ВЗРЫВОЗАЩИТНЫЙ КЛАПАН
EXPLOSION-PROOF VALVE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для взрывозащиты технологического оборудования.
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является взрывозащитный клапан по патенту РФ №2379569, F16D 3/04 (прототип), содержащий корпус клапана, затвор, теплоизолирующий и разрывной элементы.
Недостатком известного решения является сравнительно невысокая надежность срабатывания футерованного грузового затвора при распространении ударной взрывной волны.
Технический результат - повышение эффективности защиты технологического оборудования от взрывов путем увеличения демпфирования футерованного грузового затвора.
Это достигается тем, что в взрывозащитном клапане, содержащем корпус клапана, теплоизолирующий и разрывной элементы, футерованный грузовой затвор, подвижно соединенный с корпусом клапана, при этом корпус клапана выполнен в виде нижней цилиндрической, средней конической и верхней цилиндрической частей, причем в нижней цилиндрической части размещен футерованный грузовой затвор, перекрывающий отверстие в корпусе защищаемого объекта, а в верхней цилиндрической части корпуса клапана размещен теплоизоляционный элемент и герметизирующая мембрана, прижимаемая к корпусу клапана посредством крышки, шарнирно соединенной с рычагом, взаимодействующим с отбойником, а узел крепления разрывного элемента крепится своей верхней частью на рычаге, а нижней - к верхней цилиндрической части корпуса клапана, и состоит из проволоки, стопорного болта, вилки, рычага крышки клапана, гайки, двух барабанов, расположенных соответственно в вилке рычага крышки клапана и в вилке верхней цилиндрической части корпуса клапана, при этом концы проволоки вставляются в отверстия барабанов и затем наматываются на них, а зазор h между вилками составляет порядка (1,5÷3) от диаметра проволоки, а параметры клапана находятся в следующих оптимальных интервалах величин:
а=D/Dy=1,5÷2,0; b=H/L=1,3÷1,8; с=H/Dy=2,5÷3,0,
где Dy - диаметр верхней цилиндрической части корпуса 3 клапана, равный максимальному размеру отверстия корпуса 1 защищаемого объекта: О - диаметр нижней цилиндрической части корпуса 3 клапана; Н - высота клапана в сборе; L - максимальный габаритный размер клапана в плане, подвижное соединение футерованного грузового затвора с основанием корпуса клапана выполнено в виде трех вертикально установленных стержней в отверстиях, выполненных в периферийной части корпуса футерованного грузового затвора, при этом нижней частью стержни закреплены в основании корпуса клапана, а в верхней части имеют демпфирующее устройство, закрепленное на горизонтальных перемычках стержней и обращенное в сторону грузового затвора, а каждое из трех демпфирующих устройств закреплено на горизонтальной перемычке, жестко соединенной со стержнем и выполненной в виде круглого диска, на котором закреплено посредством винтов основание демпфирующего устройства, выполненного из жесткого вибродемпфирующего материала типа «Агат», которое соединено со втулкой из эластомера, имеющей центральное отверстие, через которое проходит стержень, а втулка имеет по крайней мере три отверстия, соосных со стержнем, в которых расположены упругие элементы, например цилиндрические винтовые пружины, верхний торец которых посредством крепежных элементов соединен с основанием демпфирующего устройства, а нижний - находится в свободном состоянии и выступает за нижнюю плоскость втулки на расстояние, определяемое усилием, развиваемым ударной взрывной волной, упругие элементы, расположенные во втулке, для увеличения демпфирования в системе выполнены в виде цилиндрических винтовых пружин со встроенным демпфером, каждая из которых содержит цилиндрическую винтовую пружину, состоящую из двух частей со встречно направленными концами, одна часть из которых имеет витки прямоугольного сечения, а другая часть пружины выполнена полой, при этом встречно направленный конец первой части размещен в полости второй, зазоры сегментного профиля контактирующих частей пружины заполнены антифрикционной смазкой, при этом на конце второй части пружины установлена уплотнительная манжета для предотвращения утечки смазки, а первую часть винтовой пружины, выполненную с витками прямоугольного сечения с закругленными кромками, охватывает трубка из демпфирующего материала, например полиуретана, а зазоры, в первой части винтовой пружины, выполненной с витками прямоугольного сечения, которую охватывает трубка из демпфирующего материала, заполнены крошкой из фрикционного материала, зазоры в первой части винтовой пружины, выполненной с витками прямоугольного сечения, которую охватывает трубка из демпфирующего материала, заполнены крошкой из фрикционного материала, выполненного из композиции, включающей следующие компоненты, при их соотношении, мас. %: смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол в соотношении 1:(0,2-1,0); в количестве 28÷34%; волокнистый минеральный наполнитель, содержащий стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0); в количестве 12÷19%: графит в количестве 7÷18%; модификатор трения, содержащий технический углерод в виде смеси с каолином и диоксидом кремния в количестве 7÷15%; баритовый концентрат в количестве 20÷35%; тальк в количестве 1,5÷3,0%.
На фиг. 1 изображен фронтальный разрез взрывозащитного клапана, на фиг. 2 - узел крепления разрывного элемента, на фиг. 3 - схема демпфирующего устройства, на фиг. 4 - вариант выполнения упругих элементов 25, расположенных во втулке 23, выполненных в виде цилиндрических винтовых пружин со встроенным демпфером.
Взрывозащитный клапан устанавливается на корпус 19 защищаемого объекта посредством крепежных элементов 20 и содержит футерованный грузовой затвор 2, подвижно соединенный с основанием 1 корпуса 3 клапана.
Подвижное соединение футерованного грузового затвора 2 с основанием 1 корпуса клапана выполнено в виде трех вертикально установленных стержней 10 в отверстиях, выполненных в периферийной части корпуса футерованного грузового затвора 2. При этом нижней частью стержни 10 закреплены в основании 1 корпуса клапана, а в верхней части имеют демпфирующее устройство 11, закрепленное на горизонтальных перемычках 12 стержней 10 и обращенное в сторону грузового затвора 2.
Каждое из трех демпфирующих устройств 11 (фиг. 3) закреплено на горизонтальной перемычке 12, жестко соединенной со стержнем 10 и выполненной в виде круглого диска, на котором закреплено посредством винтов 22 основание 21 демпфирующего устройства, выполненного из жесткого вибродемпфирующего материала типа «Агат», которое соединено со втулкой 23 из эластомера, имеющей центральное отверстие, через которое проходит стержень 10. Втулка имеет по крайней мере три отверстия 24, соосных со стержнем 10, в которых расположены упругие элементы 25, например цилиндрические винтовые пружины, верхний торец которых посредством крепежных элементов 26 соединен с основанием 21 демпфирующего устройства, а нижний - находится в свободном (неподжатом) состоянии и выступает за нижнюю плоскость втулки 23 на расстояние, определяемое усилием, развиваемым ударной взрывной волной.
Корпус клапана 3 выполнен в виде нижней цилиндрической, средней конической и верхней цилиндрической частей, причем в нижней цилиндрической части размещен футерованный грузовой затвор 2, перекрывающий отверстие диаметром Dy в корпусе 1 защищаемого объекта. В верхней цилиндрической части корпус 3 клапана размещен теплоизоляционный элемент 4 и герметизирующая мембрана 5, прижимаемая к корпусу клапана посредством крышки 6, шарнирно соединенной с рычагом 8, взаимодействующим с отбойником 7. Узел 9 крепления разрывного элемента (проволоки) крепится своей верхней частью гайкой 16 на рычаге 8, а нижней - к верхней цилиндрической части корпуса 3 клапана. Узел крепления разрывного элемента состоит из проволоки 18, стопорного болта 13, вилки 14, рычага 15 и двух барабанов 17, расположенных соответственно в вилке 14 и в вилке верхней цилиндрической части корпуса 3 клапана. Концы проволоки 18 вставляются в отверстия барабанов 17 и затем наматываются на них при их вращении обычным гаечным ключом. После достаточного натяжения проволоки барабаны 17 фиксируются стопорными болтами 13. Важно заметить, что давление срабатывания клапана зависит только от прочности проволоки 18 и не зависит от силы ее натяжения. Чтобы срабатыванию клапана не предшествовали большие пластические деформации проволоки, ее длина, а следовательно, и зазор h должны быть минимальными. Зазор h должен быть порядка (1,5÷3)d, где d - диаметр проволоки. Чтобы крепление концов проволоки было надежным и не допускало их вытягивания из отверстий в барабане, на него должно быть намотано не менее трех витков. Откидная крышка 6 через рычаг 8 удерживается в закрытом положении при разрывном элементе 9, роль которого выполняет проволока калиброванного сечения. Для полной герметизации клапана используется мембрана 5 из алюминиевой фольги или из полимерного материала. Под действием давления в защищаемом аппарате мембрана прижимается к крышке и таким образом через рычаг 8 все усилие от давления передается на шарнир рычага и разрывную проволоку 18. Сама же мембрана при этом оказывается практически полностью разгруженной и на давление срабатывания клапана (разрыв проволоки 18) существенного влияния не оказывает. В этом смысле мембрана не является расчетным элементом конструкции взрывного клапана.
Если в защищаемом аппарате 1 происходят технологические процессы при высоких температурах, то для тепловой защиты мембраны 5 и других деталей клапана предусмотрены два уровня теплоизоляции. Первый из них представляет собой грузовой затвор 2, футерованный огнеупорным материалом, а второй - минеральную вату, асбестовую крошку или другой термостойкий пористый материал 4, уложенный в корзину из металлических прутьев или полос. Затвор 2 не обеспечивает герметичного перекрытия сбросного отверстия защищаемого аппарата 1, он свободно лежит на нем, а слегка прослабленные цепи 10 служат лишь для центровки затвора 2, т.е. для предотвращения его больших смещений относительно сбросного отверстия.
Футерованный грузовой затвор 2 защищает корпус 3 клапана от прогорания в случае высокой температуры в защищаемом аппарате, а засыпка 4 еще больше снижает температуру в зоне расположения мембраны 5.
Для получения наибольшей эффективности взврывозащиты производственного оборудования взрывозащитный клапан имеет параметры, которые находятся в следующих оптимальных интервалах величин: а = D/Dy = 1,5÷2,0; b = H/L = 1,3÷1,8; с = H/Dy = 2,5÷3,0,
где Dy - диаметр верхней цилиндрической части корпуса 3 клапана, равный максимальному размеру отверстия корпуса 1 защищаемого объекта;
D - диаметр нижней цилиндрической части корпуса 3 клапана;
Н - высота клапана в сборе; L - максимальный габаритный размер клапана в плане (на виде сверху).
Взрывозащитный клапан работает следующим образом.
Давление в защищаемом аппарате воздействует на крышку 6, так как затвор 2 перекрывает входное отверстие негерметично и при быстром повышении давления он может приподниматься, а теплоизоляционный слой 4 порист. При срабатывании клапана крышка 6 отбрасывается до упора в отбойники 7, засыпка 4 потоком газа выбрасывается из полости клапана, а затвор 2 приподнимается вверх, насколько позволяет длина удерживающих его стержней 10, при этом частичное поглощение взрывной энергии приходится на демпфирующие устройства 11, закрепленные на горизонтальных перемычках 12. При этом сначала сжимаются упругие элементы 25, например цилиндрические винтовые пружины, нижние торцы которых находятся в свободном (неподжатом) состоянии, а затем энергию взрыва гасят втулки 23 из эластомера, например литьевого полиуретана совместно с упругими элементами 25, при этом имеет место помимо демпфирования в материале втулок 23 еще и сухое трение упругих элементов 25 о боковые поверхности отверстий 24, расположенных во втулках 23 из эластомера.
После окончания сброса газов затвор 2 и крышка 7 опускаются вниз и закрывают сбросное отверстие клапана. При этом герметичность клапана полностью не восстанавливается, однако интенсивный подсос воздуха из атмосферы в полость защищаемого аппарата, который может вызвать вторичный взрыв в оборудовании, исключается.
После срабатывания клапана и устранения причин, вызвавших взрыв в оборудовании, клапан должен быть восстановлен, т.е. необходимо в корзину уложить теплоизоляционный слой.
Для химической и других смежных отраслей промышленности, продукты которых и ценны и исключительно вредны для окружающей среды, условие полной герметичности следует рассматривать как приоритетное, в значительной мере определяющее область возможного их применения.
Возможен вариант, когда упругие элементы 25, расположенные во втулке 23, для увеличения демпфирования в системе выполнены в виде цилиндрических винтовых пружин со встроенным демпфером (фиг. 4).
Цилиндрическая винтовая пружина со встроенным демпфером содержит цилиндрическую винтовую пружину, состоящую из двух частей 29 и 30 со встречно направленными концами 32 и 31 соответствующих витков этих пружин. На опорных витках пружины выполнены опорные кольца 27 и 28 для прочной и надежной фиксации концов пружин при их работе.
Первая часть винтовой пружины 29 выполнена с витками прямоугольного (или квадратного) сечения с закругленными кромками, а вторая часть 30 пружины выполнена полой, например круглого сечения, при этом встречно направленный конец 32 первой части пружины размещен в полости встречно направленной второй части пружины с концом 31, при этом второй ее конец, закрепленный на опорном кольце 28, загерметизирован, например, при помощи резьбовой пробки (на чертеже не показана).
В полости второй части 30 пружины, выполненной полой круглого сечения, образованы с четырех сторон, относительно прямоугольного сечения первой части 29 пружины, зазоры 33 сегментного профиля в сечении, перпендикулярном оси контактирующих частей 29 и 30 пружины.
Для лучшей регулировки жесткости пружины (без задиров, заминов и заеданий) зазоры 33 сегментного профиля контактирующих частей 29 и 30 пружины заполнены антифрикционной смазкой, например вязкой типа «солидол», при этом на конце 31 второй части пружины установлена уплотнительная манжета (на чертеже не показана) для предотвращения утечки (потери) смазки. Такая конструкция представляет собой своеобразный демпфер «вязкого трения» с протяженным дроссельным элементом в виде зазоров 33 сегментного профиля контактирующих частей 29 и 30 пружины, которые в этом случае будут являться аналогами системы соответственно «поршень-цилиндр».
Первую часть 29 винтовой пружины, выполненную с витками прямоугольного (или квадратного) сечения с закругленными кромками, охватывает трубка 34 из демпфирующего материала, например полиуретана, которая создает в системе виброзащиты трение, величина которого повышается при подходе системы к резонансному режиму, что и является аналогом демпфера «сухого трения».
Зазоры в первой части 29 винтовой пружины, выполненной с витками прямоугольного сечения, которую охватывает трубка 34 из демпфирующего материала, заполнены крошкой из фрикционного материала (на чертеже не показано).
Возможен вариант, когда зазоры в первой части винтовой пружины, выполненной с витками прямоугольного сечения, которую охватывает трубка из демпфирующего материала, заполнены крошкой из фрикционного материала, выполненного из композиции, включающей следующие компоненты, при их соотношении, мас.%: смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол в соотношении 1:(0,2-1,0); в количестве 28÷34%; волокнистый минеральный наполнитель; содержащий стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0); в количестве 12÷19%: графит в количестве 7÷18%; модификатор трения, содержащий технический углерод в виде смеси с каолином и диоксидом кремния в количестве 7÷15%; баритовый концентрат в количестве 20÷35%; тальк в количестве 1,5÷3,0%.
Цилиндрическая винтовая пружина со встроенным демпфером работает следующим образом.
Регулировка жесткости пружины осуществляется укорочением или удлинением высоты пружины. При вращении опорных колец 27 и 28 витки пружины перемещаются относительно друг друга во взаимно противоположных направлениях относительно продольной оси пружины, т.е. ввинчиваются или вывинчиваются. В первом случае (при ввинчивании) жесткость пружины увеличивается, а во втором случае (при вывинчивании) - уменьшается, что позволяет упростить регулировку жесткости пружины и повысить демпфирование в системе.