УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН НЕПРИМЕРЗАЮЩИЙ
UNIVERSAL ANTIFREEZING BREATHER

Универсальный дыхательный клапан непримерзающий (далее клапан) относится к области механики в нефтехимической промышленности и предназначен для поддержания давления или вакуума в газовом пространстве резервуара в допустимых пределах ("большое дыхание") при приемораздаточных операциях и температурных изменениях объема газа внутри резервуара, а также для регулирования давления газа в газовом пространстве трубы клапана ("малые дыхания") при длительном хранении нефти и нефтепродуктов, сжиженных газов при неподвижном уровне в полностью заполненном резервуаре, емкости, баках с топливом (керосин, жидкий кислород и др.) в жидкостных ракетных двигателях для предотвращения разрушения резервуара, емкости, баков с топливом при скапливании в трубе газов, выделяемых хранимой жидкостью, и вытекания топлива из баков при их опрокидывании и выходе излишек газа в условиях космоса.
Известна "Емкость для хранения горючей жидкости в лабораторных условиях" (RU, патент №2218990, Суслова П.А., 20.12.2003 г.), (далее "Емкость…"), имеющая устройство для предохранения емкости от разрушения при скапливании в ней газов, выделяемых горючей жидкостью (бензин, керосин, жидкое химическое топливо и т.п.), представляющее собой (Фиг.1) металлическую трубку 4 с отверстием 8 в стенке в верхней части, приваренную к крышке 2 емкости 1, при этом нижнее отверстие 5 трубки 4 совмещено с отверстием 3 в крышке 2 емкости, а верхнее отверстие 6 трубки 4 закрыто диском 7, приваренным к ней, на трубку 4 натянута резиновая трубка 9. Газы, выделяемые хранимой жидкостью, не скапливаются в емкости, выходя через отверстие 3 и далее через отверстие 8, оттягивая резиновую трубку 9. В то же время резиновая трубка 9 служит уплотнением отверстия 8 в стенке металлической трубки, предотвращая вытекание горючей жидкости из емкости при ее опрокидывании.
Известен клапан типа НДКМ - непримерзающий дыхательный клапан мембранный (Бережковский М.И. Хранение и транспортирование химических продуктов. Л., 1972 г., стр.142) для резервуаров с нефтью и нефтепродуктами, состоящий из патрубка для присоединения клапана к патрубку резервуара, нижнего и верхнего корпусов, огнепреградительной кассеты, встроенной в нижний корпус, седла и тарельчатого затвора, нижней и верхней мембран и т.д. Выброс из клапана в атмосферу направлен вниз, причем на выходе из клапана газовая смесь проходит через кассеты огнепреградителя, разбиваясь в гасящих каналах на отдельные струйки, и как поток жидкости выливается на крышу резервуара, обволакивает его, стекает вниз и скапливается в окрестности резервуара, создавая пожаро- и взрывоопасную зону для возникновения пожара от прямого удара молнии снаружи и внутри резервуара и взрыва. Затвор тарельчатый и седло покрыты пленкой из фторопласта-4.
Известен "Дыхательный клапан" (SU авт.свидетельство №707855, Колпаков Л.Г. и др., 15.04.1983 г.), предназначенный для резервуаров с легкоиспаряющимися жидкостями с повышенной надежностью при эксплуатации их при отрицательных температурах наружного воздуха, содержащий корпус с тарельчатым затвором в верхней части для прохода и выхода из резервуара газовоздушной смеси в атмосферу в направлении вниз из под крышки 7 при возникновении в резервуаре избыточного давления. Нижняя часть корпуса клапана выполнена в виде усеченной пирамиды, обращенной вниз меньшим основанием, с дополнительными затворами (4 шт.) для прохода воздуха внутрь резервуара во время откачки нефти или нефтепродукта из резервуара, в нем образуется вакуум. Тарелки затворов и седла покрыты пленкой из фторопласта.
Газ тяжелее воздуха, поэтому при выходе газововоздушной смеси из клапана в атмосферу в направлении вниз газ будет скапливаться в окрестности резервуара, создавая пожаро- и взрывоопасную зону вокруг резервуара для возникновения пожара от прямого удара молнии снаружи и внутри резервуара и взрыва.
Известно длительное хранение жидких криогенных компонентов топлива в условиях космоса (статья Е.Н.Туманин, к.т.н., "Химическое и нефтегазовое машиностроение", №7, 2000 г., стр.24-26). Если гарантированно сбрасывать из криогенного бака газ через предохранительный клапан (3 ряд, стр.24), система получается простой. Однако в космическом полете при низком знакопеременном уровне перегрузок жидкость из-за смачивания стенок покрывает всю поверхность бака, поэтому при дренаже жидкость будет выходить из бака.
Известны предохранительная мембрана и предохранительный пружинный клапан (Водяник В.М. "Предохранительные устройства для защиты химического оборудования", Москва, 1975 г., стр.134 и "Взрывозащита технологического оборудования", Москва, 1991 г. стр.10, 11). Взрыв внутри оборудования и производственных помещений - одна из наиболее опасных аварийных ситуаций на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Общим признаком взрывов парогазовых горючих смесей является быстрое повышение давления в замкнутом объеме, поэтому меры взрывозащиты технологического оборудования направлены на предотвращение его разрушения под действием давления. Для защиты технологического оборудования от разрушения при взрывах применяются предохранительные пружинные клапаны и мембраны. Из-за большой инерционности предохранительного пружинного клапана по сравнению с мембраной, их применяют совместно при хранении сжиженного газа. Устанавливается мембрана и параллельно с ней предохранительный пружинный клапан. При аварийном повышении давления, предотвращая разрушение емкости с сжиженным газом, разрывается мембрана, с выбросом газа и остановкой технологического процесса, для его восстановления требуется заменить мембрану.
Задачей заявленного изобретения является: уменьшение площади испарения хранимой жидкости и объема газового пространства в резервуарах с нефтью и нефтепродуктами, в емкостях с сжиженным газом, в танках (емкостях) на танкерах, перевозящих огромное количество нефти и нефтепродуктов, и в баках с топливом в жидкостных ракетных двигателях путем заполнения резервуара на 100%, в результате сократятся до минимума потери от испарения хранимой жидкости, что сохранит ее качество; обеспечить "большое дыхание" резервуара с нефтью и нефтепродуктами при приемораздаточных операциях путем увеличения пропускной способности и регулирование давления газа "малые дыхания" в газовом пространстве клапана при длительном хранении нефти и нефтепродуктов при неподвижном уровне в полностью заполненном резервуаре, емкости, танке, в баках с топливом в условиях космоса; обеспечить выход газов вертикально вверх из клапана в атмосферу или горизонтально для безопасного хранения нефти и нефтепродуктов, сжиженных газов; предотвратить утечку топлива из баков при их опрокидывании и выходе излишек газа в условиях космоса и аварийную ситуацию в химической промышленности при хранении сжиженных газов.
Сущность изобретения. Предложен универсальный дыхательный клапан непримерзающий (далее клапан) с выходом газа вертикально вверх или горизонтально для безопасного хранения нефти и нефтепродуктов, содержащий металлическую трубу (далее труба) с фланцем толщиной, равной толщине стенки трубы, приваренного к верхнему краю трубы, с открытым верхним отверстием, разделенным на два отверстия стальной полосой толщиной, равной толщине фланца, уложенной на фланец по оси и приваренной к нему, заподлицо с которой на фланец приклеены два уплотнительные полуфланца из мягкой листовой резины, с уплотняющим устройством для уплотнения двух разделенных отверстий, предназначенных для выхода газовоздушной смеси из резервуара при его заполнении (большое дыхание) хранимой жидкостью и для регулирования давления (малые дыхания) газа в газовом пространстве трубы клапана, представляющее собой резиновый диск с наружным диаметром, равным наружному диаметру фланца, изготовленный из мягкой листовой резины с высокими эластичными свойствами по отскоку, полученной на основе НК (натуральный каучук) или СКИ (синтетический изопреновый каучук), закрепленный к стальной полосе с помощью прижимающей диск сверху стальной полосы и болтового соединения, при этом концы диска свободны. Толщина резинового диска зависит от избыточного давления газа, под действием которого концы диска отгибаются вверх, пропуская газы. Внутрь металлической трубы вставлена резиновая труба с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру металлической трубы, и длиной, равной длине металлической трубы, при этом верхняя и нижняя части резиновой трубы по диаметру приклеены к трубе. Условный диаметр клапана равен внутреннему диаметру резиновой трубы.
Внутренний диаметр фланца, приваренного к верхнему краю трубы, равен внутреннему диаметру резиновой трубы. Резиновая труба выполнена из мягкой листовой резины с высокими эластичными свойствами по отскоку путем склеивания встык концов, скошенных под углом. В стенке металлической трубы выполнены по диаметру пазы по высоте вдоль трубы или круглые отверстия в зависимости от условного диаметра приемораздаточного патрубка для впуска воздуха при откачке из резервуара нефти и нефтепродуктов (в резервуаре образуется вакуум). Сумма эквивалентных диаметров пазов или сумма диаметров отверстий, а также условный диаметр клапана должны быть равны условному диаметру патрубка приемораздаточного. В резиновой трубе выполнены по диаметру пазы или круглые отверстия по размерам больше, чем в трубе, совмещенных с ними, со створками полученных при вырезе пазов с 3-х сторон (длина и две ширины) или при вырезе неполных диаметров отверстий, т.е. с хордой для получения створок. Резина по контуру пазов или круглых отверстий приклеена к трубе. Створки отгибаются внутрь под действием атмосферного давления. К нижнему краю металлической трубы приварен фланец для присоединения клапана к патрубку резервуара, заполненного на 100% хранимой жидкостью, при этом уменьшилась площадь испарения, которая равна площади, ограниченной внутренним диаметром резиновой трубы клапана, и уменьшился объем газового пространства, т.е. газ из резервуара переместился внутрь трубы клапана и равен внутреннему объему резиновой трубы, что сократило потери от испарения до минимума и сохранило качество хранимой жидкости. Клапан снабжен круглым кожухом или прямоугольным для предохранения клапана от атмосферных осадков, выполненного из стального листа сварной конструкции: с фланцем круглым для присоединения кожуха с помощью болтового соединения к фланцу, приваренного к трубе выше нижнего фланца, с двумя газоотводами (2 шт.), установленными на крыше кожуха вертикально вверх над выходом газа из клапана для предотвращения сопротивления проходу газа и приваренными к ней.
Для длительного хранения топлива в баках в жидкостных ракетных двигателях в условиях космоса клапан выполнен с одним отверстием в стенке металлической трубы для регулирования давления газа, выделяемого топливом с площади, уменьшенной при заполнении бака топливом на 100% до площади, ограниченной внутренним диаметром трубы, и скапливаемого во внутреннем объеме трубы клапана, в результате потери топлива от испарения сокращены до минимума, что сохранило качество топлива. По отношению к бакам труба клапана расположена горизонтально путем изгиба ее на 90°, с круглым отверстием снизу для хранения керосина; с пазом по длине вдоль трубы снизу или круглым отверстием снизу для хранения жидкого кислорода в зависимости от давления в баке, с натянутой на нее резиновой трубы, один конец которой со стороны изгиба зажат хомутом из круглого проката со сплющенными концами для болтового соединения для предотвращения сползания резиновой трубы при многократном растяжении. Вертикальный участок трубы присоединен к бакам с помощью сварного шва. Отверстие трубы в горизонтальном участке трубы закрыто диском толщиной, равной толщине стенки трубы, диаметром чуть больше внутреннего диаметра трубы и приваренного к ней. Резиновая труба, уплотняющая отверстие в стенке трубы, выполнена из листовой резины с высокими амортизационными свойствами для надежного уплотнения отверстия и для предотвращения утечки топлива при опрокидывании баков и выходе излишек газа в условиях космоса, при этом отверстие будет находиться в верхнем положении со склеенными встык концами, наложенным на стык накладным резиновым листом, приклеенным к резиновой трубе для упрочнения стыкового клеевого шва. Клапан работает в любом положении.
При установке клапана на горловине (расширителе) грузового танка (емкости) на танкерах, перевозящих нефть и нефтепродукты водным путем, при заполнении танков хранимой жидкостью на 100% газовое пространство из-под палубы переместится внутрь трубы клапана, в результате площадь испарения хранимой жидкости будет равна площади, ограниченной внутренним диаметром трубы клапана, при этом потери от испарения хранимой жидкости сократятся до минимума, что сохранит качество хранимой жидкости. Для регулирования давления газа в газовом пространстве трубы клапан выполнен с круглым отверстием в стенке трубы, с натянутой на нее резиновой трубой, уплотняющей отверстие, нижний конец которой зажат хомутом из круглого проката со сплющенными концами для болтового соединения, чтобы газы не выходили вниз и не скапливались на палубе и для предотвращения сползания резиновой трубы при многократном растяжении. Резиновая труба выполнена (описание стр.5, 2-й абзац, 6 строка снизу). Верхнее отверстие трубы закрыто диском толщиной равной толщине стенки трубы и приваренного к трубе. К нижнему краю трубы приварен фланец для присоединения клапана к патрубку расширителя танка, выше этого фланца приварен фланец для присоединения кожуха для защиты клапана от атмосферных осадков. При установке клапана на танках необходимо закрывать задвижкой отверстие в существующем дыхательном клапане, установленном в газоотводной системе, после заполнения танков хранимой жидкостью.
Для емкости, заполненной на 100% сжиженным газом, клапан установлен на емкости или на трубопроводе, один конец которого присоединен к стенке горизонтальной или к крыше вертикальной емкостей с отверстиями в них для прохода газа, выделяемого сжиженным газом, при этом площадь испарения уменьшена до площади, ограниченной внутренним диаметром трубопровода, через который выделяемый газ поступает в трубу клапана. Клапан присоединен с помощью фланца, приваренного к нижнему краю трубы, и с помощью тройника к среднему его патрубку с фланцем, при этом один конец тройника с фланцем присоединен к трубопроводу, соединенному с емкостью, а другим концом - с фланцем, тройник присоединен болтовым соединением к последующему трубопроводу.
Для регулирования давления скапливаемого газа в трубе клапана, выделяемого сжиженным газом, клапан выполнен с пазом в стенке трубы или круглым отверстием при хранении сжиженного газа в зависимости от давления в емкости, с натянутой на трубу резиновой трубой, нижний конец которой зажат хомутом из круглого проката со сплющенными концами для болтового соединения для предотвращения выхода газа вниз и сползания резиновой трубы. Верхнее отверстие трубы закрыто диском толщиной, равной толщине стенки трубы, приваренным к ней. Клапан снабжен кожухом, присоединенным к фланцу трубы. Если установить, например, три клапана параллельно, при хранении сжиженного газа можно предотвратить аварийную ситуацию разрушения емкости, выброс вредных газов в атмосферу, например, при интенсивном газообразовании, вызванном внешним источником тепла, при потере вакуума в теплоизоляционной полости, без остановки технологического процесса.
Все детали клапанов (Фиг.2, 7, 8, 9) - металлическая и резиновая трубы, диск, фланец со стальной полосой и полуфланцами из резины, все детали уплотняющего устройства покрыты пленкой из фторопласта-4 для предотвращения примерзания деталей, для стойкости резины к нефти и нефтепродуктам; к хрупкости при работе клапана в зимнее время и при контакте резины с сжиженными газами, например с жидким кислородом с отрицательной температурой (-185°С).
Сущность изобретения поясняется чертежами: Фиг.1 - эскиз известного изобретения "Емкость для хранения горючей жидкости в лабораторных условиях"; Фиг.2 - главный вид клапана, продольный разрез, показаны: кожух с двумя газоотводами, фланцы, пазы в стенке трубы для впуска воздуха, резиновая труба с пазами и створками, уплотняющее устройство и патрубок резервуара; Фиг.3 - вид А, показан круглый кожух с двумя газоотводами; Фиг.4 - сечение Б-Б, показано уплотняющее устройство, расположение болтовых соединений и их позиции; Фиг.5 - сечение В-В, показаны фланец 15 трубы, болтовое соединение кожуха к фланцу и их позиции, пазы в трубе, пазы и створки в резиновой трубе; Фиг.6 - сечение Г-Г, показано болтовое соединение клапана к патрубку резервуара и их позиции; Фиг.7 - показан клапан и его присоединение к баку с жидким кислородом; Фиг.8 - показан клапан и его присоединение к баку с керосином; Фиг.9 - главный вид клапана, продольный разрез, показаны кожух с газоотводом, труба с круглым отверстием в стенке, резиновая труба с оттягиванием и присоединение клапана к патрубку резервуара; Фиг.10 - место I, показан паз в стенке трубы клапана.
Универсальный дыхательный клапан непримерзающий конструктивно состоит из трубы 4 с фланцем 13 (Фиг.2, 9), приваренным к нижнему краю трубы 4, и с фланцем 14, приваренным к трубе 4, присоединенным к нему кожухом 16 (Фиг.2, 3, 5) с двумя газоотводами 20, болтовым соединением 28, 29, 30 и с одним газоотводом 17 (Фиг.9) и болтовым соединением 28, 29, 30. К верхнему краю трубы 4 приварен фланец 7 (Фиг.2), а в стенке трубы 4 выполнены пазы 8 (Фиг.2, 7, 10) и круглое отверстие (Фиг.8, 9). В верхней части трубы (Фиг.9, сеч.Е-Е) боковые стенки выполнены плоскими с помощью стальных полос 34 и 35. Внутрь трубы 4 (Фиг.2) вставлена резиновая труба 9 с пазами 15 и со створками 19. На трубу 4 (Фиг.7, 8, 9) натянута резиновая труба 9, нижний конец которой зажат хомутом 15 (Фиг.9) болтовым соединением 22, 23, 24 и хомутом 11 (Фиг.7, 8) болтовым соединением 12, 13, 14. К фланцу 7 (Фиг.2) приварена стальная полоса 17 с отверстиями под болты и приклеены резиновые полуфланцы 21. На полосе закреплен резиновый диск 22 с помощью стальной полосы 18 (Фиг.4) с отверстиями под болты и болтового соединения 25, 26, 27 (2 гайки). Верхнее отверстие трубы 4 (Фиг.9) закрыто диском 7, приваренным к ней. К фланцу 11 патрубка 10 резервуара 1 (Фиг.2, 6, 9) присоединен клапан с помощью фланца 13, прокладки 12 и болтового соединения 31, 32, 33.
Второй вариант конструкции трубы клапана. Для гарантии быстрого раскрытия стыка трубы клапана и резиновой трубы, например при аварийной ситуации, труба выполнена с вырезами боковых стенок в виде трапеции, примерно на 1/3 длины трубы, большим основанием в верхней части трубы, вставленными в эти вырезы плоских боковых стенок 34 (Фиг.9, сеч.Е-Е и И-И) из стального листа в виде трапеции, расположенных под небольшим углом к оси клапана, приваренных к трубе с трех сторон, с наложением платиков 35 из стального листа на сварной шов для его упрочнения, при этом паз или отверстие находятся в полукруглой стенке трубы. Диск 7 выполнен с лысками с двух параллельных сторон.
Универсальный дыхательный клапан непримерзающий работает постоянно следующим образом.
При заполнении резервуара 1 (Фиг.2) хранимой жидкостью находящаяся в резервуаре 1 газовоздушная смесь проходит через отверстие 3 внутрь патрубка 10, затем через отверстие 5 патрубка 10 и отверстие 6 трубы 4 проходит внутрь трубы 4 и через верхние отверстия 23 и 24 трубы 4, отгибая концы резинового диска 22, выходит из клапана и через газоотводы 20 кожуха 16 выходит в атмосферу ("большое дыхание" резервуара) вертикально вверх или горизонтально, как показано на Фиг.7, что исключает скопление газа, а значит и загазованность в окрестности резервуара, обеспечивая безопасное хранение хранимой жидкости.
При откачке хранимой жидкости из резервуара 1 в нем образуется вакуум и под действием атмосферного давления в резервуар 1 поступает воздух через пазы 8 в стенке трубы 4 и через пазы 15 в стенке резиновой трубы 9, отгибая створки 19. При длительном хранении нефти и нефтепродуктов клапан (Фиг.2) применяется для регулирования давления газа ("малые дыхания") в газовом пространстве трубы клапана. При повышении давления газа выше допустимого излишки газа выходят через верхние отверстия 23 и 24 трубы 4, отгибая концы резинового диска 22, и через газоотводы 20 кожуха 16 выходят в атмосферу вертикально вверх.
Для регулирования давления газа ("малые дыхания") в газовом пространстве трубы клапанов (Фиг.9, 10), установленных на танках (емкостях) танкера и на трубопроводе к емкости с сжиженным газом, а также в газовом пространстве трубы клапанов (Фиг.7, 8), установленных на баках с топливом для работы в условиях космоса, газ при повышении давления давит через отверстие 8 в стенке трубы 4 на резиновую трубу 9, оттягивает ее, выходит из клапанов и через газоотвод 20 кожуха 16 (Фиг.9, 10) выходит в атмосферу вертикально вверх, а в условиях космоса (Фиг.7, 8) выбрасывается в космос.