ЗАТВОР ПОВЫШЕННОЙ ГЕРМЕТИЧНОСТИ И ВИБРАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ С УСИЛЕННЫМ СТОПОРЕНИЕМ И РАЗГРУЗОЧНЫМ КРУГОВЫМ КОЛЬЦОМ ДЛЯ СОСУДОВ И АППАРАТОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ВНУТРЕННИМ ИЛИ НАРУЖНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
GATE OF RAISED PRESSURE TIGHTNESS AND VIBRATION RESISTANCE WITH INCREASED STOPPING AND RELIEF CIRCULAR RING FOR VESSELS AND UNITS OPERATING UNDER INTERNAL OR EXTERNAL PRESSURE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к герметичным затворам для сосудов и аппаратов, работающих под внутренним или наружным давлением или вакуумом.
Аналогом (прототипом) является изобретение RU 2346197 C1 «Затвор повышенной герметичности и вибрационной стойкости с усиленным стопорением для сосудов и аппаратов, работающих под внутренним или наружным давлением». Признаками аналога, совпадающими с заявляемым изобретением являются:
а) наличие отбортовок на крышке и корпусе затвора, направленных в противоположные стороны;
б) форма отбортовок, выполненная по параболе или окружности;
в) наличие уплотнителя Х-образной формы, выполненного эластичным с лепестками, расположенными на отбортовках по всей окружности уплотнителя с выпуклыми уплотнительными поясками по центру симметрично вертикальной оси уплотнителя;
г) наличие у Х-образного уплотнителя лепестка, расположенного на отбортовке корпуса, имеющего сплошной замковый паз, в который входит кромка отбортовки корпуса;
д) наличие металлических нажимных и эластичных колец, уложенных в отбортовках крышки и корпуса;
е) нажимные кольца, которые крепятся к эластичному кольцу с помощью винтов, ввертываемых в резьбовые отверстия, выполненные в металлическом нажимном кольце;
ж) наличие центрирующих стопоров из электровибрационных материалов, закрепленных на внутренней поверхности кромки отбортовки крышки;
з) нажимное и эластичное кольца в отбортовке корпуса, которые центрируются лепестком замкового паза уплотнителя;
и) наличие откидных расположенных равномерно по окружности захватов, имеющих нажимную носовую часть, хвостовую с роликом, и спинку захвата, выполненную в виде наклонной плоскости. Спинка захвата, прилегающая к наружному силовому кольцу, выполнена в продольном сечении по логарифмической спирали;
к) наличие наружного силового кольца с внутренним конусом, угол наклона образующей конуса к горизонтальной оси составляет 3-6°;
л) наличие хомутного стягивающего устройства, которое при затяжке равномерно по всему периметру прижимает лепестки уплотнителя к отбортовкам; хомутное стягивающее устройство представляет собой замкнутое металлическое кольцо с затяжным устройством, состоящим из двух щек на концах кольца, между которыми расположен затяжной винт, и эластичный стержень, расположенный на полочках, закрепленных на щеках, и отстоящее от щита на некотором расстоянии; поверхность эластичного стержня, прилегающего к лепесткам уплотнителя, выполнена седловидной; радиус кривизны поверхности в каждом сечении эластичного стержня имеет точку касания с лепестками, образуя вдоль седла линию касания, а при затянутом состоянии охватывающего кольца - узкую поверхность касания; охватывающее металлическое кольцо подвешено сверху на двух тросиках, перекинутых через блоки, установленные на кронштейнах, закрепленных на корпусе сосуда или аппарата.
К недостаткам аналога можно отнести следующие факторы:
- наличие направляющих для перемещения кронштейнов не позволяет разместить дополнительно по окружности захваты, которые снизили бы нагрузку на каждый захват;
- приварка элементов направляющих для кронштейнов, а также необходимость их для закрепления болтами увеличивает трудоемкость изготовления затвора;
- возможно заклинивание кронштейнов в направляющих при больших нагрузках (давлениях);
- размещение копиров сбоку от захватов усложняет конфигурацию кронштейнов, повышает трудность их изготовления;
- увеличивается нагрузка на ось ролика из-за консольности ее закрепления.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, по сравнению с аналогом являются следующие:
- разгрузка корпуса сосуда от моментных нагрузок кронштейнов;
- устранение приварки элементов направляющих для кронштейнов и необходимости их закрепления болтами;
- размещение копиров соосно с захватами;
- увеличение ширины захвата за счет центрального расположения копира;
- замена консольного закрепления оси ролика на закрепление по типу двухопорной балки;
- возможность регулировки копиров при их установке.
Поставленная задача решается тем, что затвор повышенной герметичности и вибрационной стойкости с усиленным стопорением и разгрузочным круговым кольцом для сосудов и аппаратов, работающих под внутренним или наружным давлением, имеет на крышке и корпусе отбортовки, направленные в противоположные стороны с распложенным между ними Х-образным уплотнителем, при этом в конструкции затвора применено разгрузочное круговое кольцо, изолированное от корпуса сосуда круговой эластичной прокладкой, которое за счет своей собственной жесткости освобождает корпус сосуда от изгибающих моментов, действующих от захватов, принимая нагрузку на себя; в связи с соосными копирами и захватами расположение копиров увеличивает ширину захватов; для крепления ролика копира применена схема двухопорной балки; копиры выполнены из прутков круглого поперечного сечения со сплюснутыми и загнутыми в горячем состоянии концами и крепятся болтами, ввернутыми в полку, расположенную в выемке силового кольца; для коррекции неточности сборки и обеспечения свободы движения ролика по копиру крепление копира выполнено таким образом, чтобы он мог поворачиваться вокруг крепящего его болта на некоторый угол; при необходимости этот болт можно затянуть; для этого снимается накладка, под которой находится Г-образный выступ, закрепленный винтом; винт откручивается, Г-образный выступ смещается вправо, обеспечивая доступ для затяжки болта.
На фиг.1 показан продольный разрез затвора в закрытом положении, на фиг.2 - вид сверху с разрезом А-А.
Затвор состоит из откидных захватов 1 (фиг.1, 2), расположенных равномерно по окружности и имеющих нажимную носовую часть, хвостовую с роликом 12, который имеет две реборды. Наружное силовое кольцо 2 (фиг.1, 2) имеет прорезь, в которую заходит ролик 12 в верхнем положении с размещенным в ней копиром 10, закрепленным болтом 11.
На корпус надето разгрузочное круговое кольцо 3 (фиг.1, 2) через эластичную прокладку 6. К разгрузочному кольцу с помощью болтов 5 крепятся кронштейны 4.
2
Усилие от силового кольца 2 (фиг.1, 2) на упорную усиленную резьбу передается через уголок 9 с расположенными равномерно по окружности болтами 8 на стойки 7, приваренные к корпусу через прокладку равномерно по окружности. В предлагаемой конструкции ширина захвата увеличена за счет центрального положения копира. Это увеличило прочность захвата, так как он работает на изгиб и момент сопротивления bh/6 (ширина входит в первой степени). Замена консольного закрепления оси копира на двухопорную схему балочного типа снижает нагрузку на ось ролика и предохраняет ролик от бокового заклинивания.
Применено поворотное крепление прутковых копиров 10 (фиг.1, 2) на приварной полке с помощью болтов 11. Такое крепление копиров позволит проводить регулировку их при установке поворотом копиров вокруг оси болта 11 с последующим закреплением.
Наибольшее напряжение у внутренних углов сечения кольца, где ρ=c и
определим по формуле [С.П.Тимошенко. Сопротивление материалов, том второй, ОГИЗ, Гостехиздат, 1946 с.164-165]
t
где M- распределенный по окружности момент от внешней нагрузки,
ρ - средний радиус кольца,
h - высота сечения кольца,
с - внутренний радиус сечения,
d - наружный радиус кольца.
Формула (1) показывает, что с увеличением h напряжение уменьшается. Мы берем величину h такой, чтобы при заданных нагрузках напряжения не превышали допустимых значений, в предлагаемом изобретении h - это длина кольца. В рассматриваемом случае высота h втулки (кольца) и ее длина - это одно и то же.
2
Рассмотрим работу затвора диаметром 500 мм с разгрузочным круговым кольцом при давлении 100 кг/см:
сила давления внутренней среды на внутреннюю расчетную площадь крышки 212400 кг (см. табл. №1, фиг.3). Для гарантии увеличим расчетную силу давления в 1,1 раза, получим 212400×1,1=233640 кг.
Внутренний радиус кольца R=26+2,6=28,6 см. Длина окружности внутреннего кольца 2π×28,6=179,7 см. Сила, приходящаяся на единицу длины окружности:
t
Момент M, скручивающий кольцо:
Изгибающий момент в каждом из поперечных сечений:
t
Mρ=7150×27,3=195195 кг·см
Наибольшее напряжение в кольце находим по формуле (1):
Количество захватов, размещаемых на окружности:
2 πR:4,5=179,7:4,5=39,933≈40 захватов.
Сила, действующая на один захват
233640:40=5841 кг.
Момент, действующий на один захват:
5841 кг × 5,5 см=32125,5 кг·см.
Момент воспринимается 2 болтами (парой сил), действующей на плече 7 см.
Нагрузка на один болт:
32125 кг·см : 7 см=4589 кг.
Принимаем болт M12 с внутренним диаметром резьбы - 10 мм.
Напряжение в болте:
Материал болта - сталь 30ХГСА с пределом текучести
T
2
σ=835 МПа (85 кг/мм)
Допускаемое напряжение по международному стандарту ANSI/API 6A - 2003 п.4.3.3.2. Сказано, что «методология конструирования, описанная в ASME, раздел VIII, глава 2, приложение 4, может использоваться для расчета при конструировании оборудования, работающего под давлением. Напряжения, допустимые в конструкции, ограничиваются следующими критериями:
m
y
S=2/3 S,
m
где S - интенсивность напряжений конструкции при номинальном рабочем давлении;
y
S - минимальный предел текучести материала».
y
2
[σ]=2/3 S=5666,1 кг/см.
Запас прочности по допускаемому напряжению:
Превышение составляет (1,25-1,23)/1,25=0,016 (1,6%), что допустимо.
Варьированием расстояния между болтами конструктор может управлять фактическим напряжением в болтах.
Давление на уплотнитель
2
р=F/Syпл
2
р=212400·1,1/518=451,042 кг/см≈45,1 МПа
Запас по герметичности:
45,1 МПа/10 МПа=4,51
Запас прочности на сжатие полиуретанового уплотнителя:
137 МПа/45,1 МПа=3,038
Материал уплотнителя - полиуретан. Согласно техническим условиям ТУ 2252-008-0023476-2002 с датой введения 2003-04-18. По данным завода-изготовителя (Ижевский завод пластмасс) допустимая прочность уплотнителя на сжатие - 137 МПа.
Полиуретан применяется на Курганском заводе «Корвет» для изготовления нефтегазовой арматуры давлением 70 МПа.