ножом мембраны в момент ее предельно допускаемого прогиба (US 4394926, 3 МПК F16K 17/40, опубл. 26.07.1983, BS&BSafety Systems, Inc, US) [3]. Устройство содержит четыре треугольных ножевых сегмента, расположенных под прямым углом друг к другу, имеющих заостренные кромки. После срабатывания устройства отделившаяся часть мембраны под действием инерционных сил уносится потоком рабочей среды в систему, что в ряде случаев может привести к выходу из строя защищаемого оборудования.
Известно мембранное предохранительное устройство (RU 1601447 A1, 5 МПК F16K 17/16, опубл. 23.10. 1990) [4], в котором повышена надежность срабатывания за счет полного открытия мембраны. Куполообразная мембрана зажата между фланцами. К фланцу с вогнутой стороны мембраны закреплен разрушающий элемент, выполненный в виде пересекающихся вдоль продольной оси четырех плоских ножей. Периферийные точки ножей расположены в плоскости разъема на окружности расточки фланцев. Режущие кромки ножей выполнены в виде боковых сторон и меньшего основания трапеции. Точка пересечения периферийной стороны трапеции с меньшим основанием расположена между плоскостью разъема и поверхностью обратного прогиба мембраны. Точка пересечения другой стороны трапеции с ее меньшим основанием расположена в плоскости разъема. Периферийные боковые стороны трапеции обеспечивают разрезание периферийной части, однако с образованием осколков, что недопустимо в аппаратах с высокой степенью защиты.
Проблема исключения образования осколков при разрушении мембраны решалась в продукции компании BS&B Safety Systems, Inc. US путем разрыва мембраны по предварительно ослабленному сечению с использованием удерживающего шарнира, расположенного вне зоны ослабленного сечения (US 5167337, 6 МПК F16K 17/16, 01.12.1992) BS&BSafety Systems, Inc, US) [5], что также не позволяет обеспечить надежность безосколочного раскрытия мембраны из-за неоднородностей микроструктуры металла, имеющей место даже при лазерной и электрохимической обработке линий ослабления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является предохранительное мембранное устройство компании REMBE GmbH SAFETY + CONTROL: (Предохранительные мембраны в сравнении. Конструкция с ножом. Типы Rembe - BT-UKB, IG-UKB-LS, Таблица 1 (The Chemical Journal, июнь-июль 2011)) [6], принимаемое за прототип настоящего изобретения, которое содержит хлопающую мембрану, кольцевой частью зажатую между двумя, верхним и нижним, зажимными фланцами, режущее средство крестообразной формы с четырьмя плоскими ножами с режущими кромками, имеющими наклон от центральной оси, расположенное напротив вершины хлопающей мембраны на расстоянии, обеспечивающем касание мембраны при ее прогибе под воздействием расчетного давления на выпуклую поверхность мембраны, лопасти ножей жестко закреплены сварным соединением на внутренней стенке верхнего зажимного фланца. При повышении допустимого для данной хлопающей мембраны давления мембрана, теряя устойчивость, схлопывается и разрезается ножами на четыре лепестка, которые под воздействием газодинамической струи из-за высокой турбулентности газового потока отрываются по кромке зажима, и осколки могут повредить, засорить трубопровод и даже воспламенить среду, особенно в местах изгиба трубопровода.
Устройство-прототип обеспечивает полное вскрытие мембраны, но с образованием осколков.
Аналогичная описанной выше конструкция МПУ (ООО «Лаборатория мембранных предохранительных устройств», Москва. Мембраны хлопающие (MX). Каталог. Основные характеристики) [7] имеет точность срабатывания ±5-10% в рабочей газовой среде.
Испытания такой конструкции, проведенные авторами настоящего изобретения, показали образование осколков при разрезании четырьмя ножами мембраны при ее срабатывании, что недопустимо в аппаратах и трубопроводах с высокой степенью безопасности. Кроме того, известные ПМУ с ножами являются одноразовыми и после срабатывания хлопающей мембраны утилизируется, что обусловлено наличием сварного соединения нерабочих сторон ножей с внутренней стенкой зажимного фланца.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение безосколочного срабатывания ПМУ за счет повышения прочности сцепления разрезанных лепестков хлопающей мембраны по линии зажима кольцевой части. Разрезание хлопающей мембраны при ее прогибе, по крайней мере, на шесть лепестков приводит к уменьшению кривизны участков сцепления лепестков по линии зажима кольцевой части мембраны и, как следствие, к уменьшению напряжения и повышению прочности сцепления. Выполнение режущей кромки ножей пилообразной формы увеличивает давление разрезания хлопающей мембраны на лепестки при ее срабатывании.
Дополнительным техническим результатом является возможность многоразового использования зажимных фланцев при замене ножей за счет замены сварного соединения ножей на разборное крепление, что обеспечивает сохранность для дальнейшего использования части мембранного узла после срабатывания мембраны.
Указанный технический результат достигается тем, что предохранительное мембранное устройство содержит хлопающую мембрану, закрепленную кольцевой частью крепежными элементами между двумя зажимными фланцами, со стороны вогнутой части хлопающей мембраны напротив ее вершины на расстоянии прогиба при ее срабатывании под воздействием расчетного давления к зажимному фланцу закреплено нерабочими сторонами режущее средство, содержащее четыре плоских ножа, равномерно расположенных по окружности вокруг центральной оси хлопающей мембраны.
Согласно изобретению режущее средство содержит дополнительно, по крайней мере, два ножа, каждый нож выполнен в форме прямоугольного треугольника, больший катет которого имеет режущую кромку пилообразной формы, а другой катет снабжен двумя прямоугольными выступами для крепления в кольцевой проточке нижнего зажимного фланца и в соответствующем пазу стопорного прижимного кольца, в котором для этого выполнены пазы по числу ножей и крепежные отверстия на одной оси с крепежными отверстиями верхнего и нижнего зажимных фланцев.
Как показали эксперименты, проведенные авторами настоящего изобретения, выполнение режущего средства с шестью ножами с режущей кромкой пилообразной формы обеспечивает при давлении срабатывания хлопающей мембраны эффективное разрезание ее на шесть лепестков с отклонением от центральной оси и удержанием их по линии зажима кольцевой части мембраны без образования осколков. Увеличение количества ножей повысит надежность безосколочного срабатывания мембраны.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется фигурами чертежей и таблицей.
Фиг. 1 - чертеж заявляемого предохранительного мембранного устройства, продольный разрез.
Фиг. 2 - нож, вид спереди.
Фиг. 3 - схема расположения ножей в предохранительном мембранном устройстве, вид сверху.
Фиг. 4 - стопорное кольцо для крепления ножей, вид сверху.
Фиг. 5 - стопорное кольцо для крепления ножей, вид сбоку.
Фиг. 6 - фотография безосколочной хлопающей мембраны после срабатывания по заявляемому изобретению с шестью ножами с пилообразной режущей кромкой, испытанной на стенде «Автоматическая система диагностики мембран» в диапазоне давлений 0,2-5 МПа.
Фиг. 7 - фотография осколочной хлопающей мембраны по прототипу с четырьмя ножами, испытанной на стенде «Автоматическая система диагностики мембран» в диапазоне давлений 0,2-5 МПа.
Осуществление изобретения
Предохранительное мембранное устройство (ПМУ) фиг. 1 содержит хлопающую мембрану 1, выполненную из листового проката. Кольцевая часть 2 хлопающей мембраны 1 по окружности зажата крепежными элементами (на чертеже не показаны) между верхним зажимным фланцем 3 и нижним зажимным фланцем 4, в которых выполнены крепежные отверстия 5 и 6.
В нижнем зажимном фланце 4 выполнена кольцевая проточка 7. Напротив вогнутой части хлопающей мембраны 1 на расстоянии прогиба мембраны при ее срабатывании под воздействием расчетного критического давления расположено режущее средство, содержащее, по крайней мере, шесть ножей 8, 9, 10, 11, 12, 13, расположенных радиально вокруг центральной оси (фиг. 3). Каждый нож (фиг. 2) выполнен в форме прямоугольного треугольника, больший катет которого имеет режущую кромку пилообразной формы, а другой катет снабжен двумя прямоугольными выступами (14, 15) для крепления в кольцевой проточке 7 нижнего зажимного фланца 4 и в соответствующем пазу стопорного прижимного кольца 16 (фиг. 1, 4), в котором выполнены пазы 17 по числу ножей и крепежные отверстия 18 на одной оси с крепежными отверстиями 5, 6 в верхнем и нижнем зажимных фланцах 3, 4 (фиг. 1). При сборке ПМУ нож выступом 14 вставляют в проточку 7, а выступом 15 в паз 17 стопорного прижимного кольца 17 и так далее для каждого ножа. При повышении допустимого для данной хлопающей мембраны давления мембрана, теряя устойчивость под воздействием газодинамической струи, схлопывается и эффективно разрезается ножами 8, 9, 10, 11, 12, 13 на шесть лепестков (фиг. 6), которые отклоняются от центральной оси ПМУ и удерживаются по кромке зажима кольцевой части 2 хлопающей мембраны 1 за счет уменьшения кривизны участков сцепления основания сегмента каждого лепестка, что приводит к уменьшению концентрации отрывного напряжения на основании лепестка и повышению прочности его сцепления по линии зажима.
Хлопающая мембрана 1 изготовлена на установке, разработанной авторами (RU 2353456, 6 МПК B21D 22/10. опубликовано 27.04.2009) [8]. Шток с грузом поднимают струбциной относительно плоскости ленточной заготовки на высоту, меньшую заданной высоты купола мембраны. Под воздействием сжатого воздуха купол мембраны соприкасается с контактным диском и поднимает груз на заданную высоту, определяемую оптоэлектронным датчиком положения, который управляет пороговым элементом. Изменением величины груза и высоты подъема купола мембран под воздействием груза формируют мембрану с требуемым значением критического давления.
Используемая хлопающая мембрана имеет следующие основные характеристики:
точность срабатывания
2-4%
диапазон срабатывания
1-50 кГ/см
диапазон размеров
25-350 мм
В результате лабораторных испытаний заявляемого ПМУ режущие кромки ножей выдерживают 2-3 срабатывания, и их замена возможна благодаря разборной конструкции мембранного узла, что обеспечивает многоразовое использование зажимных дисков и приводит к экономии расходов на эксплуатацию ПМУ. Изготовлена техническая документация, изобретение готово к использованию.
Источники информации
1. RU 2507428 C2, 6 МПК F16K 17/16, опубл. 20.12.2014, Файк Корпорэйшн, (US).
2. RU 2317462 C1, 6 МПК F16K 17/16, опубл. 20.02.2008.
3. US 4394926, 3 МПК F16K 17/40, опубл. 26.07.1983, BS&BSafety Systems, Inc, US.
4. RU 1601447 A1, 5 МПК F16K 17/16, опубл. 23.10.1990.
5. US 5167337, 6 МПК F16K 17/16, 01.12.1992, BS&BSafety Systems, Inc, US.
6. Предохранительные мембраны в сравнении. Хлопающие и универсальные мембраны. Конструкция с ножом, тип BT-UKB, IG-UKB-LS, Табл. 1. Rembe GmbH SAFETY + CONTROL. The Chemical Journal, июнь-июль 2011 - прототип.
7. Мембраны хлопающие (MX). Каталог. Основные характеристики. ООО «Лаборатория мембранных предохранительных устройств», Москва.
8. RU 2353456, 6 МПК B21D 22/10, опубл. 27.04.2009.