Двухзапорный клапан
DOUBLE SHUTOFF VALVE

Изобретение относится к арматуростроению, в частности, к двухзапорным клапанам, работающим в составе энергетических установок, характеризующихся сложными условиями эксплуатации, высокими требованиями надежности и максимальными ограничениями массогабаритных характеристик, например, в составе атомных энергетических установок транспортного назначения, в качестве локализующего запорного элемента на паропроводах второго контура.
Под двухзапорным клапаном понимается клапан, в корпусе которого коаксиально размещены два уплотнительных седла, взаимодействующие с запорными устройствами, управляемыми независимыми приводами через телескопические штоки.
Известна конструкция клапана двухзапорного по авторскому свидетельству СССР №373474, F16K 31/143 от 09.03.71 г.
В указанной конструкции два запорных элемента имеют сильфонное уплотнение относительно внешней среды и выполнены в виде цельносоставных цилиндрических деталей, жестко соединенных с телескопически расположенными штоками, управляемыми независимыми приводами.
Такое конструктивное исполнение клапана не обеспечивает самостоятельного центрирования запорных элементов относительно корпуса и самоустановку их уплотнительных поясков относительно уплотнительных седел корпуса, что влечет за собой снижение степени герметичности клапана по затворам в положении «закрыто».
Недостатком клапана двухзапорного является и то, что открытие запорных элементов выполняется при полном перепаде рабочего давления на них, при этом открытие основного запорного элемента происходит при аварийном повышенном давлении среды.
Известен клапан двухзапорный по авторскому свидетельству SU №1635663 A1, F16K 31/17, 17.11.87 г., в котором запорные элементы также выполнены в виде цельносоставных цилиндрических деталей, имеющих сальниковые уплотнения, при этом каждый из них имеет самостоятельное центрирование относительно седел корпуса. Однако и в этой конструкции клапана самоустановка запирающих элементов не обеспечивается, что существенно влияет на степень герметичности запорных элементов в закрытом состоянии клапана в сторону ее снижения.
Существенный недостаток - открытие запорных элементов под полным перепадом давления рабочей среды с увеличением необходимого усилия на штоках остается.
Наиболее близким прототипом по конструкции является клапан двухзапорный по патенту RU 2711796 C1, F16K 11/10, 2019 г. Данное техническое решение является прототипом для предлагаемой конструкции двухзапорного клапана.
Клапан состоит из двух запорных органов: основного, соединенного с внутренним штоком посредством разъемного соединения, и дополнительного, соединенного с наружным штоком с помощью гибкого элемента, например, сильфона.
Конструкция клапана обеспечивает самоустановку запорных элементов относительно уплотнительных седел корпуса, что повышает степень герметичности затворов.
К его недостаткам можно отнести то, что при повышении давления среды в отсеченном участке установки и последующем открытии основного запорного органа требуется приложить к его штоку дополнительное усилие, что влечет за собой увеличение размеров силовых деталей и мощности и габаритов привода, создание ударной нагрузки в момент открытия и снижает надежность работы клапана в целом.
Технической задачей данного технического решения является создание клапана с двумя запорными органами со снижением усилия, необходимого для открытия основного запорного органа, что особенно важно при наличии повышенного (аварийного) давления рабочей среды в отсеченном участке энергетической установки.
Техническим результатом решения поставленной задачи является повышение надежности клапана с двумя запорными органами и уменьшение мощности привода со снижением его габаритов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в клапане двухзапорном, содержащем корпус с боковым и осевым патрубками, основной и дополнительный запорные органы, взаимодействующие с соосно расположенными уплотнительными седлами корпуса и соединенные с коаксиально расположенными внутренним и наружным штоками, уплотняемыми сальниками и связанными с приводами, обеспечивающими независимое перемещение запорных органов, основной запорный орган снабжен разгрузочным клапаном, размещенным между основным запорным органом и внутренним штоком и состоящим из внутреннего уплотнительного седла основного запорного органа и уплотнительного пояска на упорной головке внутреннего штока, и опорного элемента, закрепленного в основном запорном органе и охватывающего внутренний шток, при этом в опорном элементе выполнены пазы, например, в виде отверстий, а в основном запорном органе со стороны осевого патрубка выполнены сквозные отверстия, соединяющие при срабатывании разгрузочного клапана внутреннюю полость между запорными органами с внутренней полостью выходного осевого патрубка.
Между упорной головкой внутреннего штока и внутренним торцом основного запорного органа установлен упругий элемент в виде пружины.
Повышение надежности достигается за счет снижения жестких условий работы основного запорного органа при эксплуатации клапана - воздействия высоких силовых нагрузок на детали узла затвора при открытии основного запорного органа с увеличенными значениями перепада давления среды на нем.
Уменьшение габаритов привода достигается за счет уменьшения рабочей площади поршня пневмопривода пропорционально снижению рабочего усилия, необходимого для открытия основного запорного органа, находящегося под действием максимального давления среды в отсеченной секции второго контура, и уменьшения размеров силовых деталей привода.
Общий вид двухзапорного клапана представлен:
- на фигуре 1 - положение «открыто» для основного и дополнительного запорных органов;
- на фигуре 2 - положение «закрыто» для основного запорного органа, положение «открыто» для дополнительного запорного органа;
- на фигуре 3 - положение «закрыто» для основного запорного органа с положением разгрузочного клапана «открыто», положение «открыто» для дополнительного запорного органа;
- на фигуре 4 - положение «закрыто» для основного и дополнительного запорных органов.
Клапан двухзапорный содержит корпус 1 с боковым 2 и осевым 3 патрубками, основной 4 и дополнительный 5 запорные органы, соединенные с коаксиально расположенными внутренним 6 и наружным 7 штоками, управляемыми независимыми приводами.
Корпус 1 имеет два уплотнительных седла 8 и 9, соосно расположенные со стороны бокового патрубка 2, со стороны подачи рабочей среды. Основной запорный орган 4 взаимодействует при закрытии с уплотнительным седлом 8.
На верхней торцевой поверхности упорной головки 10 наружного штока 7 выполнено уплотнительное седло 11 в виде сферы, взаимодействующее при открытом положении дополнительного запорного органа 5 с уплотнительным коническим пояском 12 коробки сальника 13.
На внутренней торцевой поверхности наружного штока 6 выполнено уплотнительное седло 14, взаимодействующее при открытии основного запорного органа 4 с уплотнительным пояском 15 внутреннего штока 6, образуя дополнительное уплотнение между штоками 6 и 7 в положении «открыто» (см. фиг. 1).
Во внутренней полости основного запорного органа 4 расположен разгрузочный клапан, состоящий из уплотнительного седла 16, уплотнительного пояска 17 на упорной головке 18 внутреннего штока 6, опорной гайки 19 и упругого элемента 20, выполненного, например, в виде винтовой пружины.
Уплотнительное седло 16 разгрузочного клапана выполнено на торце внутренней поверхности основного запорного органа 4.
Опорная гайка 19 ввернута в основной запорный орган 4 с помощью резьбового соединения и имеет пазы, выполненные, например, в виде проходных отверстий 21, обеспечивающие проход рабочей среды из внутренней полости 22 между запорными органами 4 и 5 во внутреннюю полость 23 основного запорного органа 4.
Опорный бурт 24 упорной головки 18 взаимодействует при открытии основного запорного органа 2 с опорным торцом опорной гайки 19.
p
Между опорным торцом опорной гайки 19 и опорным буртом 24 упорной головки 18 выполнен зазор h, равный рабочему ходу разгрузочного клапана.
Внутренняя полость 23 соединена ниже уплотнительного седла 16 с внутренней полостью осевого выходного патрубка 3 сквозными отверстиями 25, равномерно расположенными по окружности.
Клапан работает следующим образом.
При работе энергетической установки в штатном режиме оба запорных органа 4 и 5 находятся в положении «открыто», обеспечивая проход пара к турбине (см. фиг. 1).
Характерной особенностью эксплуатации двухзапорного клапана является необходимость в экстренном закрытии при попадании во второй контур потенциально опасной среды системы первого контура при возникновении межконтурной неплотности или при подозрении на возникновение этой неплотности.
В обеспечение этого привод второго по ходу движения рабочей среды через боковой патрубок 2 является дистанционно управляемым с помощью быстродействующего привода, например, пневматического привода. Указанный основной запорный орган 4 срабатывает автоматически по сигналу из системы управления.
При подтверждении аварийной разгерметизации системы первого контура по отношению к системе второго контура закрывается с помощью ручного привода первый по ходу движения рабочей среды дополнительный запорный орган 5.
В случае экстренного закрытия основного запорного органа 4 от пневмопривода усилие передается через внутренний шток 6 на основной запорный орган 4, перемещая его до упора в уплотнительное седло 8 корпуса 1, перекрывая проходное сечение клапана (см. фиг. 2).
Уплотнительный поясок 17 упорной головки 17 внутреннего штока 5 контактирует с уплотнительным седлом 16 основного запорного органа 4, образуя герметичное соединение. При закрытом основном запорном органе 2 давление среды в отсеченной секции второго контура энергетической установки резко возрастает.
При неподтверждении аварийной ситуации или после выполнения регламентных работ энергетической установки отсеченная секция включается в работу. Для введения отсеченной секции в работу потребуется открыть основной запорный орган 4. Ввиду значительного увеличения давления рабочей среды в отсеченной секции, действующего на основной запорный орган 4, необходимо дополнительно увеличенное усилие для этого.
Возможность такого открытия с высоким перепадом давления среды на основном запорном органе 4 решается с помощью разгрузочного клапана.
p
При движении внутреннего штока 6 вверх из положения основного запорного органа 4 «закрыто» (см. фиг. 2), уплотнительный поясок 17 на упорной головке 18 отходит от уплотнительного седла 16 на величину рабочего хода h разгрузочного клапана, образуя проходное сечение для прохода рабочей среды. Основной запорный орган 4 в начальный момент остается в закрытом положении до сброса повышенного давления среды в боковом входном патрубке 2 (см. фиг. 3).
После сброса давления среды и дальнейшего перемещения внутреннего штока 6 на величину хода h основной запорный орган 4 открывает полностью основное проходное сечение между своим уплотнительным пояском и уплотнительным седлом 8 корпуса 1 (см. фиг. 1). Упругий элемент 20 прижимает основной запорный орган 4 к упорной головке 18 внутреннего штока 6, исключая его вибрацию в потоке среды.
доп.
Рабочий ход h дополнительного запорного органа превышает сумму рабочих ходов разгрузочного клапана и основного запорного органа:
доп.
р
осн.,
h>h+h
где:
доп.
h - рабочий ход дополнительного запорного органа;
p
h - рабочий ход разгрузочного клапана;
осн.
h - рабочий ход основного запорного клапана.
доп.
0
При подтверждении аварийной разгерметизации системы первого контура по отношению к системе второго контура или по отношению к внешней среде при закрытом основном запорном органе 4 закрывается дополнительный запорный орган 5 с помощью ручного привода (см. фиг. 4). Рабочий ход h дополнительного запорного органа 8 превышает общий рабочий ход h внутреннего штока 6 с закрепленным на нем основным запорным органом 7.
Конструкция клапана позволяет расширить функциональные возможности и выполнить, например, сброс рабочей среды при закрытом дополнительном запорном органе 5 и открытом положении разгрузочного клапана через внутреннюю полость между запорными органами 7 и 8 и через штуцер 26.