Клапан сброса давления
PRESSURE RELIEF VALVE

Предлагаемое изобретение относится к клапану сброса давления, предназначенному для выравнивания давления между грузовым резервуаром и окружающей средой, причем указанный клапан выполнен так, что скорость выпускаемой газовой струи никогда не бывает меньше заданного значения (обычно 30 м/с), когда клапан находится в открытом положении. Указанный клапан содержит корпус, выполненный с возможностью прижатия к седлу клапана, выполненному в конструктивном выпуске из грузового резервуара, причем корпус клапана соединен с центральным стержнем, проходящим в отверстие конструктивного выпуска, при этом центральный стержень поддерживается и направляется с помощью рамной конструкции, которая проходит в отверстие указанного конструктивного выпуска и прикреплена к конструктивному выпуску.
Предлагаемое изобретение в целом относится к клапану сброса давления, предназначенному для выравнивания давления между замкнутым пространством и окружающей средой. В частности, клапан представляет собой элемент, который обеспечивает сообщение между внешней и внутренней средами. Предлагаемое изобретение в большей степени предназначено для вентилирования грузовых резервуаров на судах, перевозящих грузы из одного места в другое, но также может быть использовано и в расположенных на суше резервуарах, в том числе в резервуарах под давлением, в которых необходимо обеспечить вентилирование.
Известный уровень техники описан в Европейском патентном документе ЕР 2478279 и международных публикациях WO 2000/075543, WO 2013/083832 и WO 2013/068012.
Данное изобретение в частности предназначено для использования на борту судов, перевозящих нефть, продукты и химические вещества, для обеспечения выравнивания избыточного давления в грузовом резервуаре, а также в качестве регулятора давления при погрузке и транспортировке. Например, когда грузовой резервуар заполняют жидкостью, давление в нем возрастает, и с учетом заданного предела давления возникает необходимость вентилирования избыточного газа, имеющегося над мокрым грузом.
Благодаря настоящему изобретению обеспечена возможность подачи потока в виде газовой струи в вертикальном направлении наружу из клапана в окружающую среду со скоростью, которая никогда не падает ниже 30 м/с при последовательном открывании клапана. Такое значение скорости обусловлено двумя причинами. Первая причина заключается в необходимости отведения остаточного газа так, чтобы избежать скопления газа под клапаном и в проемах на судовой палубе. Другая причина вызвана мерами безопасности на случай возникновения огня или искры с внешней стороны клапана и возможного воспламенения остаточного газа в резервуаре. Благодаря указанной скорости выпуска из клапана обеспечено удерживание пламени в стороне от клапана и соответствующего резервуара так, что пламя гасится или горение происходит на расстоянии от головки клапана.
Вентилирование остаточных газов из грузовых резервуаров, перевозимых на танкерных судах, происходит в различных условиях окружающей среды, что учитывается в предлагаемом изобретении. Например, зачастую перепад возникает при обильном вентилировании резервуара во время загрузки. Также часто может возникать необходимость выполнения полной продувки всего рабочего объема, обеспечиваемого погружными насосами, при этом во время транспортировки может потребоваться выпуск лишь очень ограниченного объема вследствие теплового нагревания резервуара и содержащейся в нем среды. Таким образом, в отличие от вентилирования во время загрузки, во время транспортирования важно, чтобы клапан обеспечивал гарантированное закрывание под действием выходного потока, давление которого является чуть более низким, чем давление, приводящее к открыванию клапана, и в результате в процессе открывания выпускается минимальное количество груза.
Известно, что другие клапаны такого типа открываются при заданном давлении, а также закрываются в различной степени при низком давлении вследствие динамики потока и эффекта воздушного торможения, возникающего внутри клапана. Это влияет не только на расход, но также способствует уменьшению скорости остаточного газа.
Для этого в изобретении предложен клапан сброса избыточного давления, который выполнен с возможностью последовательного открывания в двух разных, отличных друг от друга режимах. В одном режиме при открывании обеспечена минимальная площадь открывания, а в другом режиме обеспечено максимальное открывание в том случае, если давление поднимается выше заданного предела. Режим с минимальным открыванием можно считать профилактической вентиляцией, при которой меньшее количество остаточных газов выходит из резервуара, т.е. выпуск из резервуара в окружающую среду ограничен. При транспортировке различных жидких грузов разница температур во время перевозки может влиять на груз так, что груз расширяется или сжимается в зависимости от изменений температуры внешней среды.
Если температура снаружи грузового резервуара поднимается достаточно высоко, жидкость внутри резервуара расширяется, что приводит к повышению давления. Запускается первый режим внутри клапана, и обеспечивается менее интенсивная вентиляция. Если давление возрастает, превышая предел вышеуказанной профилактической вентиляции, возникает необходимость в обеспечении вентиляции с большей интенсивностью, при этом клапан поднимется выше для обеспечения максимального выпуска. При работе в последнем режиме важно обеспечить максимальную производительность клапана без ограничений.
В комбинации с клапаном сброса избыточного давления используется клапан (В) сброса пониженного давления, который в данном случае представляет собой клапан, предназначенный для выравнивания пониженного давления в замкнутом пространстве относительно давления окружающей среды. По аналогии и зачастую в комбинации с клапаном сброса избыточного давления клапаны данного типа используются на судах и в наземных грузовых резервуарах.
Например, такой клапан используют, когда давление снаружи резервуара выше, чем давление внутри него. Если давление возрастает выше заданного предела, клапан поднимается и обеспечивает поступление окружающего воздуха в среду внутри резервуара.
Если содержимое резервуара является воспламеняемым, необходимо защитить резервуар от попадания искр и огня, которые могут проникнуть в него с наружной стороны. Такая защита обеспечена благодаря тому, что впускная область вакуумного предохранительного клапана закрыта соответствующим пламезадерживающим средством, которое предотвращает проникновение каких-либо воспламененных частиц в резервуар. Одно такое пламезадерживающее средство обычно содержит два или более слоев сетки из переплетенных металлических нитей, которые, грубо говоря, выполнены с возможностью пропускания воздуха, но предотвращают распространение пламени.
Согласно настоящему изобретению предложен клапан сброса давления вышеуказанного типа, который отличается тем, что имеющийся в нем стержень проходит в корпус клапана, который выполнен с возможностью перемещения относительно указанного стержня и удерживается в первом положении с помощью пружины, которая выполнена с возможностью противодействия перемещению указанного корпуса из седла клапана, пока не будет достигнут заданный уровень давления внутри грузового резервуара, при этом указанный уровень давления соответствует пороговому значению, при котором запускается второй этап открывания клапана, причем элементы, обеспечивающие осуществление второго этапа открывания клапана, включают первый и второй магнитные элементы, присоединенные, соответственно, к корпусу клапана и к рамной конструкции, при этом указанные магнитные элементы выполнены с возможностью притягивания друг к другу под действием магнитной силы определенной величины, действие которой приостанавливается, когда указанные магнитные элементы отведены в стороны друг от друга под действием избыточного давления внутри грузового резервуара.
В одном варианте выполнения корпус клапана содержит съемную головку для обеспечения легкого доступа к расположенной в нем пружине.
Предпочтительно центральный стержень может содержать третий магнитный элемент, выполненный с возможностью взаимодействия с четвертым магнитным элементом, прикрепленным к рамной конструкции.
Между рамной конструкцией и третьим магнитным элементом может действовать вторая пружина.
Как указано выше, клапан сброса давления также может содержать второй клапан, а именно клапан сброса пониженного давления, благодаря чему обеспечена комбинация клапана сброса избыточного давления и клапана сброса отрицательного давления в одном и том же блоке.
Такой клапан сброса отрицательного давления может содержать второй корпус, седло, кожух, окружающий корпус клапана и его седло, причем указанный корпус под действием силы тяжести опирается на седло второго клапана и вместе с направляющим стержнем обеспечивает герметизацию между кожухом и соответствующим фланцем до тех пор, пока давление снаружи кожуха не возрастет выше допустимого предела, при котором корпус клапана поднимается из седла, обеспечивая выравнивание давления внутри кожуха.
Клапан сброса отрицательного давления может также содержать тестовый стержень, который выполнен с возможностью выталкивания вертикально вверх для проверки достаточного подъема и объема в том случае, когда требуется выравнивание отрицательного давления.
Кроме того, клапан сброса отрицательного давления предпочтительно может содержать огнезащитный элемент, который закрывает конструктивный впуск для обеспечения защиты грузового резервуара от попадания искр/пламени.
Тестовый стержень может проходить через огнезащитный элемент, причем тестовый стержень отделен от направляющего стержня и соединен с ним с помощью магнита и магнитного материала на тестовом стержне.
Клапан сброса отрицательного давления может содержать крепежное средство, обеспечивающее возможность поворота всей рамной конструкции в сторону от фланца и кожуха для замены или очистки огнезащитного элемента.
Кроме того, в качестве отдельного клапана, предпочтительно предназначенного для использования вместе с указанным клапаном, клапан сброса отрицательного давления может содержать корпус второго клапана, седло второго клапана, кожух, окружающий указанные корпус и седло, причем корпус второго клапана под действием силы тяжести опирается на указанное седло и вместе с направляющим стержнем обеспечивает герметизацию между указанным кожухом и соответствующим фланцем до тех пор, пока давление снаружи кожуха не превысит допустимый предел, при котором корпус клапана поднимается из седла, обеспечивая выравнивание давления внутри указанного кожуха.
Клапан сброса отрицательного давления также может содержать тестовый стержень, который выполнен с возможностью выталкивания вертикально вверх для проверки наличия достаточного подъема и объема, если необходимо выровнять отрицательное давление.
Клапан сброса отрицательного давления также может содержать огнезащитный элемент, который закрывает конструктивный впуск для защиты грузового резервуара от попадания искр/пламени.
Тестовый стержень может проходить через огнезащитный элемент, при этом тестовый стержень отделен от направляющего стержня, и соединение между ними обеспечено с помощью магнита и магнитного материала на тестовом стержне.
Кроме того, клапан сброса отрицательного давления может содержать крепежное средство для обеспечения возможности поворота всей рамной конструкции в сторону от фланца и кожуха для замены или очистки огнезащитного элемента.
Другие и дополнительные элементы, признаки и преимущества станут очевидны из следующего описания предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого изобретения, которое приведено с описательной целью и предложено к рассмотрению вместе с прилагаемыми чертежами.
На чертежах:
Фиг. 1 изображает вид сбоку комбинированного клапана сброса избыточного давления и отрицательного давления согласно данному изобретению;
Фиг. 2 изображает вид в аксонометрии сверху клапана сброса избыточного давления, отделенного от клапана сброса отрицательного давления;
Фиг. 3 изображает вид в аксонометрии снизу клапана сброса избыточного давления, показанного на Фиг. 2;
Фиг. 4 изображает разрез клапана сброса избыточного давления, показанного на Фиг. 2 и 3, в первом положении, когда клапан закрыт;
Фиг. 5 изображает разрез того же клапана, который показан на Фиг. 4, но повернутый на 90 градусов вокруг центральной продольной оси клапана;
Фиг. 6 изображает разрез того же клапана, что и на Фиг. 5, за исключением того, что корпус клапана слегка поднят из седла, обеспечивая выпуск газа;
Фиг. 7 изображает разрез того же клапана, что и на Фиг. 6, за исключением того, что корпус клапана поднят значительно выше из седла и находится в положении второго этапа;
Фиг. 8 изображает в аксонометрии клапан сброса отрицательного давления, отделенный от клапана сброса избыточного давления;
Фиг. 9 изображает в аксонометрии клапан сброса отрицательного давления, показанный на Фиг. 8, у которого нижняя часть отделена от основной части;
Фиг. 10 изображает вид сбоку клапана сброса отрицательного давления, который отделен от клапана сброса избыточного давления и от кожуха;
Фиг. 11 изображает разрез клапана сброса отрицательного давления, показанного на Фиг. 10, в закрытом положении;
Фиг. 12 изображает разрез клапана, показанного на Фиг. 11, в котором основные конструктивные части отведены друг от друга;
Фиг. 13 изображает вид в аксонометрии сверху клапана сброса отрицательного давления, показанного на Фиг. 10;
Фиг. 14 изображает вид в аксонометрии клапана, показанного на Фиг. 13, в котором основные конструктивные части отведены друг от друга; и
Фиг. 15 изображает разрез клапана сброса отрицательного давления, показанного на Фиг. 11, в положении вентилирования.
В первую очередь обратимся к Фиг. 1, на которой показан общий вид сбоку комбинированного клапана 20 сброса избыточного давления и отрицательного давления согласно настоящему изобретению. Клапан 20 сброса давления предназначен для выравнивания давления между грузовым резервуаром и окружающей средой.
Клапан 20 сброса давления представляет собой блок, образованный клапаном 30 сброса избыточного давления и клапаном 40 сброса отрицательного давления. В кожухе 32 клапана 30 сброса избыточного давления выполнен конструктивный выпуск 5' из грузового резервуара (не показан). Кожух 32 имеет фланец 31, который выполнен с возможностью присоединения к фланцу 41 кожуха 42 клапана 40 сброса отрицательного давления. Соответствующие кожухи 32, 42 соединены разъемным образом болтами с помощью соответствующих фланцев 31, 41.
Как более подробно показано на Фиг. 2 и 3, клапан 30 сброса избыточного давления содержит корпус 2, выполненный с возможностью герметичной установки в седле 1, выполненном в кольцевом элементе 18. Седло 1 выполнено в конструктивном выпуске 5а из грузового резервуара.
Как показано на Фиг. 4-7, корпус 2 клапана 30 сброса избыточного давления соединен с центральным стержнем 7, проходящим в отверстие 5 в конструктивном выпуске 5а. В свою очередь, центральный стержень 7 поддерживается и направляется рамной конструкцией 6, которая проходит в отверстие 5 выпуска 5а и жестко прикреплена к выпуску 5а.
Центральный стержень 7 проходит дальше в полость 19 корпуса 2. Корпус 2 клапана выполнен с возможностью перемещения относительно стержня 7 и удерживается в первом положении посредством винтовой пружины 13 и стопорной пластины 12, прикрепленной к стержню 7. Корпус 2 клапана содержит центральный втулочный элемент 11. Внутренняя поверхность или проход во втулочном элементе 11 выполнены с возможностью скользящего взаимодействия с верхней частью стержня 7. Винтовая пружина 13 размещена в полости 19, при этом пружина 13 окружает втулочный элемент 11 и, таким образом, направляется втулкой 11.
Пружина 13 выполнена с возможностью противодействия перемещению корпуса 2 клапана из седла 1 до тех пор, пока не будет достигнут заданный уровень давления внутри грузового резервуара. Этот уровень давления является пороговым значением, при котором запускается второй этап открывания клапана.
Таким образом, указанный клапан выполнен так, что скорость выпускаемой газовой струи никогда не бывает меньше 30 м/с, когда клапан находится в открытом положении.
Как показано на чертежах, корпус 2 клапана 30 сброса избыточного давления содержит съемную головку 8, обеспечивающую возможность легкого доступа в полость 19 к пружине 13 и стопорной пластине 12, которые расположены в полости 19.
Корпус 2 клапана также содержит первый магнитный элемент 10, расположенный в нижней части корпуса 2 и выполненный с возможностью взаимодействия со вторым магнитным элементом 9, прикрепленным к окружающей его рамной конструкции 6.
Центральный стержень 7 также содержит третий магнитный элемент 15, выполненный с возможностью взаимодействия с четвертым магнитным элементом 14, жестко прикрепленным к рамной конструкции 6.
Вторая пружина 17 действует между рамной конструкцией 6 и третьим магнитным элементом 15.
Далее со ссылкой на Фиг. 4-7 подробно описана работа клапана 30 сброса избыточного давления. В исходном положении корпус 2 клапана вместе с головкой 8 и центральным стержнем 7 удерживаются так, что опорная поверхность 3 корпуса 2 размещена в седле 1 клапана, в кольце 18. В этом случае давление в грузовом резервуаре превышает давление окружающей среды. Такая разница в давлении поддерживается посредством магнитов 9 и 14, которые удерживаются относительно дисков 10, 15 из магнитного материала, которые, в свою очередь, жестко прикреплены к раме 6, соединенной с кольцом 18 седла клапана.
Когда давление в грузовом резервуаре возрастает, превышая определенный уровень, диск 10 будет стремиться выйти из взаимодействия с магнитом 9, поднимая корпус 2 клапана вверх вместе с поверхностью 3 из седла 1 клапана, как показано на Фиг. 6. Однако это перемещение останавливается под действием пружины 13, которая приводится в действие и прижимается к стопорной пластине 12. Таким образом, направленное вверх перемещение в значительной степени ограничено и останавливается до тех пор, пока не будет выпускаться меньшее количество газа.
После этого давление в грузовом резервуаре повышается или может упасть. Если давление в грузовом резервуаре снижается, пружина 13 прижимает корпус 2 клапана вместе с поверхностью 3 клапана обратно к седлу 1, и, таким образом, обеспечивается взаимодействие диска 10 с магнитом 9, как показано на Фиг. 5.
Если, наоборот, давление в грузовом резервуаре возрастает после прижатия пружины 13 к пластине 12, указанное перемещение приведет к открытию всей выпускной области, причем диск 15 стремится переместиться в направлении от магнита 14, а стержень 7 и различные соединенные с ним компоненты поднимаются. Затем произойдет полное открытие клапана давления, как показано на Фиг. 7. При снижении давления под действием более мягкой пружины 17 и пружины 13 происходит перемещение всех указанных элементов обратно для обеспечения закрытого положения клапана, в котором предотвращается какое-либо сообщение между средой в грузовом резервуаре и окружающей средой, как показано на Фиг. 5.
Другими словами, в предлагаемом изобретении используется два магнита, которые выходят из взаимодействия при разном давлении. Кроме того, имеются вышеописанная пружина 13, втулка 11 и стопорная пластина 12, которые при совместном действии обеспечивают повышение давления над клапаном и, соответственно, более высокий подъем клапана без использования каких-либо подъемных пластин или подъемных колец. На практике это означает, что при высвобождении первого магнита 10 посредством втулки 11, пружины 13 и стопорной пластины 12 обеспечивается подъем стержня 7 вместе со вторым магнитом 15. Вследствие этого получают задержку в перемещении, в результате чего давление над клапаном возрастает. Благодаря этому, когда подъем наконец происходит, обеспечивается очень высокое поднятие клапана сброса давления. Благодаря этому обеспечивается равномерное перемещение клапана с предотвращением каких-либо колебаний. Таким образом, то же самое происходит при закрывании клапана, поскольку магниты снова входят во взаимодействие под действием силы притяжения, но уже при других уровнях давления.
Как указано выше, клапан 20 также содержит второй клапан, а именно клапан 40 сброса пониженного или отрицательного давления.
На Фиг. 8 и 9 изображен общий вид в аксонометрии клапана 40 сброса отрицательного давления, который отделен от клапана 30 сброса избыточного давления. Клапан 40 сброса отрицательного давления предназначен для обеспечения выравнивания возможного отрицательного давления внутри грузового резервуара с давлением окружающей среды.
Клапан 40 сброса отрицательного давления размещен в кожухе 42, в котором также выполнен конструктивный впуск ПА в грузовой резервуар (не показан). Кожух 42 содержит фланец 41, выполненный с возможностью присоединения к фланцу 31 кожуха 32 клапана 30 сброса избыточного давления. Соответствующие кожухи 42, 32 разъемно соединены болтами с помощью соответствующих фланцев 41, 31.
Как более подробно показано на Фиг. 10-15, клапан 40 сброса отрицательного давления содержит корпус 1А, выполненный с возможностью герметичной установки в седле 2А', выполненном в седловой части 2А. Седло 2А' клапана выполнено в конструктивном впуске 11А в грузовой резервуар.
Как показано на Фиг. 11, корпус 1А клапана 40 сброса отрицательного давления соединен с центральным направляющим стержнем 5А, проходящим в отверстие 11' в конструктивном впуске 11А. В свою очередь, центральный направляющий стержень 5А поддерживается и направляется с помощью поворотной рамной конструкции 12, которая проходит в отверстие 11' конструктивного впуска 11А и жестко прикреплена к впуску 11А.
Предлагаемое изобретение работает следующим образом. Корпус 1А клапана под действием собственного веса опирается на седло 2А клапана и вместе с направляющим стержнем 5А обеспечивает герметизацию между кожухом 42 и соответствующим фланцем 4А до тех пор, пока давление снаружи кожуха 42 не превысит допустимый предел, при котором корпус 1А клапана поднимается из седла 2А' клапана, обеспечивая выравнивание давления внутри кожуха 42.
Для обеспечения возможности протестировать функциональность вышеописанной работы клапана для выравнивания отрицательного давления используется тестовый стержень 6А, который выполнен с возможностью выталкивания вертикально вверх для проверки, таким образом, наличия достаточного подъема и объема, если возникнет необходимость выровнять отрицательное давление.
Для защиты грузового резервуара от попадания искр/пламени впуск 11А закрыт огнезащитным элементом 7А. Также должна быть обеспечена возможность перемещения тестового стержня 6А через огнезащитный элемент 7А. Чтобы избежать необходимости соблюдения точного центрирования сборного направляющего и тестового стержня, стержень разделен на направляющий стержень 5А и тестовый стержень 6А, и соединение между ними обеспечено с помощью магнита 9А и магнитного материала 8А.
Путем отсоединения всей крепежной части 10А и поворота всей рамной конструкции 12А в сторону от фланца 4А и кожуха 42 обеспечивается возможность замены или очистки огнезащитного элемента, а при повороте рамной конструкции 12А в обратном направлении и закреплении крепежной части 10А на фланце 4А обеспечивается автоматическое центрирование и соединение указанных элементов.