ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ ПРУЖИННЫЙ КЛАПАН ДЛЯ СГЛАЖИВАНИЯ ВОЛНЫ ДАВЛЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДЕ

Полезная модель относится к предохранительным пружинным (перепускным) клапанам для подключения к магистральному трубопроводу (например, нефтепроводу) и может быть использована для установки в системах сглаживания волн давления в трубопроводах и в других системах, где требуется защита от превышения рабочего диапазона давления при больших расходах рабочей среды по трубопроводу. Волны давления (превышение рабочего диапазона давления) образуются в трубопроводе при остановке насосов или быстром закрытии запорной арматуры из-за резкого торможения потока рабочей среды.
Известен предохранительный пружинный клапан для сглаживания волны давления в трубопроводе, описанный в патенте США №4362183, F 16 K 17/06 (публ. 07.12.1982), предназначенный для трубопроводов с большим расходом рабочей среды и являющийся наиболее близким аналогом к заявляемому клапану. Клапан содержит корпус, включающий входное и выходное отверстия для рабочей среды трубопровода, седло, расположенное в корпусе между этими отверстиями, затвор, движущийся в корпусе в позицию, в которой затвор занимает седло и не пропускает рабочую среду трубопровода, и обратно, а также пружинное средство,
постоянно оказывающее давление на затвор по направлению к седлу клапана. Корпус клапана включает также верхнюю часть, функционирующую как цилиндр, дополнительно к усилию пружинного средства нагружающий затвор клапана при закрытии так, чтобы приложить дополнительную силу к пружинному средству. В верхнюю часть предохранительного клапана подается и из нее удаляется среда давления через предназначенный для этого проход. Клапан содержит также поршневое средство, соединенное с пружинным средством и движущееся в пределах цилиндра, дополнительно нагружающего затвор.
Цилиндр находится в открытой связи с источником среды давления через дроссельную точку. Предохранительный клапан снабжен сенсором давления в трубопроводе, установленным на линии, герметично связанной с входным отверстием клапана. Предохранительный клапан имеет также контрольный клапан, взаимодействующий с сенсором давления. При превышении давления в трубопроводе того давления, которое оказывает на затвор пружинное средство и среда давления в дополнительно нагружающем цилиндре, затвор предохранительного клапана открывается. Среда давления в цилиндре, дополнительно нагружающем затвор, сжимается. Сенсор давления воздействует на контрольный клапан, а тот открывается и выпускает среду давления из цилиндра через поперечное сечение большее, чем у дроссельной точки. Из-за этого
давление в цилиндре снижается. Средой давления для цилиндра может являться та же среда, что и в трубопроводе, в том числе жидкая среда. Среда давления может подаваться непосредственно из трубопровода по отдельной линии, присоединяемой к цилиндру через дроссельную точку.
Недостатком наиболее близкого аналога является то, что объем цилиндра, содержащего жидкую среду дополнительного давления на затвор, ограничен. Для увеличения давления, действующего на затвор со стороны предохранительного клапана, целью применения устройства в трубопроводах с большим расходом жидкости и, следовательно, с повышенным давлением в трубопроводе в таком устройстве необходимо увеличить размеры его элементов, их вес, габариты предохранительного клапана в целом. В результате повышается материалоемкость устройства, увеличивается его стоимость и усложняется процесс его изготовления.
Задачей изобретения является создание надежного предохранительного клапана в трубопроводах с большим расходом жидкости и повышенным давлением без значительного повышения материалоемкости, габаритов, размера элементов, веса, стоимости клапана и усложнения процесса его изготовления.
Технический результат заключается в увеличении давления, действующего на затвор со стороны предохранительного клапана, за счет большего использования внутреннего объема предохранительного
клапана для содержания жидкой среды дополнительного давления на затвор, а также за счет конструктивного исполнения элементов предохранительного клапана, в частности, поршня, затвора и седла.
Как и наиболее близкий аналог, заявляемый предохранительный пружинный клапан для сглаживания волны давления в трубопроводе содержит корпус с входным и выходным отверстиями для рабочей среды трубопровода, седло клапана, расположенное в корпусе между входным и выходным отверстиями, затвор, установленный в корпусе с возможностью перемещения затвора для его герметичного соединения с седлом и обратно, пружину, установленную в корпусе с возможностью давления на затвор по направлению к седлу, цилиндр, дополнительно нагружающий затвор, расположенный над затвором, содержащий жидкую среду дополнительного давления на затвор и герметично соединенный внутренней полостью с проходом в корпусе для жидкой среды дополнительного давления, поршень, установленный с возможностью перемещения в дополнительно нагружающем цилиндре.
В отличие от наиболее близкого аналога поршень выполнен в виде полого цилиндра, один торец которого открыт и герметично установлен в дополнительно нагружающем цилиндре, а другой торец неподвижно и герметично соединен с затвором.
Седло может содержать полый открытый цилиндр, имеющий, по меньшей мере, одно отверстие на своей цилиндрической поверхности, а затвор может быть выполнен в виде полого цилиндра, открытый торец которого установлен навстречу торцу цилиндра седла. Причем при закрытом предохранительном клапане цилиндр седла и цилиндрический затвор находятся друг в друге с зазором, цилиндрическая поверхность затвора заслоняет отверстие на поверхности цилиндра седла, герметичное соединение затвора и седла расположено ниже отверстия на поверхности цилиндра седла.
Пружина предохранительного клапана может быть установлена в цилиндрическом поршне.
Герметичность соединения затвора и седла может обеспечиваться за счет уплотнительного кольца из упругого материала, расположенного при закрытом предохранительном клапане между затвором и цилиндром седла.
Эффективная площадь поперечного сечения поршня может быть больше, чем эффективная площадь поперечного сечения затвора.
Предохранительный клапан изображен на фигуре со следующими обозначениями: 1 - корпус; 2 - входное отверстие в корпусе для рабочей среды трубопровода; 3 - выходное отверстие в корпусе для рабочей среды трубопровода; 4 - трубопровод с рабочей средой; 5 - седло; 6 - затвор; 7
- пружина; 8 - дополнительно нагружающий цилиндр; 9 - проход для жидкой среды дополнительного давления; 10 - поршень, 11 - цилиндр седла 5; 12 - отверстие на цилиндрической поверхности седла 5, 13 - пневмогидравлический аккумулятор, 14 - уплотнительное кольцо, 15 - дросселирующий элемент.
Корпус 1 имеет входное отверстие 2, через которое в заявленный предохранительный клапан поступает рабочая среда трубопровода 4 (например, нефть) при возникновении в трубопроводе 4 волны давления. Выходное отверстие 3 в корпусе 1 служит для отвода рабочей среды из предохранительного клапана, например, в линию отвода рабочей среды (на фигуре не показана).
В корпусе 1 между входным отверстием 2 и выходным отверстием 3 расположено седло 5.
Клапан содержит затвор 6, установленный в корпусе 1 с возможностью перемещения затвора 6 для его герметичного соединения с седлом 5 и обратно (для разъединения с седлом 5). Возможность перемещения затвора 6 к седлу 5 и обратно обеспечивается известными средствами, например, такими, как установка затвора 6 на подвижном в осевом направлении штыре (на фигуре позицией не обозначен). Герметичность соединения затвора 6 с седлом 5 достигается за счет,
например, уплотнительного элемента, установленного в месте, где затвор 6 взаимодействует с седлом 5.
В корпусе 1 имеется пружина 7, которая установлена с возможностью давления на затвор 6 по направлению к седлу 5. Для этого пружина может быть выполнена тарельчатой и размещенной на направляющем цилиндрическом штыре (на фигуре позицией не обозначен), который одним концом связан с затвором 6. Другим концом штырь пружины 7 может быть соединен со штоком (на фигуре позицией не обозначен), выходящим по герметично уплотненному каналу (позицией не обозначен) из корпуса 1 и служащим индикатором положения затвора 6. Между пружиной 7 и корпусом 1 может быть размещена цилиндрическая калиброванная вставка (позицией не обозначена), определяющая первоначальное сжатие пружины 7 и, соответственно, давление на затвор 6.
Заявляемый клапан содержит также цилиндр 8, который дополнительно к давлению пружины 7 нагружает затвор 6. Цилиндр 8 расположен над затвором 6 и содержит жидкую среду дополнительного давления на затвор 6. Цилиндр 8 герметично соединен своей внутренней полостью с проходом 9 в корпусе 1. Проход 9 предназначен для жидкой среды дополнительного давления.
По проходу 9 жидкая среда дополнительного давления может покидать предохранительный клапан в случае его открытия и возвращаться в него при закрытии предохранительного клапана. Давление жидкой среды в предохранительном клапане, ее уход и возвращение могут обеспечиваться, например, с помощью пневмогидроаккумулятора 13, соединенного с проходом 9. Общепринятый пневмогидроаккумулятор включает корпус и диафрагму, делящую корпус на два отсека, один из которых содержит газ, такой как азот, а другой жидкость. При этом проход 9 соединен с отсеком для жидкости пневмогидроаккумулятора 13. Газовый отсек пневмогидравлического аккумулятора 13 соединен с источником сжатого газа с регулируемым давлением, например, с баллоном высокого давления. Жидкая среда дополнительного давления может поступать в клапан по проходу 9 непосредственно из трубопровода 4 по линии, содержащей установленные последовательно от трубопровода дросселирующий элемент 15 и пневмогидравлический аккумулятор 13.
В заявленном клапане имеется также поршень 10, который установлен с возможностью перемещения в дополнительно нагружающем цилиндре 8. Поршень 10 выполнен в виде полого цилиндра. Один торец цилиндрического поршня 10 открыт и герметично установлен в дополнительно нагружающем цилиндре 8. Герметичность установки торца поршня 10 в дополнительно нагружающем цилиндре 8
обеспечивается уплотнениями, например, телескопическими уплотнительными элементам (позицией не обозначены), по которым скользит цилиндрический поршень 10 при его перемещении в дополнительно нагружающем цилиндре 8. Другой торец цилиндрического поршня 10 неподвижно и герметично соединен с затвором 6, например, цилиндрический поршень 10 приварен к затвору 6. Таким образом, затвор 6 (а именно: его верхняя поверхность) формирует нижнюю торцевую поверхность цилиндрического поршня 10. Поршень 10 плотно перекрывает поперечное сечение дополнительно нагружающего цилиндра 8 и перемещается в направлении его оси. Седло 5 служит ограничителем перемещения поршня 10 при его нижнем положении в цилиндре 8. Верхняя часть корпуса 1 служит ограничителем перемещения поршня 10 при его верхнем положении в цилиндре 8.
Седло 5 может содержать полый открытый с двух торцов цилиндр 11. Цилиндрическая поверхность цилиндра 11 имеет, по меньшей мере, одно отверстие 12. Цилиндрическая поверхность цилиндра 11 может иметь несколько отверстий 12, например, имеющих прямоугольную форму и равномерно расположенных. Затвор 6 может быть выполнен в виде полого цилиндра, открытый торец которого установлен навстречу торцу цилиндра 11 седла 5. Закрытый торец затвора 6 неподвижно и герметично соединен с поршнем 10. При закрытом предохранительном
клапане цилиндр 11 седла 5 и цилиндрический затвор 6 находятся друг в друге с зазором, например, цилиндр 11 седла 5 находится в цилиндрическом затворе 6. Зазор необходим для свободного перемещения затвора 6 относительно седла 5 при закрытии или открытии предохранительного клапана. Цилиндрическая поверхность затвора 6 заслоняет отверстие (отверстия) 12 при закрытом предохранительном клапане и служит заслонкой, изменяющей площадь отверстия (отверстий) 12. Герметичное соединение затвора 6 и седла 5 расположено ниже отверстия (отверстий) 12 на поверхности цилиндра 11 седла 5. При выполнении этого условия обеспечивается закрытие предохранительного клапана.
Пружина 7 может быть установлена в цилиндрическом поршне 10. В этом случае один конец направляющего цилиндрического штыря, на котором размещена пружина 7, неподвижно соединен непосредственно с затвором 6, например, приварен к затвору 6.
Герметичность соединения цилиндрического затвора 6 и седла 5, содержащего цилиндр 11, может быть обеспечена уплотнительным кольцом 14 из упругого материала, например, резины, расположенным при закрытом предохранительном клапане между затвором 6 и цилиндром 11 седла 5. В примере конкретного исполнения, приведенного на фигуре, уплотнительное кольцо 14 расположено снаружи цилиндра 11 седла 5.
Уплотнительное кольцо 14 расположено у нижнего торца цилиндра 11 седла 5 и, соответственно, ниже отверстия 12. На уплотнительное кольцо 14 опирается край цилиндрического затвора 6 при полном закрытии предохранительного клапана.
Эффективная площадь поперечного сечения цилиндрического поршня 10 может быть больше эффективной площади поперечного сечения цилиндрического затвора 6. Подобное исполнение этих элементов способствует еще большему увеличению давления, действующего на затвор 6 со стороны предохранительного клапана.
Устройство работает следующим образом.
Со стороны трубопровода 4 затвор 6 находится под давлением рабочей среды. Со стороны предохранительного клапана на затвор 6 действует «настроечное» давление: сила начального сжатия пружины 7 и дополнительное давление жидкой среды, находящейся в полом цилиндре поршня 10 и в дополнительно нагружающем цилиндре 8. Когда давление с обеих сторон затвора 6 одинаково, то затвор 6 герметично прижат к седлу 5. Предохранительный клапан закрыт.
Когда в трубопроводе 4 возникнет волна давления, то давление на затвор 6 со стороны трубопровода 4 превысит давление на затвор 6 со стороны предохранительного клапана. Затвор 6 начнет перемещаться вверх. Вместе с затвором 6 вверх перемещается цилиндрический поршень
10, неподвижно и герметично соединенный с затвором 6 одним своим торцом. Другой торец цилиндрического поршня 10 перемещается в дополнительно нагружающем цилиндре 8. При этом объем в предохранительном клапане, содержащий среду дополнительного давления на затвор 6, уменьшается. Жидкая среда дополнительного давления вытесняется через проход 9, например, в отсек для жидкости пневмогидроаккумулятора 13 за счет сжатия газа в другом его отсеке. Затвор 6 разъединяется с седлом 5. Предохранительный клапан открывается.
При открытом предохранительном клапане рабочая среда трубопровода 4 проходит из входного отверстия 2 предохранительного клапана в его выходное отверстие. Выходное отверстие 3 может быть соединено с линией (на фигуре не показана) отвода рабочей среды трубопровода. Отвод рабочей среды трубопровода 4 через предохранительный клапан приводит к снижению давления рабочей среды трубопровода 4 и к сглаживанию волны давления в нем.
При снижении давления рабочей среды трубопровода 4 возвращают жидкую среду дополнительного давления по проходу 9 в дополнительно нагружающий цилиндр 8 и в цилиндрический поршень 10. Если проход 9 соединен с пневмогидроаккумулятором 13, то возврат жидкой среды
дополнительного давления может осуществляться под действием давления газа в газовом отсеке пневмогидроаккумулятора 13.
В случае если седло 5 содержит цилиндр 11, имеющий, по меньшей мере, одно отверстие 12 на своей цилиндрической поверхности, а затвор 6 выполнен цилиндрическим, устройство работает следующим образом. Когда в трубопроводе 4 возникает волна давления, цилиндрический затвор 6 начинает перемещаться вверх. Герметичное соединение затвора 6 и седла 5, расположенное ниже отверстия (или отверстий) 12, размыкается. Цилиндрический затвор 6 перемещается свободно за счет зазора между цилиндром 11 седла 5 и цилиндрическим затвором 6. Цилиндрическая поверхность затвора 6, служащая заслонкой для отверстия (или отверстий) 12, при своем движении вверх изменяет площадь сечения отверстия (или отверстий) 12 и регулирует объем проходящей в предохранительный клапан рабочей среды трубопровода 4. Через отверстие (или отверстия) 12 рабочая среда трубопровода 4 попадает в предохранительный клапан, затем - в выходное отверстие 3, которое может быть соединено с линией (на фигуре не показана) для отвода рабочей среды. Чем в большей степени открывается отверстие (или отверстия) 12, тем в большей степени возрастает расход рабочей среды через предохранительный клапан.
В качестве примера конкретного исполнения на фигуре приведен случай, когда диаметр цилиндрического затвора 6 больше диаметра цилиндра 11 седла 5. То есть при закрытом предохранительном клапане цилиндр 11 седла 5 находится в цилиндрическом затворе 6.
При снижении давления рабочей среды трубопровода 4 возвращают жидкую среду дополнительного давления по проходу 9 в дополнительно нагружающий цилиндр 8 и в цилиндрический поршень 10. Давление жидкой среды в дополнительно нагружающем цилиндре Вив цилиндрическом поршне 10 вместе с усилием сжатия пружины 7 заставляет затвор 6 двигаться вниз. При этом цилиндрическая поверхность затвора 6 заслоняет отверстие (или отверстия) 12 на седле 5. Затем затвор 6 входит в герметичное соединение с седлом 5.
Таким образом, когда давление рабочей среды трубопровода 4 во входном канале 2 превышает заранее установленное «настроечное» давление, рабочая среда перетекает через предохранительный клапан, и давление сбрасывается. Когда давление рабочей среды трубопровода 4 во входном канале 2 снижается до «настроечного» предохранительный клапан закрывается, и рабочая среда трубопровода 4 через него не сбрасывается. Величину «настроечного» давления можно регулировать, например, за счет установки калиброванной по высоте вставки (позицией не обозначена), за счет изменения жесткости пружины и изменения
начального давления газа в газовой полости пневмогидравлического аккумулятора 13 давления. Таким образом, можно регулировать чувствительность предохранительного клапана к моменту срабатывания (начало открытия).
В процессе прохождения волны давления, вызванной различными причинами (остановка насоса или быстрое закрытие арматуры), растет давление во входном отверстии 3, и предохранительный клапан открывается, сбрасывая рабочую среду трубопровода 4 до тех пор, когда давление в трубопроводе 4 не сравняется с "настроечным".
Чтобы реагировать на крутизну повышения давления рабочей среды в защищаемом трубопроводе 4, проход 9 может быть соединен с линией, содержащей установленные последовательно от трубопровода дросселирующий элемент 15 и пневмогидравлический аккумулятор 13. В этом случае рабочая среда трубопровода 4 должна быть жидкой. Когда давление в трубопроводе 4 изменяется медленно, без возникновения волны давления, то давление на затвор 6 со стороны трубопровода 4 и давление на затвор 6 со стороны предохранительного клапана успевают выравниваться. Это происходит за счет медленного перетекания жидкости из трубопровода 4 через дросселирующий элемент 15 в дополнительно нагружающий цилиндр Вив цилиндрический поршень 10. Предохранительный клапан остается закрытым. Тем самым
предотвращаются «ложные» срабатывания предохранительного клапана и сокращает объем отводимой рабочей среды. При высокой скорости роста давления в трубопроводе 4 гидравлическое сопротивление дросселирующего элемента 15 возрастает. Скорость роста давления жидкой среды в предохранительном клапане начинает отставать от роста давления рабочей среды в трубопроводе 4. Давление на затвор 6 со стороны трубопровода 4 становится больше давления на затвор 6 со стороны предохранительного клапана. Предохранительный клапан открывается, осуществляя отвод рабочей среды трубопровода 4 и сглаживая волну давления в трубопроводе 4.
Таким образом, в заявленном предохранительном пружинном клапане достигается увеличение давления, действующего на затвор со стороны предохранительного клапана, за счет большего использования внутреннего объема предохранительного клапана для содержания жидкой среды дополнительного давления на затвор, а также за счет конструктивного исполнения элементов предохранительного клапана, в частности, поршня, затвора и седла. Выполнение затвора в виде полого цилиндра позволяет облегчить затвор и за счет этого дополнительно увеличить давление, действующее на затвор со стороны предохранительного клапана.
Заявленный предохранительный клапан обеспечивает свою надежную работу в трубопроводах с большим расходом жидкости и, следовательно, повышенным давлением без значительного повышения материалоемкости, габаритов, размера элементов, веса, стоимости клапана и усложнения процесса его изготовления.