РАЗРЫВНАЯ МУФТА
BREAKING CLUTCH

Изобретение относится к нефтегазовой области, а именно к устройствам систем перелива и транспортировки сжиженного природного газа, в частности к стыковочным узлам стендера.
Разрывная муфта используется в системе аварийного разъединения и предназначена для автоматического разъединения стендера с приемно-отливными патрубками трубопроводов в случае аварийной ситуации, например, при возникновении значительных осевых усилий, вызванных дрейфом судна.
Уровень техники
Известна разрывная муфта, предназначенная для аварийного разъединения трубопроводов, содержащая запорный клапан, соединительную часть, открывающие и закрывающие клапаны, механизм отделения трубопровода для высвобождения соединения, направляющий элемент, прикрепленный к трубопроводу и выполненный с возможностью соединения с трубопроводом, блок управления для управления механизмом отделения (патент JP 2012184837, опубл. 27.09.2014 г.).
Недостатком этого устройства является высокая уязвимость исправности работы устройства из-за сложной системы взаимодействия двух гидроцилиндров для разъединения разрывной муфты. Первый гидроцилиндр поворачивает цапфы разъединителей шарового клапана, и тем самым закрывает их, когда под действием второго гидроцилиндра раскрывается хомут.
Также известен элемент системы аварийной остановки передачи текучей среды (патент WO 2016182066 A1, опубл. 19.03.2019). Система включает в себя корпус, шар, верхний и нижний шток, систему уплотнений с первичным и вторичным уплотнением, содержащую прижимной механизм.
Недостатком этого устройства является высокий риск разгерметизации вторичного уплотнения в закрытом положении, и как следствие, всего устройства, поскольку в системе уплотнений используются одинаковые первичное и вторичное уплотнители, выполненные таким образом, что герметичность вторичного уплотнения будет определятся только усилием пружины, которая поджимает кольцо к уплотнению, а в случае превышения усилия от давления на кольцо над усилием пружины произойдет разгерметизация уплотнения. При попадании давления в полость муфты в закрытом положении при прорыве первичного уплотнения вторичное уплотнение разгерметизируется под воздействием давления на поверхность седла, поскольку, возникшая от давления сила, воздействующая на седло, превышает поджимное усилие от действия пружины.
Также, недостатком системы является затрудненное переключение шара из режима «Открыто» (прохождение текучей среды) в режим «Закрыто» (перекрытие потока текучей среды) из-за того, что давление не уравновешивается. Это объясняется тем, что давление из зоны проходного диаметра (зона транспортировки продукта) не попадает во внутреннюю полость изделия и не уравновешивается. Это уменьшает ресурс работы устройства.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство аварийного отсоединения системы перекачки текучей жидкости (патент KR 101649796 В1, опубл. 30.08.2016 г.). Устройство позволяет закрыть клапан в разрывной муфте, когда в устройстве для перекачки текучей среды возникает угроза неисправности из-за внешних факторов. Устройство представляет собой два шаровых клапана, соединенных между собой хомутом, каждый из которых содержит контур уплотнений перекрытия потока текучей среды. Работа контура уплотнений в шаровом клапане позволяет предотвратить утечку текучей среды, одновременно предотвращая повреждение системы путем разъединения муфты.
Недостатком этого устройства является высокий риск разгерметизации контуров уплотнений шарового клапана в закрытом положении (перекрытие потока текучей среды) в случае аварийного разъединения клапанов ввиду отсутствия двухконтурной системы защиты. Также к недостаткам можно отнести высокий риск повреждения хомута и его возможность зацепления за элементы системы аварийного разъединения из-за отсутствия ограничения хода.
Раскрытие сущности изобретения
Предлагаемая разрывная муфта применяется в морских стендерах, которые используются в погрузочно-разгрузочных операциях сжиженного природного газа на морских/речных терминалах, обеспечивающих соединение береговых трубопроводов с приемно-отливными патрубками трубопроводов на судне. Разрывная муфта обеспечивает закрытие канала продукта при аварийном разрыве системы трубопровода.
Задачей разрывной муфты является повышение надежности герметичного соединения при разъединении муфты и повышение ресурса работы устройства.
Технический результат заключается в совместной и последовательной работе двух контуров уплотнений каждого из клапанов, создающей двойной барьер герметизации при осуществлении разъединения устройства и повышающей надежность герметичности, а также в снижении нагрузок при переключении клапанов в закрытое положение, что облегчает их переключение и исключает возможность перекоса шара (заклинивания), тем самым повышая ресурс работы устройства.
Решение озвученной технической проблемы достигается тем, что в разрывной муфте с проходным каналом для текучей среды, имеющей в своем составе два клапана, соединенных между собой хомутом, механический разъединитель с приводом, который посредством толкателя обеспечивает закрытие и разъединение клапанов разрывной муфты, согласно изобретению, каждый клапан содержит:
основной и вспомогательный корпус, расположенные соосно с упором в торец и возможностью скрепления посредством резьбового соединения;
шар с проходным каналом для текучей среды, соединенный с основным корпусом посредством неподвижной и подвижной опор, зафиксированных в посадочных местах основного корпуса, при этом подвижная опора через установленную на нее цапфу входит в сопряжение с толкателем привода и осуществляет вращательное перемещение шара для перекрытия проходного канала;
два контура уплотнений - первичный и вторичный, расположенных в посадочных местах основного и вспомогательного корпусов и состоящих из:
группы пружин, расположенных эксцентрично к оси проходного канала;
уплотнения шар-седло и уплотнения кольцо-седло отличной конфигурации для каждого контура, прижимающихся посредством группы пружин к поверхности шара;
кольца и седла, имеющих отличную конфигурацию для каждого контура уплотнений и расположенных концентрично оси проходного канала,
при этом, в случае потери герметичности первичного контура уплотнений в закрытом положении, вторичный контур уплотнений выполнен с возможностью поддержания герметичности разрывной муфты за счет усилия поджима, возникающего благодаря разности давлений на торцевых гранях элементов и конструктивно обеспеченным зазорам между элементами контура уплотнений.
В первичном контуре зазоры расположены между кольцом и седлом с одной стороны и кольцом и вспомогательным корпусом с другой, а во вторичном контуре зазоры расположены между седлом и основным корпусом с одной стороны, и седлом и шаром - с другой.
В открытом положении (при прохождении продукта) первичный и вторичный контуры уплотнения позволяют осуществлять герметизацию соединения посредством поджима уплотнения шар-седло к шару за счет передачи усилия от группы пружин, причем в первичном уплотнении возможность герметизации одновременно обеспечивается усилием, возникающим вследствие разницы давлений на торцевых поверхностях кольца в обеспеченных зазорах между кольцом и седлом с одной стороны, и кольцом и вспомогательным корпусом - с другой стороны.
В закрытом положении устройства (при перекрытии потока текучей среды) осуществляется последовательная совместная работа контуров уплотнений за счет различной конфигурации, и при потере герметичности первичного уплотнения срабатывает контур вторичного, тем самым обеспечивая надежность герметизации всего устройства. Это обеспечивает надежность работы устройства и исключает возможную утечку транспортируемого материала во внешнюю среду.
Конфигурация первичного контура уплотнений отличается от конфигурации вторичного контура уплотнений формой кольца, седла и уплотнения кольцо-седло. Конструкция разрывной муфты содержит ловушку для хомута, которая позволяет ограничить ход хомута при его раскрытии и защитить тем самым от ударов, повреждений и зацепления элементов системы аварийного разъединения. Защелка хомута содержит срезной штифт для фиксации защелки, что обеспечивает ее защиту от самораскрытия. Сопрягаемые поверхности хомута и шайбы в месте их соединения выполнены в форме полусферы, что исключает заклинивание при разъединении.
Цапфы выполнены с возможностью реализации гидравлического и ручного управления ключом.
В конструкции разрывной муфты предусмотрена возможность реализации контроля герметичности контуров уплотнений перекрытия потока текучей среды. В этом случае в корпусе муфты создается канал вывода с заглушкой и расположенным на ней датчиком давления.
Седла первичного и вторичного контуров уплотнений подвижны и поджимаются к шару под воздействием пружины. Благодаря этому исключается возможный перекос установки уплотнений шар-седло относительно шара и обеспечивается плотный контакт в месте их прижима, в результате чего обеспечивается высокая герметичность соединения
В конструкции муфты предусмотрен срезной винт, предназначенный для фиксации цапфы от возможного поворота и закрытия клапана при воздействии толкателя.
В устройстве разрывной муфты существует возможность реализации канала для продувки азотом для криогенного исполнения. Низкая температура эксплуатации исключает использование смазки, поэтому следует использовать систему продувки азотом. Продувку азотом осуществляют в целях устранения конденсата, то есть обеспечивают выдувку конденсата, чтобы конденсат не кристаллизовался в лед. Продувку азотом осуществляют до начала перекачки продукта по трубопроводу стендера, а также во время перекачки и после. Цапфа (механизм поворота для перевода шара в положение открыто/закрыто) при этом содержится сухой и заполненной азотом.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведен общий вид разрывной муфты;
на фиг. 2 - общий вид разрывной муфты, вид сбоку;
на фиг. 3 - разрывная муфта в положении «Открыто»;
на фиг. 4 - Вид А. Первичный контур уплотнения;
на фиг. 5 - Вид Б. Вторичный контур уплотнения в положении «Открыто»;
на фиг. 6 показана разрывная муфта в положении «Закрыто», где Р - давление;
на фиг. 7 - Вид В. Вторичный контур уплотнения для положения «Закрыто».
на фиг. 8 - увеличенное изображение вторичного контура уплотнений с выполненным скосом на уплотнителе кольцо-седло;
на фиг. 9 - сопрягаемые хомут и шайба.
на фиг. 10 - общий вид разрывной муфты в варианте исполнения со вторым гидроцилиндром.
Осуществление изобретения
Разрывная муфта состоит из клапанов 1 и 2, скрепленных между собой хомутом 3 и защелкой 4 со срезным штифтом 5 (фиг. 1, 2). На корпусах клапанов установлены кронштейны 6, 7. На кронштейне 6 установлен гидроцилиндр 8, на штоке которого закреплен толкатель 9. На кронштейне 7 установлен толкатель 10 с упором толкателя 11, а также закреплены винт срезной 12 и винт упорный 13. На обратной стороне толкателей 9, 10 закреплены пластины упорные 14, 15 (показаны штрихпунктирной линией на фиг. 2). Цапфы 16, 17 установлены на подвижных опорах 18 клапанов 1, 2. На клапане 2 закреплена ловушка 19. Опоры зафиксированы в посадочных местах основного корпуса 20 (фиг. 3).
Устройство работает следующим образом. Продукт (например, сжиженный природный газ) прокачивается под давлением через внутренний проходной диаметр изделия. При возникновении экстренной ситуации, через управляющий сигнал срабатывает гидроцилиндр, шток гидроцилиндра выдвигается, при этом установленный на нем толкатель 9 упираясь в толкатель, 10 сдвигает их вниз. При движении толкателей вниз пластины упорные 14, 15 одновременно поворачивают цапфы 16, 17 до контакта с упорным винтом 13, при этом срезается винт срезной 12 и обеспечивается закрытие проходного диаметра изделия. Далее упор толкателя 11 входит в контакт с защелкой хомута 4 и, сдвигая ее вниз, срезает срезной штифт 5 и раскрывает хомут 3. Ловушка 19, установленная на клапан 2 служит для ограничения хода хомута 3 при его раскрытии (фиг. 1).
Муфта в положении «Открыто» представлена на фиг. 3 и содержит систему уплотнений перекрытия потока текучей среды клапана, шар 21, основную полость клапана 22 и полость муфты 23. Шар зафиксирован с помощью подвижной 18 и неподвижной 24 опор, зафиксированных в посадочном месте основного корпуса 20.
Система уплотнений перекрытия потока текучей среды состоит из первичного (фиг. 4) и вторичного (фиг. 5) контуров уплотнений.
Работа разрывной муфты в части уплотнений перекрытия потока текучей среды (без продукта) осуществляется следующим образом: группа пружин 25 поджимает кольцо 26 к уплотнению шар-седло 27, а то, в свою очередь, воздействуя на седло 28, поджимает уплотнение кольцо-седло 29 к шару 21, замыкая тем самым контур (фиг 4, 5).
1
2
В открытом положении герметичность в первичном контуре уплотнений обеспечивается поджимом и прилеганием уплотнения шар-седло 27, расположенного в седле 28 к шару 21 за счет передачи силы от группы пружин 25, расположенных в отверстиях (углублениях) вспомогательного корпуса 30 концентрично оси перетока продукта через кольцо 26 и за счет возникновения силы из-за разности давлений на торцевых гранях кольца 26, благодаря выполненным зазорам между кольцом 26 и седлом 28 с одной стороны и кольцом 26 и вспомогательным корпусом 30 - с другой. При этом эффект возникновения разницы давления достигается за счет расположения уплотнительного элемента кольцо-седло 29, расположенного линейно между кольцом 26 и седлом 28 и диаметрально между вспомогательным корпусом 30 и седлом 28 таким образом, что площадь S заведомо меньше площади S.
Герметичность во вторичном контуре уплотнений при открытом положении разрывной муфты обеспечивается поджимом и прилеганием уплотнения шар-седло 27 расположенного в седле 28 к шару 21 за счет передачи силы от группы пружин 25, расположенных в отверстиях (углублениях) основного корпуса 20 концентрично оси перетока продукта через кольцо 26, благодаря выполненным зазорам между седлом 28 и основным корпусом 20 с одной стороны и седлом 28 и шаром 21 - с другой. При этом уплотнение кольцо-седло 29 расположено линейно между кольцом 26 седлом 28 и диаметрально между основным корпусом 20 и седлом 28, а форма торцевых поверхностей седла 28 выполнена таким образом, что площадь S3 сопоставима по размерам с площадью S4, в результате чего усилие поджима от давления продукта не образуется.
6
5
При закрытии клапана разрывной муфты первичный контур уплотнений перекрытия потока текучей среды работает аналогично положению «Открыто». В случае утечки (разгерметизации) в первичном контуре уплотнений продукт проникает в полость муфты 23 (фиг. 6), давление продукта Р через выполненные зазоры между кольцом 26 и седлом 29 с одной стороны, и кольцом 26 и основным корпусом 20 - с другой, воздействует на торцевые поверхности кольца 26, при этом площадь S выполнена заведомо больше площади S (фиг. 7).
При этом герметичность вторичного контура уплотнений обеспечивается поджимом и прилеганием уплотнения шар-седло 27 расположенного в седле 28 к шару 21 за счет передачи силы от группы пружин 25, расположенных в отверстиях (углублениях) основного корпуса 20 концентрично оси перетока продукта через кольцо 26 и усилием поджима, образующимся из-за разности давлений на торцевых гранях кольца 26 (фиг. 7).
Это позволяет обеспечить двойной контур (барьер) защиты герметизации, когда один контур уплотнений дублирует функцию другого.
Во вторичном контуре уплотнений возможно исполнение уплотнения кольцо-седло 29, прилегающего к кольцу 26 со скосом (фиг. 8). В этом случае в открытом положении усилие давления за счет роста давления продукта на торцевую поверхность кольца превышает усилие от воздействия пружин на кольцо 26, что влечет за собой разгерметизация и образование зазора между седлом 28 и кольцом с уплотнением 29 и выравнивание давления в полости муфты 23. Это обеспечивает снятие нагрузки с шара 21 и его более плавное и не напряженное переключение в закрытое положение.
Сопрягаемые поверхности хомута 3 и шайбы 31 в месте их соединения выполнены в форме полусферы, что исключает заклинивание при разъединении (фиг. 9).
В конструкции разрывной муфты возможен вариант использования привода 32 (гидроцилиндра), который соединен с вилкой 33 с гнездом цапфы 10 и устанавливается на стойке 34, которая закреплена на кронштейне 5 (фиг. 10).
Также возможна установка на кронштейне 5 датчика положения 35, который будет определять положение штока гидроцилиндра 27.
Таким образом, благодаря предлагаемому конструктивному решению разрывной муфты обеспечивается последовательная работа первичного и вторичного контуров уплотнений в закрытом положении, когда при потере герметичности первичного контура уплотнений срабатывает вторичный и в каждом клапане разрывной муфты обеспечивается надежная герметизация разрывной муфты, что позволяет разъединить трубопроводы, не теряя транспортируемого вещества и предотвращая его утечку во внешнюю среду, повышая таким образом надежность работы устройства. При этом при открытом проходном канале для потока текучей среды вторичный контур уплотнений обеспечивает возможность разгерметизации и выравнивания давления между пространством первичного и вторичного контуров уплотнений (полость муфты 23) и проходном канале для потока текучей среды (полость клапана 22) за счет превышения усилия группы пружин давлением текучей чреды, в результате чего снимается нагрузка на шар и происходит легкое и плавное вращательно перемещение, что позволяет увеличить ресурс работы устройства.