ЗАПОРНЫЙ УЗЕЛ "ИГР" ТРУБОПРОВОДНОГО УСТРОЙСТВА
PIPELINES DEVICE "GAMBLING" LOCKING ASSEMBLY

Изобретение относится к области арматуростроения и может быть использовано в оборудовании газовой, нефтяной, химической, энергетической, металлургической и угольной промышленности.
Известна конструкция запорного узла, содержащего корпус с проходными отверстиями, входным и выходным патрубками, установленными в нем седлами и плоским шибером с проходным отверстием, запорной частью, поперечными канавками с острыми кромками по всему поперечному периметру шибера и кольцевыми керамическими элементами на обеих сторонах запорной части, поперечные канавки выполнены на расстоянии не менее контактной ширины седла от края проходного отверстия шибера, а контактные поверхности седел снабжены кольцевыми керамическими элементами (см. патент RU 2516758 С1, кл. F16K 3/02).
Недостаток известной конструкции запорного узла состоит в увеличении габаритных размеров вследствие расположения поперечных канавок шибера в положении запорного узла «Открыто» вне контактной площади седел и в низкой пропускной способности поперечных канавок, что снижает их эффективность при повышении долговечности и уменьшении усилий управления трубопроводного устройства.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является запорный узел, содержащий корпус с проходными отверстиями, входным и выходным патрубками, установленными в нем седлами и шибером с запорной частью снабженной сменными кольцевыми керамическими элементами и поперечными и кольцевыми канавками с острыми кромками (см. патент RU 2005240 С1, кл. F16K 3/02).
Недостаток известной конструкции запорного узла состоит в низкой пропускной способности канавок на шибере и повреждении запорной части шибера размещенной на нем кольцевой канавкой.
Задачей изобретения является снижение затрат энергии на управление запорным трубопроводным устройством и повышение его долговечности за счет выполнения нескольких параллельных поперечных канавок на шибере запорного узла.
Поставленная задача достигается тем, что в запорном узле «ИГР» трубопроводного устройства, содержащем корпус с проходными отверстиями, входным и выходным патрубками, установленными в нем седлами и плоским шибером с проходным отверстием, запорной частью, поперечными канавками с острыми кромками по всему поперечному периметру и кольцевыми керамическими элементами на обеих сторонах запорной части, основная поперечная канавка размещена на запорной части касательно края проходного отверстия и кольцевого керамического элемента и имеет ширину контактной поверхности седла, последующие параллельные поперечные канавки имеют ширину не более основной и размещены от основной до центра проходного отверстия с расстоянием между ближайшими краями канавок не менее их ширины, кроме того:
- основная поперечная канавка сообщается с проходным отверстием через продольную канавку шириной не менее удвоенной ширины основной поперечной канавки;
- расстояния между ближайшими краями поперечных канавок увеличивается, а ширина канавок уменьшается по мере их расположения ближе к центру проходного отверстия шибера согласно закономерности изменения площади перекрываемого шибером проходного отверстия запорного узла;
- основная поперечная канавка выполнена из керамического материала в виде вставки с толщиной стенки не менее длины продольной канавки.
Сущность изобретения заключается в том, что выполненная из керамического материала основная поперечная канавка на запорной части шибера и размещенная касательно контура проходного отверстия имеет максимальную площадь прохода и пропускную способность при сохранении габаритных размеров запорного узла, а совместно с дополнительными продольной и поперечными канавками позволяет в процессе наиболее интенсивного сокращения проходного отверстия запорного узла плавно изменять перепад давления на запорном узле при защемлении потока. При этом уменьшается усилие управления трубопроводным устройством, снижается агрессивность потока и повышается износостойкость и долговечность запорного узла.
На фиг. 1 показан запорный узел шиберной задвижки в положении «Открыто»; на фиг. 2 - шибер в зоне начала наиболее интенсивного сокращения проходного отверстия запорного узла; на фиг. 3 - шибер в зоне максимального защемления потока; на фиг. 4 - в качестве примера запорный узел шарового крана в положении «Открыто»; на фиг. 5 - зависимость скорости изменения площади прохода от степени перекрытия запорного узла шиберной задвижки и шарового крана.
В корпусе 1 задвижки между неподвижными седлами 2 расположен подвижный запирающий элемент в виде плоского шибера 3 с проходным отверстием 4. На запорной части 5 шибера 3 с обеих сторон за основной поперечной канавкой 6 из керамического материала шириной, равной контактной поверхности седла, установлены кольцевые керамические элементы 7. На основной поперечной канавке 6 выполнена продольная канавка 8 для сообщения с проходным отверстием 4. Ширина продольной канавки 8 не менее удвоенной ширины основной поперечной канавки 6. Дополнительные параллельные поперечные канавки 9, 10 размещены на шибере 3 к центру проходного отверстия 4. В этом направлении расстояние между параллельными поперечными канавками 6, 9, 10 увеличивается, а ширина канавок уменьшается.
Запорный узел шиберной задвижки работает следующим образом.
Из положения «Открыто» шибер 3 совершает рабочий ход до совпадения запорной части 5 кольцевыми керамическими элементами 7 с контактными поверхностями седел 2. Полный рабочий ход равен диаметру проходного отверстия 4 плюс ширина контактной поверхности седла. При рабочем ходе шибера 3 не менее радиуса проходного отверстия 4 происходит наиболее интенсивное уменьшение проходного отверстия запорного узла. Начиная с этой величины рабочего хода шибера на закрытие параллельные поперечные канавки 10, 9, 6 по мере уменьшения проходного отверстия плавно выполняют абразивоудаляющую и разгрузочную функции. Завершает полный рабочий ход шибера из зоны максимального защемления потока перемещение основной поперечной 6 канавки при полном перекрытии контура проходного отверстия седел на ширину контактной поверхности седла.
Запорный узел «ИГР» в качестве примера может быть выполнен в виде шарового крана (см. фиг. 4).
В корпусе 1 между неподвижными седлами 2 расположен подвижный запирающий элемент в виде шаровой пробки 3 с проходным отверстием 4. На запорной части 5 шаровой пробки 3 с обеих сторон установлены кольцевые керамические элементы 7.Основная кольцевая канавка 6 шириной, равной контактной поверхности седла, размещена на запорной части 5 по окружности центрального сечения шаровой пробки 3 касательно края проходного отверстия 4 и кольцевого керамического элемента 7. Основная кольцевая канавка 6 сообщается с проходным отверстием 4 через канавку 8 шириной не менее удвоенной ширины основной кольцевой канавки 6. Дополнительные кольцевые канавки 9, 10 размещены по окружностям центральных сечений шаровой пробки 3 с угловым смещением к центру проходного отверстия 4. Угловое смещение и ширина канавок 9, 10 соответствуют закономерности изменения площади перекрываемого шаровой пробкой проходного отверстия запорного узла.
Запорный узел шарового крана работает аналогично запорному узлу шиберной задвижки. Рабочий ход подвижного запирающего элемента совершается поворотом шаровой пробки 3.
Технический результат данного решения состоит в повышении износостойкости запорного узла трубопроводного устройства за счет реализации известного принципа разделения функций при конструировании трубопроводных устройств для загрязненных сред (Карелин И. Техническая керамика в нефтегазовых трубопроводных. Опыт применения в России. -  Palmarium Academic Publishing, 2012. - с. 57-93). На поверхностях подвижных запирающих элементов запорных узлов шиберной задвижки и шарового крана выделены зоны наиболее интенсивного воздействия агрессивного защемляемого при перекрытии потока. Именно в этих зонах и размещены канавки, изменяющие газодинамическую ситуацию вблизи изнашиваемых участков, защищая тем самым контактные поверхности деталей запорных узлов, которые выполняют основную герметизирующую функцию. Размещение и размеры канавок определяются в соответствии с выявленной зависимостью скорости изменения площади проходного отверстия от степени его перекрытия, а значит, скорости и агрессивности потока, при условии сохранения габаритных размеров и прочности деталей.
Кроме того канавки выполняют разгрузочную функцию на запорном узле. Дополнительный переток среды через канавки постепенно по мере защемления потока уменьшает перепад давления при закрытии запорного узла, тем самым сокращая усилие и энергетические затраты на управление трубопроводным устройством.
Ввиду максимальной агрессивности потока, воспринимаемой основной канавкой, для наиболее эффективной защиты на шибере она выполнена из керамического материала, а на шаровой пробке она имеет защитное покрытие.
Обоснование закономерностей изменения площади перекрываемого проходного отверстия запорных узлов трубопроводных устройств представлено в ниже приведенных математических выражениях.
Положение запорного узла «Закрыто» рассматриваемых трубопроводных устройств в данном случае отличается от существующего в реальных конструкциях герметичного перекрытия запорного узла и означает только положение касания в одной точке окружностей сечения проходного отверстия седла и подвижного запирающего элемента.
А) Запорный узел шиберной задвижки
Введем в плоскости шибера запорного узла задвижки декартову систему координат Оху, где О - центр проходного отверстия неподвижного седла. В этой системе координат проходное сечение седла задается уравнением
2
2
2
х+y=r,
где r>0 - радиус проходных отверстий неподвижного седла и шибера. Центр проходного отверстия шибера в положении «закрыто» находится в точке A(2r, 0).
В случае положения центра проходного отверстия шибера на расстоянии h от точки О, где 0≤h≤2r, проходное отверстие шибера определяется уравнением
2
2
2
(x-h)+y=r.
Часть проходного отверстия седла, не перекрываемая шибером, представляет собой объединение двух сегментов круга радиуса r, стягиваемых хордой длины
Площадь одного сегмента равна
Следовательно, площадь проходного отверстия полуоткрытого запорного узла в момент, когда центр отверстия шибера находится на расстоянии h от точки О, равна
Функция s=S(h) непрерывна и дифференцируема при любом h∈[0, 2r], а выражение
характеризует скорость (интенсивность) изменения площади прохода запорного узла при перемещении шибера.
Б) Запорный узел шарового крана
Введем в пространстве декартову систему координат Oxyz, где О - центр шаровой пробки; ось x - ось проходного отверстия запорного узла; ось у - ось поворота шаровой пробки; ось z перпендикулярна плоскости Оxу. В этой системе координат проходное отверстие задается уравнением
2
2
2,
y+z=r
а поверхность шаровой пробки - уравнением
2
2
2
2
x+y+z=R,
где r>0 - радиус проходных отверстий неподвижного седла и шаровой пробки, R>0 - радиус шаровой пробки, причем R>r.
В полуоткрытом положении запорного узла ось проходного отверстия шаровой пробки образует угол α с осью х, где 0≤α≤π/2. Тогда проходное отверстие пробки определяется уравнением
2
2
2
у+(xsinα-zcosα)=r.
Число r должно удовлетворять условию
2
2
2r≤R
перекрытия запорного узла при α=π/2.
2
2
2
2
Пересечение проходного отверстия пробки со сферой х+у+z=Rсостоит из двух окружностей  радиуса r, лежащих в плоскостях
а
α
соответственно. Пусть  - часть окружности , лежащая внутри проходного отверстия, а γ - ортогональная проекция кривой  на плоскость х=0. Тогда кривая γ задается условиями
α
α
α
2
2
2
Кривая γ делит круг y+z≤r на две части - выпуклую и невыпуклую. Выпуклая область обозначена через Ω. Ее площадь s=S(α) и является площадью проходного отверстия запорного узла шарового крана. Далее представлены изменения геометрии области Ω при увеличении α от 0 до π/2 и вычислена функция S(α).
Пусть
*
Тогда 0<α≤π/2, так как
α
α
2
1) Если α=0, то γ - гладкая замкнутая выпуклая кривая, являющаяся границей области Ω. Следовательно, S(α)=πr.
*
α
*
2) Если α∈[α, π/2], то S(α)=0. При этом Ω=∅, если α∈[α, π/2].
*
α
α
3) Пусть α∈(0, α). Тогда кривая γ незамкнута. Длина отрезка I, соединяющего ее концы, равна
α
α
α
α
2
2
2
Множество Ω состоит из области  ограниченной кривой γ и отрезком I, а также сегмента  круга y+z≤r, стягиваемого хордой I и лежащего в области z≥0. Площадь сегмента  равна
Площадь области  равна
Следовательно,
Функция s=S(α) непрерывна и дифференцируема при любом α∈[0, π/2]. Более того, функция S'(α) непрерывна на отрезке [0, π/2], т.е. функция S=S(α) непрерывно дифференцируема.
*
Пусть R=kr, где  (диапазон k начинается с теоретического значения  и далее охватывает существующие на практике значения k). Тогда α=2arcsin(1/k) и искомая зависимость
Характер же изменения площади прохода представляется зависимостью
при любом α∈[0, 2arcsin(1/k)]. Отсюда следует, что график функции S(α) имеет ровно одну точку перегиба на интервале (0, 2 arcsin(1/k)).
В) Сравнение
Рассматриваемые проточные части запорных узлов шиберной задвижки и шарового крана в положении «Открыто» идентичны и неотличимы от прямолинейного участка трубопровода. В процессе перекрытия характер изменения площади проходного отверстия и соответственно скорости потока с эрозионными примесями в запорном узле шиберной задвижки отличается от шарового крана. Скорость этого изменения определяется в сравнении этих запорных узлов с одинаковыми исходными диаметрами проходных отверстий в относительных единицах изменения площади проходного отверстия (в процентном выражении):
- шиберный запорный узел
и
- шаровой запорный узел
и
5
Наиболее наглядно эта разница выражается на графиках производных  и  (см. фиг. 5). Графики функций изображены в обоих случаях при r=l а для шарового запорного узла существующее в реальных конструкциях кранов значение k=1.6. По графикам определены зоны наиболее интенсивного защемления потока. Для шиберного запорного узла - свыше 50-60% перекрытия, для шарового - свыше 30-40%. Согласно закономерностям изменения площади прохода запорного узла в этих зонах определяется и требуемая закономерность размещения в этих зонах и выбора ширины поперечных канавок, пропускная способность которых возрастает по мере приближения к стопроцентному перекрытию проходного отверстия.
Г) Толщина стенки керамической вставки с основной поперечной канавкой
Исходя из известной связи радиуса окружности с длиной хорды определена толщина стенки керамической вставки, в которой выполнена основная поперечная канавка (см. фиг. 1):
с
o
где b - толщина стенки керамической вставки с основной поперечной канавкой; s - ширина контактной поверхности седла; r - радиус проходного отверстия.