ШАРОВОЙ КРАН С ТРОЙНОЙ СИСТЕМОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНОЙ СРЕДЫ
BALL VALVE WITH TRIPLE SAFETY SYSTEM FOR EXPLOSIVE ENVIRONMENT

Изобретение относится к области машиностроения, а именно - к узлам и деталям средств предотвращения случайного или самопроизвольного действия, преимущественно - к предохранительным клапанам.
Устройство может быть использовано в сетях газораспределения и газоснабжения, а также в технологических линиях с жидкими и газообразными взрывоопасными средами в качестве многофункционального запорного устройства, обеспечивающего перекрытие трубопровода при ручном управлении оператором и перекрытие трубопровода в автоматическом режиме без участия людей в случае возникновения аварийных ситуаций, связанных с разрывом трубопровода и возникновением пожара.
Известен шаровой кран с тройной системой безопасности для взрывоопасной среды, содержащий корпус, внутри которого в уплотнениях установлена шаровая пробка с проходным отверстием, управляемая шпинделем с рукояткой оснащенной блокировкой, выполненной с возможностью предотвращения случайного открытия крана - первый элемент тройной системы безопасности, включающей в себя второй элемент - отсечной клапан с подпружиненным затвором, выполненный с возможностью предотвращения утечки взрывоопасной среды при разрыве трубопровода и третий элемент - термозапорный клапан с подпружиненным толкателем и плавкой вставкой, выполненной с возможностью его фиксации и предотвращения выброса взрывоопасной среды в зону пожара (Инструкция по эксплуатации «Газовый кран VAIT foglio omb 88888226.fh11», 2010 г. URL: https://omb-saleri.it/wp-content/uploads/2019/07/888882262.pdf).
Данному техническому решению присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, оно имеет назначение, совпадающее с назначением изобретения и является наиболее близким по достигаемому результату, поэтому оно принято за прототип.
Недостатком прототипа является низкая чувствительность термозапорного клапана к повышению температуры до значения, необходимого для его срабатывания и отсечного клапана к падению давления в трубопроводе. Это связано с тем, что плавкая вставка термозапорного клапана находится внутри потока рабочей среды по оси патрубка крана и в результате этого со всех сторон охлаждается потоком.
Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении интервала времени до срабатывания системы безопасности при пожаре или разрыве трубопровода.
Эта задача решается созданием шарового крана с отсечным и термозапорным клапаном, позволяющего сократить время срабатывания системы безопасности за счет повышения скорости его срабатывания путем повышения чувствительности плавкой вставки и оптимизации соотношения площади рабочей поверхности клапана и жесткости его пружины. Это позволяет аварийно перекрыть трубопровод в самом начале пожара или разрыва трубопровода.
Ниже приведены общие и частные существенные признаки, характеризующие причинно-следственную связь заявленного решения с указанным техническим результатом на основании оценки уровня техники.
Шаровой кран с тройной системой безопасности для взрывоопасной среды содержит корпус, внутри которого в уплотнениях установлена шаровая пробка с проходным отверстием, управляемая шпинделем с рукояткой оснащенной блокировкой, выполненной с возможностью предотвращения случайного открытия крана - первый элемент тройной системы безопасности, включающей в себя второй элемент - отсечной клапан с подпружиненным затвором, выполненный с возможностью предотвращения утечки взрывоопасной среды при разрыве трубопровода и третий элемент - термозапорный клапан с подпружиненным толкателем и плавкой вставкой, выполненной с возможностью фиксации толкателя при нормальной температуре окружающей среды и его расфиксирования после повышения температуры окружающей среды в результате пожара. Толкатель сопряжен с затвором отсечного клапана с целью его перемещения и предотвращения выброса взрывоопасной среды в зону пожара. Указанная рукоятка оснащенная блокировкой выполнена Г-образной и насажена, выполненным в ее длинной полке отверстием на шпиндель. К короткой полке одним концом шарнирно прикреплена S-образная скоба, закрепленная на шпинделе между верхней и нижней гайками. Между верхней гайкой и длинной полкой Г-образной рукоятки установлена пружина. В закрытом состоянии крана конец короткой полки Г-образной рукоятки введен в глухой паз, выполненный на цилиндрическом выступе на корпусе. Свободный конец S-образной скобы входит в кольцевой паз на указанном выступе, выполненный с возможностью поворота скобы в пределах угла 90°. Второй элемент системы безопасности - отсечной клапан и третий элемент - термозапорный клапан функционально объединены, посредством того, что затвор отсечного клапана установлен подвижно в отверстии входного колена Г-образного проходного отверстия в шаровой пробке.
При этом затвор отсечного клапана поджат своей пружиной к толкателю термозапорного клапана, навинченному на один конец выполненной в виде шпильки плавкой ставки, другой конец которой ввинчен в заглушку в корпусе. Между заглушкой и толкателем в его исходном положении при открытом затворе размещена в сжатом состоянии пружина, а оси элементов отсечного и термозапорного клапанов совмещены с продольной осью шпинделя.
Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан продольный разрез шарового крана; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 в положении шаровой пробки "открыто"; на фиг. 3 - то же, что и на фиг. 2 в положении шаровой пробки "закрыто"; на фиг. 4 показан шаровой кран с закрытым отсечным клапаном; на фиг. 5 показан шаровой кран после срабатывания термозапорного клапана.
Шаровой кран с тройной системой безопасности для взрывоопасной среды (фиг. 1) содержит корпус 1, штуцер 2 и заглушку 3, соединенные с корпусом 1 посредством резьбовых соединений, шпиндель 4, шаровую пробку 5 с г-образным проходным отверстием, образованным пересечением двух глухих отверстий, выполненных в виде входного колена 6 и выходного колена 7.
Ось входного колена 6 проходного отверстия совпадает с осью вращения шаровой пробки 5, а ось выходного колена 7 проходного отверстия в положении шаровой пробки 5 "открыто" совпадает с осью штуцера 2.
В корпусе 1 размещены: сальниковое уплотнение 8 шпинделя; уплотнение 9; отсечной клапан, который содержит затвор 10, выполненный с возможностью перемещения во входном колене 6 проходного отверстия шаровой пробки 5; толкатель 11 термозапорного клапана, нагруженный пружиной 12, расположенной между толкателем 11 и заглушкой 3.
Плавкая вставка 13, например, имеющая вид шпильки, изготовлена из легкоплавкого материала, расположена соосно с осью вращения шаровой пробки 5 и соединяет толкатель 11 с заглушкой 3.
Пружина 14, расположенная во входном колене 6 проходного отверстия шаровой пробки 5 поджимает затвор 10 отсечного клапана к толкателю 11 термозапорного клапана.
S-образная скоба 15, средней полкой установлена перпендикулярно шпинделю 4 и зафиксирована верхней гайкой 16.
Г-образная рукоятка 17 короткой полкой 18 подвижно соединена с верхней полкой скобы 15 с помощью оси 19.
В положении шаровой пробки 5 "открыто" под действием пружины 20 рукоятка 17 короткой полкой 18 поджата к цилиндрической проточке на корпусе 1 (фиг. 2).
На цилиндрической проточке на корпусе 1 выполнено два паза: кольцевой 21 и глухой 22, в кольцевой паз 21 входит нижняя полка скобы 15 с возможностью поворота вместе с шпинделем 4 в пределах угла 90°.
В положении шаровой пробки 5 "закрыто" (фиг. 3) под действием пружины 20 короткая полка 18 рукоятки 17 входит в глухой паз 22, фиксируя тем самым шпиндель 4 от поворота при случайной попытке открытия крана. Места соединений корпуса 1 со штуцером 2 и заглушкой 3 уплотнены кольцами 23 и 24.
Шаровая пробка 5 поджата к уплотнению 9 тарельчатой пружиной 25 через подвижное седло 26. На торце подвижного седла 26 выполнены каналы для свободного прохода рабочей среды.
Таким образом, функционально шаровой кран имеет следующие три элемента системы безопасности.
Первый элемент предотвращает случайное открытие крана: в положении шаровой пробки 5 "закрыто" под действием пружины 20 короткая полка 18 рукоятки 17 входит в глухой паз 22, фиксируя тем самым шпиндель 4 от поворота при случайной попытке открытия крана.
Второй элемент системы безопасности (фиг. 4). - подпружиненный затвор 10 отсечного клапана, предотвращающий утечку взрывоопасной среды при разрыве трубопровода за счет перекрытия входного колена 6 Г-образного проходного отверстия в шаровой пробке 5.
Третий элемент (фиг. 5) - термозапорный клапан с подпружиненным толкателем 11 и плавкой вставкой 13, выполненной с возможностью фиксации толкателя 11 при нормальной температуре окружающей среды и его расфиксирования после повышения температуры окружающей среды вызванного пожаром, в результате чего подпружиненный толкатель 11 перемещает затвор 10 отсечного клапана и перекрывает входное колено 6 Г-образного проходного отверстия в шаровой пробке 5 с целью предотвращения подачи взрывоопасной среды в зону пожара.
Второй элемент системы безопасности - отсечной клапан и третий элемент - термозапорный клапан функционально объединены, посредством того, что, подпружиненный затвор 10 отсечного клапана установлен подвижно в отверстии входного колена 6 Г-образного проходного отверстия в шаровой пробке 5 и является рабочим органом, приводимым в действие или толкателем 11 или потоком рабочей среды со стороны входного патрубка крана.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Т.е., совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное техническое решение не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, или такие решения выявлены, но не подтверждена известность влияния отличительных признаков на указанный в материалах заявки технический результат.
Т.е. заявленное решение имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование этих признаков в заявленной совокупности существенных признаков дает возможность получить новый технический результат - уменьшение интервала времени до срабатывания системы безопасности при пожаре или разрыве трубопровода.
Следовательно, предложенное техническое решение может быть получено только путем творческого подхода и неочевидно для среднего специалиста в этой области, т.е. имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии изобретения указано его назначение, оно может быть осуществлено промышленным способом для обеспечения безопасности продуктопроводов взрывоопасных сред.
Изобретение осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки, приведенные в формуле изобретения относятся к существенным, поскольку они влияют на возможность решения указанной в заявке технической проблемы и получение обеспечиваемого изобретением технического результата, то есть находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом и, поэтому являются существенными.
Изобретение в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлено с помощью средств и методов, описанных в Инструкции по эксплуатации «Газового крана VAIT foglio omb 88888226.fh11, ставшей общедоступной до даты приоритета изобретения.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Осуществление заявленного изобретения достигается реализацией указанного назначения.
Шаровой кран с тройной системой безопасности для взрывоопасной среды работает следующим образом.
Техническая задача повышения чувствительности плавкой вставки термозапорного клапана к повышению температуры в результате пожара решается за счет того, что плавкая вставка выполнена в виде шпильки и расположена в стороне от потока рабочей среды и установлена на резьбе в заглушке рядом с наружной поверхностью крана.
Техническая задача повышения чувствительности срабатывания отсечного клапана при разрыве трубопровода решается за счет того, что пружина и затвор установлены во входном колене проходного отверстия шаровой пробки и к ним без демонтажа крана с трубопровода при снятой заглушке обеспечен свободный доступ, что позволяет произвести точную регулировку усилия пружины или ее замену с целью оптимизации соотношения площади рабочей поверхности клапана и жесткости пружины в соответствии с конкретным расходом рабочей среды при котором должно произойти срабатывание отсечного клапана.
В открытом положении в шаровом кране (фиг. 1) выходное колено 7 Г-образного проходного отверстия в шаровой пробке 5 совпадает с отверстием в штуцере 2.
Поток рабочей среды из трубопровода попадает через отверстие в патрубке корпуса 1 во внутреннюю полость корпуса, меняет направление под углом 90 градусов, затем через входное 6 и выходное 7 колена Г-образного проходного отверстия в шаровой пробке 5, попадает в штуцер 2 и далее в трубопровод.
При необходимости закрыть шаровой кран необходимо повернуть рукоятку 17 по часовой стрелке на угол 90° не нажимая на нее до упора нижней полки скобы 15 в торец кольцевого паза 21 (фиг. 3).
В положении шаровой пробки 5 "закрыто" под воздействием пружины 20 короткая полка 18 рукоятки 17 входит в глухой паз 22, фиксируя тем самым шпиндель 4 от поворота, что не допускает случайное открытие крана. В положении "закрыто" шаровая пробка 5 перекрывает проход для рабочей среды. Для открытия крана, необходимо длинную полку рукоятки 17 нажать вниз, в результате чего короткая полка 18 рукоятки 17 выходит из глухого паза 22, и после этого повернуть рукоятку 17 против часовой стрелки на угол 90°, до упора нижней полки скобы 15 в торец кольцевого паза 21 (фиг. 2).
В случае разрыва трубопровода, расположенного после открытого шарового крана, давление в штуцере 2 падает и стремится к атмосферному (фиг. 4), скорость потока рабочей среды, проходящей через входное 6 и выходное 7 колена Г-образного проходного отверстия в шаровой пробке возрастает, на затворе 10 отсечного клапана возникает перепад давления, в результате чего затвор 10, преодолевая усилие пружины 14 перемещается вместе с потоком рабочей среды во входном колене Г-образного проходного отверстия 6 в шаровой пробке 5 и герметично перекрывает проход в шаровой пробке 5. Подбором усилия пружины 14 можно изменять расход рабочей среды, при котором происходит закрытие затвора 10 отсечного клапана. После закрытия затвора 10 отсечного клапана, для восстановления работоспособности шарового крана необходимо кран закрыть, в результате этого затвор 10 отсечного клапана под действием пружины 14 переместится обратно в исходное положение и после устранения причин, повлекших увеличение расхода рабочей среды, кран может быть снова открыт.
Термозапорный клапан - автоматическое устройство, которое функционирует без внешних источников питания и не требует технического обслуживания.
Подвижный элемент 11 (фиг. 5), термозапорного клапана приводится в действие пружиной 12, которая при нормальных условиях зафиксирована в сжатом состоянии термочувствительным элементом - шпилькой 13 (фиг. 1), изготовленной из легкоплавкого материала и выполняющей функцию плавкой вставки.
При нормальных условиях эксплуатации шарового крана шпилька 13 соединяет подвижный элемент 11 с заглушкой 3. В случае возникновения пожара при достижении температуры окружающей среды, например равной 95-105°С, материал из которого изготовлена шпилька 13 плавится, в результате чего сила сжатия пружины 12 перемещает подвижный элемент 11 вместе с затвором 10 отсечного клапана, который преодолевая усилие пружины 14 перемещается во входном колене 6 Г-образного проходного отверстия и герметично перекрывает проход в шаровой пробке 5.
При пожаре термозапорный клапан может удерживать рабочую среду при температуре до 925°C в течение 60 минут.
После выгорания уплотнения 9 под воздействием тарельчатой пружиной 25 шаровая пробка 5 упирается в штуцер 2, при этом обеспечивается контакт металл по металлу, что в свою очередь, обеспечивает герметичность шарового крана в условиях пожара при повышенной температуре.
После срабатывания, термозапорного клапана для восстановления работоспособности шарового крана требуется замена термочувствительного элемента - шпильки 13.
Использование изобретения позволяет в автоматическом режиме аварийно перекрыть поток рабочей среды в зону пожара с целью обеспечения возможности его тушения, предотвращения катастрофического развития аварийной ситуации, снижения вероятности человеческих жертв и размера материальных потерь, а также обеспечить недопущение попадания рабочей среды в окружающую среду в случае разрушения трубопровода за шаровым краном. Кроме этого использование изобретения позволяет предотвратить случайное открытие крана, например детьми, при его установке в квартире или жилом доме перед газовой плитой, газовой колонкой или котлом.
В изобретении работа механизма автоматического перекрытия рабочей среды в случае разрыва трубопровода осуществляется за счет энергии потока рабочей среды. Работа механизма автоматического перекрытия рабочей среды в случае возникновения пожара осуществляется за счет энергии сжатой пружины. Недопущение случайного открытия крана осуществляется за счет конструкции рукоятки.