УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВАРИЙНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДОВ
DEVICE FOR EMERGENCY PIPELINE SHUT OFF

Изобретение относится к запорным устройствам одноразового (взрывного) действия и предназначено для аварийной отсечки каналов, через которые возможен выход в окружающую среду продуктов аварии.
Задачей, стоящей в данной области техники, является быстрое и герметичное перекрытие трубопровода.
Известно устройство аварийного перекрытия трубопроводов высокого давления и большого диаметра, представляющего собой быстродействующий затвор (патент RU 2023925, опубл. 30.11.1994), который содержит седло, установленное в кожухе, поворотную заслонку, снабженную приводом и закрепленную на трубопроводе. На наружной поверхности трубопровода в зоне седла установлен заряд взрывчатого вещества (ВВ) с системой инициирования. На заслонке закреплен накольник. Торцовая поверхность седла выполнена наклонной относительно плоскости, перпендикулярной оси трубопровода. Угол наклона выбирают из математического выражения. При срабатывании привода заслонка, поворачиваясь на оси, перемещается к седлу и входит в него до соприкосновения с торцом. В этот момент накольник ударяет по капсюлю, который, срабатывая, возбуждает детонацию в шнуре кольцевой разводки, что, в свою очередь, инициирует равномерно расположенный но окружности трубопровода заряд ВВ. Взрывом деформируется стенка трубопровода, которая обжимает заслонку, обеспечивая герметичное соединение.
Недостатком известного устройства является достаточно большое время перекрытия трубопровода большого диаметра. Данный недостаток связан с применением в конструкции затвора поворотной дисковой заслонки, которая двигается по дуге, не являющейся кратчайшей траекторией (не рациональная траектория), и наличием в затворе нескольких последовательно срабатывающих и взаимодействующих между собой узлов. Кроме того, использование множества узлов приводит к усложнению устройства и понижению его надежности. Небольшого выигрыша во времени перекрытия можно добиться при подборе, например, определенного угла наклона горновой поверхности седла, оптимизации массогабаритных характеристик заслонки и рычагов, расположения оси вращения и привода заслонки.
Известно другое устройство аварийного перекрытия трубопроводов, представляющее собой отсечной клапан (патент RU 2220349, опубл. 27.12.2003). Устройство содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями, седло, выполненное с возможностью пластической деформации, запорный орган и пиропривод, при этом запорный орган выполнен в виде плунжера со сферическим наконечником большего диаметра, чем плунжер, а седло - в виде втулки с внутренним диаметром, меньшим, чем наружный диаметр сферического наконечника, при этом толщина стенки втулки связана с радиусом запорного органа определенным соотношением, что позволяет обеспечить при срабатывании клапана внедрение запорного органа во втулку и застревание его в ней.
Недостатком данной конструкции является то, что к массе запорного органа предъявляются ограничения. При разгоне и торможении массивного запорного органа возникают большие осевые усилия разгона и торможения, достигающие для клапана с проходным диаметром ~300 мм десятков тонн. Это делает очень сложной задачу неподвижного закрепления клапана на месте применения. Это можно устранить благодаря объединению двух клапанов в единый корпус и полной симметрии, осевые усилия при разгоне и торможении запорных органов полностью замыкаются внутри корпуса, что устраняет реакции этих усилий на местах крепления и значительно упрощает конструкцию крепления сдвоенного клапана.
Известно еще одно устройство для аварийного перекрытия трубопроводов, соединяющих, например, взрывные испытательные комплексы с внешней средой для исключения попадания продуктов взрыва (ПВ), либо радиоактивных аэрозолей разрушенного образца во внешнюю среду (патент на полезную модель RU 143275, опубл. 20.07.2014). Данное устройство представляет собой быстродействующий затвор, и было выбрано в качестве ближайшего аналога. Устройство содержит соединенный с трубопроводом корпус, в котором выполнен канал, перпендикулярный трубопроводу. В канале установлены запорный орган в виде клиновидной заслонки, связанной через толкатель с взрывным приводом, и седло, выполненное с возможностью пластической деформации из материала менее жесткого, чем материал корпуса, и представляющее собой две клиновидные пластины, закрепленные в канале корпуса. Клиновидная заслонка установлена с возможностью поступательного перемещения под действием продуктов взрыва до заклинивания между пластинами. Взрывной привод с зарядом ВВ размешен вне канала, а толкатель частично размещен в канале. Затвор приводится в действие за счет энергии, выделяющейся при детонации заряда ВВ в приводе. Нагружающий импульс через толкатель передается заслонке, в результате чего заслонка быстро набирает скорость, перемещается между пластинами седла и герметично перекрывает трубопровод. За счет клиновидности заслонка внедряется между пластинами седла. При этом контактирующие поверхности седла пластически деформируются, а корпус, выполненный из более жесткого материала, обеспечивает отсутствие смещения и расхождения пластин седла. Заклинивание заслонки в седле препятствует ее отскоку, т.е. обеспечивает перекрытие трубопровода.
Недостатком ближайшего аналога является то, что такое устройство можно использовать только для перекрытия трубопроводов небольшого сечения (20 мм). Для надежного и герметичного перекрытия трубопроводов большого сечения, например для каналов вентиляции в локализующих системах, оно обладает рядом недостатков: необходимо большое количество ВВ, при этом нагружающий импульс направлен не только на толкатель, но и рассеивается впустую в окружающую среду, что требует увеличение нагружающего импульса.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение эффективности применения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для аварийного перекрытия трубопроводов, включающем соединенный с трубопроводом корпус с каналом, перпендикулярным трубопроводу, в котором размещен снабженный взрывным приводом запорный орган, с возможностью поступательного перемещения в канале под действием ПВ, образующихся при подрыве заряда ВВ, новым является то, что- запорный орган выполнен с внутренней полостью цилиндрической формы;
- канал в зоне пересечения с трубопроводом - конической формы;
- запорный орган - в форме усеченного конуса;
- угол конусности канала соответствует углу конусности запорного органа и составляет 5-10°;
- диаметр меньшего основания запорного органа соответствует поперечному сечению канала в зоне пересечения с трубопроводом на высоте 0,6-0,8 от высоты канала в этой зоне;
- в качестве взрывного привода используют установленный в полости запорного органа газодинамический источник давления (ГИД);
- диаметр наружной поверхности ГИД совпадает с размером полости запорного органа;
- в его корпусе, со стороны зоны пересечения канала с трубопроводом, выполнено отверстие, закрытое разрушаемой мембраной;
- напротив мембраны установлен заряд ВВ;
- заряд ВВ детонационно связан с источником инициирования, размещенным вне корпуса ГИД;
- запорный орган и ГИД закреплены на корпусе устройства с формированием свободного объема между внутренней стенкой запорного органа и мембраной.
В расчетном месте остановки запорного органа в канале, в зоне пересечения его с трубопроводом, может быть выполнен выступ.
На выступе может быть выполнен зуб, обращенный в сторону запорного органа.
Торец запорного органа может быть снабжен срезаемой фаской, которой он опирается на корпус устройства.
Выполнение канала в зоне пересечения с трубопроводом конической формы, а запорного органа в виде усеченного конуса, с углом конусности канала, соответствующим углу конусности запорного органа и составляющим 5-10°, известным под названием «угла Морзе», обеспечивает надежное заклинивание поршня в канале и герметичное перекрытие трубопровода.
Соответствие диаметра меньшего основания запорного органа и поперечного сечения конического канала в зоне пересечения его с трубопроводом на высоте 0,6-0,8 высоты канала в этой зоне позволяет начать торможение запорного органа и его пластическую деформацию до полного перекрытия трубопровода, что обеспечивает герметичность перекрытия.
Выполнение запорного органа с внутренней полостью цилиндрической формы позволяет обеспечить его компактность размещения узлов и уменьшение веса запорного органа, что позволяет меньше энергии затрачивать для его перемещения.
Применение в качестве взрывного привода ГИД, который устанавливают в полости запорного органа, обеспечивает при компактности конструкции и уменьшенном количестве ВВ создание требуемого давления образовавшихся при детонации ВВ продуктов взрыва и увеличение скорости перемещения запорного органа, что позволяет использовать устройство для перекрытия трубопроводов большого диаметра.
Выполнение диаметра корпуса ГИД, совпадающим с диаметром цилиндрической полости запорного органа позволяет использовать корпус ГИД в качестве направляющей движения запорного органа и препятствует выходу ПВ между стенками ГИД и запорным органом.
Наличие разрушаемой мембраны позволяет эффективно выравнивать давление внутри ГИД и обеспечивает уменьшение бризантного действия на стенки запорного органа, что снижает ограничение на размер отверстия для выхода ПВ из ГИД.
Сформированный свободный объем между внутренней стенкой запорного органа и мембраной позволяет мембране беспрепятственно раскрываться и обеспечить требуемый режим выхода ПВ из ГИД.
Выполнение детонационной связи заряда ВВ с источником инициирования, размещенным вне корпуса ГИД, позволяет применять различные источники инициирования для передачи детонационного импульса заряду ВВ, которые можно устанавливать непосредственно перед применением устройства, что обеспечивает безопасность обращения и повышает надежность задействования заряда ВВ ГИД.
Выполнение выступа на внутренней стенке канала в расчетном месте остановки запорного органа позволяет после торможения запорного органа в канале остановить его движение в требуемом месте.
Для предотвращения образования гофр на боковой поверхности запорного органа при его торможении выполняют на выступе зуб, направленный в сторону запорного органа.
Выполнение на торце запорного органа срезаемой фаски, которой он опирается на корпус устройства, позволяет надежно закрепить его перед использованием и обеспечить отрыв запорного органа при малых затратах энергии.
На чертеже схематично представлена конструкция заявляемого устройства,
где 1 - корпус, 2 - запорный орган, 3 - камера ГИД, 4 - заряд ВВ, 5 - средство инициирования заряда ВВ (электродетонатор), 6 - разрывная мембрана.
1
2
1
2
1
2
2
2
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства аварийного перекрытия трубопроводов может служить взрывной затвор, предназначенный для быстрого и герметичного перекрытия трубопровода с проходным диаметром D=250 мм системы вентиляции взрывоопасного экспериментального участка. Затвор состоит из корпуса, который подсоединен к трубопроводу. В корпусе выполнен канал для размещения запорного органа, связанного с взрывным приводом, в качестве которого использован ГИД, основным элементом которого является заряд ВВ. ГИД представляет собой массивную цилиндрическую камеру. Запорный орган выполнен в форме усеченного конуса с углом конусности 10° и полым. Внутренняя полость запорного органа выполнена цилиндрической формы для размещения ГИД, диаметр камеры которого равен диаметру внутренней полости запорного органа. Канал в зоне пересечения с трубопроводом выполнен с конической поверхностью и с тем же углом конусности, что и запорный орган. На торце запорного органа, выполненного большим диаметром, сформирована фаска, которой он опирается на корпус. На противоположных торцах камеры ГИД выполнены два отверстия диаметрами D и D. Соотношение диаметров D /D <0,01. В камере расположен заряд ВВ, который соединен с электродетонатором детонирующим шнуром, пропущенным через отверстие диаметром D. Электродетонатор расположен вне корпуса ГИД. Отверстие корпуса ГИД, выполненное диаметром D, закрыто тонкой стальной мембраной толщиной δ, выполненной с тремя радиальными насечками глубиной (0,3-0,6)δ. Между внутренней стенкой запорного органа и мембраной сформирован свободный объем. В расчетном месте остановки запорного органа в канале, в зоне пересечения его с трубопроводом, выполнен выступ. На выступе выполнен зуб, обращенный в сторону запорного органа.
Взрывной затвор действует следующим образом.
При нарушении целостности трубопровода в силу различных причин: нарушение может быть значительным вплоть до полного разрушения трубопровода или частичным - трещина, но в любом случае это связано с местной деформацией трубопровода. В этом случае задействуют электродетонатор 5, детонирующим импульсом которого через детонирующий шнур инициируют заряд ВВ 4. Массу заряда ВВ 4 подбирают исходя из требуемого для перемещения запорного органа давления, возникающего внутри ГИД и в свободном объеме, а также в зависимости от вызываемого этим давлением напряжения в конструктивных элементах устройства, чтобы оно не превышало предел текучести их материалов. Продукты взрыва воздействуют на мембрану 6, прорывая ее, и истекают через отверстие камеры, выполненное диаметром, в свободный объем между внутренней стенкой запорного органа 2 и мембраной 6. Время разрыва мембраны достаточно для установления внутри камеры 3 и в свободном объеме квазиравновесного состояния. Под действием давления продуктов взрыва запорный орган 2 начинает движение, отрываясь от фаски. Разгон запорного органа продолжается до смыкания его наружной поверхности со стенкой канала корпуса 1. Затем начинается торможение запорного органа на высоту канала, соответствующую перекрытию трубопровода на величину 0,6-0,8 D. При этой величине происходит замыкание зазора между запорным органом и каналом и герметичное перекрытие трубопровода, Угол конусности запорного органа и канала обеспечивает заклинивание запорного органа при его вдавливании, обеспечивая надежное его удержание и герметичность места контакта после останова запорного органа. Остановка осуществляется при ударе по выступу в конце его движения. Зуб, выполненный на выступе, предотвращает образование гофр на боковой поверхности запорного органа при его торможении. Т.о. обеспечивается быстрое и надежное перекрытие трубопровода большого диаметра (250 мм).
Применение заявляемого изобретения позволяет предотвращать катастрофическое развитие аварийной ситуации при нарушении целостности трубопровода и свести к минимуму материальный и экологический ущерб от аварии.