ЗАТВОР КОНЦЕВОЙ БАЙОНЕТНЫЙ
END BAYONET VALVE

Изобретение относится к закрывающим элементам для сосудов высокого давления, установленных посредством подвижных креплений на откидных рычагах, выполненным с возможностью оперативного исследования сосудов на герметичность с помощью устройств, чувствительных к давлению и измерению температуры внутри сосудов с помощью термочувствительных датчиков. Рассмотренный в настоящей заявке затвор может применяться в нефтегазовой промышленности для перекрытия концевых и тупиковых участков трубопроводов, работающих под давлением.
Из уровня техники известен байонетный затвор (SU 655853 A1, МПК F16J 13/02, B01J 3/02, опубл. 05.04.1979), который содержит фланец корпуса, фланец крышки, а также зубья фланцев. На зубьях установлены сухари, имеющие наклонные рабочие поверхности для обеспечения самоторможения. Сухари установлены на зубья на штифтах и закреплены винтами. Сопрягаемые поверхности сухарей и зубьев выполнены перпендикулярно к продольной оси фланцев, что дает возможность обработать сухари отдельно, а установочные поверхности зубьев выполнить с одной установки на карусельном станке.
Недостатком известного технического решения является его низкая технологичность, связанная со сложной конструкцией крышки затвора, предусматривающей применение двух фланцев. Кроме того, конструкция затвора не обеспечит необходимой герметичности концевых участков трубопроводов, работающих под высоким давлением.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан затвор концевой байонетный (RU 2621127 C1, МПК F16J 13/20, опубл. 31.05.2017). Затвор включает в себя полый корпус, имеющий неподвижную часть с наружной многозаходной прямоугольной резьбой и вращающуюся часть с внутренней ответной многозаходной прямоугольной резьбой. Крышка закреплена на откидном рычаге и устанавливается на уплотнительной поверхности неподвижной части корпуса с возможностью поворота на оси первого подшипникового узла перпендикулярной плоскости крышки.
Недостатком известного технического решения является отсутствие в его конструкции встроенных средств диагностики текущего состояния текучей среды в трубопроводе, а именно ее давления и температуры, что ограничивает возможности затвора по использованию его не только в качестве запорного элемента, но и в качестве узла мониторинга текущего состояния трубопровода.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей байонетного затвора с одновременным повышением надежности его конструкции.
Указанная задача решена тем, что затвор концевой байонетный содержит полый цилиндрический корпус, на торец которого, снабженный уплотняющей манжетой, размещенной в кольцевой канавке, соединенной с внутренней полостью корпуса сквозными отверстиями, заглушенными пробками, надета крышка, установленная на узле шаровой опоры откидного рычага с возможностью поворота вокруг своей оси, а упомянутый рычаг шарнирно установлен в опоре, закрепленной на боковой поверхности корпуса, на штоке, снабженном шкивом, с возможностью фиксации в полностью открытом положении. Крышка совместно с корпусом образуют запорное устройство, выполненное в виде байонетного соединения, при этом крышка снабжена выступами, охватываемыми выполненными на корпусе пазами. На внешней поверхности крышки закреплен узел осевого поворота, состоящий из зубчатой планки-сектора с ручкой и приводной зубчатой шестерни, установленной на первой или второй осях, закрепленных на корпусе, при этом планка-сектор выполнена с возможностью зацепления с упомянутой приводной зубчатой шестерней, с обеспечением возможности предварительного и полного взаимного поворота крышки и корпуса, причем в конце участка предварительного поворота крышка имеет возможность осевого перемещения на высоту уступов, выполненных на выступах крышки.
Затвор снабжен первым предохранительным узлом, представляющим собой шток, подвижно установленный в отверстии, ось которого перпендикулярна оси корпуса, с возможностью вхождения штока в соосное ему отверстие, выполненное в крышке, для блокирования ее открытия. Шток с помощью рычага связан со штоком выпускного крана, установленного на выходе патрубка, введенного внутрь корпуса, а к выходу крана присоединен патрубок для сброса рабочей среды. Дополнительно затвор снабжен вторым предохранительным узлом, представляющим собой подпружиненный тарированной пружиной цилиндрический фиксатор, установленный в крышке, выполненный с возможностью упора в откидной рычаг при наличии давления в трубопроводе. Для мониторинга текущего состояния текучей среды в трубопроводе внутрь корпуса затвора введены датчик давления и датчик температуры; выходы упомянутых датчиков подключены к измерительным входам телеметрического блока, выполненного на основе микроконтроллера, при этом упомянутый блок выполнен с возможностью подключения к нему модуля беспроводной связи.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков байонетного затвора, является возможность его использования в качестве запорного устройства, а также как элемента удаленного контроля и мониторинга состояния трубопровода за счет применения в его конструкции датчиков давления и температуры и телеметрического блока. Дополнительно, за счет применения первого и второго предохранительного узла, обеспечивается повышение безопасности использования байонетного затвора.
Конструкция байонетного затвора поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен упрощенный внешний вид затвора в изометрической проекции; на фиг. 2 представлен внешний вид затвора спереди в закрытом состоянии; на фиг. 3 представлен внешний вид затвора слева; на фиг. 4 представлен внешний вид затвора спереди в открытом состоянии; на фиг. 5 представлена структурная схема телеметрического блока.
Затвор концевой байонетный устроен следующим образом.
Его основой является полый цилиндрический корпус 1, на торец которого, снабженный уплотняющей манжетой 2, размещенной в кольцевой канавке 3, соединенной с внутренней полостью корпуса 1 сквозными отверстиями 4, заглушенными пробками, надета крышка 5, установленная на узле шаровой опоры 6 откидного рычага 7 с возможностью поворота вокруг своей оси, при этом упомянутый рычаг 7 шарнирно установлен в опоре 8, закрепленной на боковой поверхности корпуса 1, на штоке 9, снабженном шкивом 10, с возможностью фиксации в полностью открытом положении. Шкив 10 может быть выполнен ручным или приводным, в последнем случае он связан с валом электрического мотор-редуктора, например, с помощью приводного ремня.
Крышка 3 совместно с корпусом 1 образуют запорное устройство, выполненное в виде байонетного соединения, при этом крышка 3 снабжена выступами 11, охватываемыми выполненными на корпусе 1 пазами 12. На внешней поверхности крышки 3 закреплен узел осевого поворота, состоящий из зубчатой планки-сектора 13 с ручкой 14 и приводной зубчатой шестерни 15, установленной на первой или второй осях 16 и 17, закрепленных на корпусе 1 на некотором расстоянии друг от друга, при этом планка-сектор 13 выполнена с возможностью зацепления с упомянутой приводной зубчатой шестерней 15. Зубчатая шестерня 15 может быть выполнена заодно с рычагом 18 и представлять собой ключ-шестерню, при этом планка-сектор 13 должна быть выполнена с разделением на два участка упором 19, или быть связана зубчатой передачей с зубчатой шестерней вала сервопривода, в последнем случае планку-сектор 13 выполняют единой, без разделения на два участка.
При выполнении приводной зубчатой шестерни 15 заодно с рычагом 18 поворот крышки 5 после сброса давления для обеспечения безопасного открытия и слива остатков среды осуществляют с помощью ключа-шестерни, устанавливаемого на закрепленные на корпусе оси 16 и 17, и взаимодействующего с зубчатым сектором 13. При установке ключа-шестерни на ось 16 на первом из участков, на которые разбита планка-сектор 13, происходит основной поворот и осевое перемещение крышки 5 на величину уступов, выполненных на выступах крышки, а на втором, при перестановке ключа-шестерни на соответствующую второму участку зубчатого сектора вторую ось 17, происходит окончательный поворот крышки с последующим перемещением на откидывающемся рычаге.
1
1
Байонетный затвор снабжен первым предохранительным узлом, представляющим собой шток 20, подвижно установленный в отверстии, ось которого перпендикулярна оси корпуса 1, с возможностью вхождения штока в соосное ему отверстие, выполненное в крышке 5, для блокирования ее открытия. Шток 20 с помощью рычага 21 связан со штоком выпускного крана 22, установленного на выходе патрубка, введенного внутрь корпуса 1, а к выходу крана 22 присоединен патрубок 23 для сброса рабочей среды, при этом выпускной кран 22 может быть ручным, например модели RizurLok-HPBV01 ( Шаровые краны серии RizurLok-HPBV производства ООО «НПО РИЗУР» // РИЗУР. Группа компаний URL: https://rizur.ru/catalog/izmeritelnye-klapany/sharovoy-kran-vysokogo-davleniya/ (дата обращения: 10.12.2020)), или электромеханическим. Дополнительно затвор снабжен вторым предохранительным узлом, представляющим собой подпружиненный тарированной пружиной цилиндрический фиксатор 24, установленный в крышке 5, выполненный с возможностью упора в откидной рычаг 7 для предотвращения вращения крышки 5 при высоком давлении текучей среды в трубопроводе.
2
2
3
3
Для мониторинга текущего состояния текучей среды в трубопроводе внутрь корпуса 1 байонетного затвора через каналы диаметром 16 мм с резьбой М20х2.5 и длиной резьбы 30 мм введены датчик давления 25 и датчик температуры 26. Выходы упомянутых датчиков подключены к измерительным входам 27 и 28 телеметрического блока, выполненного на основе микроконтроллера 29, при этом упомянутый блок может быть снабжен модулем беспроводной связи, и размещен в термоизолированном корпусе с крышкой (на фигурах условно не показан), закрепленном на внешней поверхности корпуса 1 байонетного затвора. В качестве датчика давления 25 может быть использован преобразователь давления модели РТМ-М ( РТМ-М преобразователь давления // ORLEKS.RU URL: https://www.orleks.ru/datchiki-davleniya-s-unificirovannym-vyhodnym-signalom/rtm-m-preobrazovatel-davleniya/ (дата обращения: 10.12.2020)), а в качестве датчика температуры 26 может быть применен преобразователь термоэлектрический разборный, унифицированный модели ТПК ( Преобразователи термоэлектрические разборные, унифицированные ТПК, ТПL с термометрической вставкой типа ВТ // Энергоавтоматика URL: https://kipia.ru/catalog/izmeritelnye-pribory/izmerenie-temperatury/termopreobrazovateli/5-preobrazovateli-termoelektricheskie/(дата обращения: 10.12.2020)), с термометрической вставкой.
В качестве микроконтроллера 29 телеметрического блока может быть применена микросхема LPC2478, основанная на микропроцессорном ядре ARM7TDMI-S, работающем на частоте 72 МГц. При этом микроконтроллер 29, содержит микропроцессорное ядро 30, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 31, SRAM-памятью данных 32, модулем LCD-интерфейса 33, многоканальным аналого-цифровым преобразователем 34, интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в два универсальных восьмиразрядных GPI/O-порта ввода-вывода 35, 36, универсальным асинхронным приемопередатчиком (UART) 37 и модулем подключения SD-карты 38. К модулю LCD-интерфейса 33 электрически подключен LCD-дисплей 39, к первому и второму каналам аналого-цифрового преобразователя 34 подключены измерительные входы 27, 28, выполненные на основе операционных усилителей, к первому универсальному восьмиразрядному GPI/O-порту ввода-вывода 35 электрически подключена кнопочная клавиатура 40, а ко второму GPI/O-порту ввода-вывода 36 через силовой выход 41 подключен нагревательный элемент 42, размещенный в термоизолированном корпусе телеметрического блока, к универсальному асинхронному приемопередатчику (UART) 37 может быть подключен модуль беспроводной связи, выполненный в виде радиомодуля 44, а в слот модуля подключения SD-карты 38 вставлена и электрически соединена с модулем SD-карта 45.
4
4
5
5
6
6
7
7
LCD-дисплей 39 может быть выполнен в виде специализированной TFT-панели с диагональю 8,9 см (3,5 дюйма) ( 3.5" TFT Touch Screen, 3.5" TFT LCD Screen 320x240. WINSTAR. URL: https://www.winstar.com.tw/ products/tft-lcd/module/3 5-touch-screen.html (Дата обращения: 16.10.2018)), разрешением 320x240 точек с глубиной цветности 24 бита, снабженной подсветкой ( Тачскрин. Энциклопедия «Викисловарь». URL: https://ru.wiktionary.org/wiki/ачскрин (Дата обращения: 16.10.2018)), а кнопочная клавиатура 40 может быть выполнена мембранной ( Модуль клавиатуры мембранной 16-клавишной (4x4). Умная электроника.рф. URL: htths://umnaya-elektronika.ru/moduli/klaviatura-i-knopki-ru/modulklaviaturymembrannoy16klavishnoy/ (Дата обращения: 16.10.2018)), содержать шестнадцать клавиш и подключаться к GPI/O-порту ввода-вывода 36 посредством восьмипроводного шлейфа с разъемом. Силовой выход 41 может быть выполнен на основе тиристорных ключей, а нагревательный элемент 42 - в виде ТЭНа. В качестве радиомодуля 44 целесообразно применить модем стандарта LoRa модели WLK01S78-TH ( Модуль LoRa WLK01S78-TH чип SX1278 // ChipDip.ru. URL: https://amperkot.ru/products/modul lora wlk01s78th chip sx1278/25202678.html (дата обращения: 12.12.2019)), представляющий собой готовое решение для низкоскоростной передачи малых объемов данных на относительно большие расстояния. Устройства LoRa оптимизированы под низкое энергопотребление, что позволяет использовать их с питанием от батарей или аккумуляторов, при этом высокая чувствительность модулей позволяет использовать их с короткими антеннами в виде зигзага на печатной плате.
Концевой байонетный затвор применяют следующим образом.
Первоначально байонетный затвор устанавливают на тупиковом участке трубопровода, работающего под давлением. Затем в корпус 1 затвора вводят датчики давления 25 и температуры 26 и подключают их к измерительным входам 27 и 28 телеметрического блока, предварительно закрепленного на корпусе 1. Активируют телеметрический блок и с помощью кнопочной клавиатуры 40, подключенной к GPI/O-порту 36, и графического пользовательского интерфейса, реализуемого микропроцессорным ядром 30 микроконтроллера на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ 31, с помощью LCD-дисплея, выполняют первичную настройку блока, задавая уставки для датчиков 25, 26 и настраивая связь с удаленной системой мониторинга по радиоканалу. Все выполненные настройки сохраняются на SD-карте 45 для дальнейшего их использования управляющей программой.
Далее готовят затвор к работе, поворачивая крышку 5 с помощью шкива 10 штока 9, укладывая ее на уплотняющую манжету 2, при этом крышка 5 затвора в момент закрытия имеет угловое положение, обеспечивающее вхождение выступов 11 крышки в пазы 12, выполненные на корпусе 1.
Дальнейшее описание операций по герметизации и разгерметизации затвора приведено для случая, когда зубчатая шестерня 15, выполнена заодно с рычагом 18, представляя собой ключ-шестерню, зубчатый сектор 13 разделен на две части уступом 19, а упомянутые операции выполняют вручную.
Закрытие затвора осуществляют, устанавливая зубчатый ключ-шестерню на первую ось 16, воздействуя ключом-шестерней на зубчатый сектор 13, осуществляя поворот крышки 5 до упора 19, затем переставляют зубчатый ключ-шестерню на вторую ось 17 и выполняют окончательный поворот крышки 5. В этом положении выступы крышки 11, полностью перекрывается выступом байонетного соединения корпуса 1. Крышка 5, поворачиваясь в корпусе 1 в начале второй части поворота, совершает одновременно с вращательным поступательное движение, достаточное для предварительного вдавливания манжеты 2 в кольцевую канавку 3, обеспечивая ее поджим и начальную герметизацию стыка корпуса 1 и крышки 5. Фиксацию крышки выполняют с помощью первого предохранительного узла (шток 20) путем поворота ручки выпускного крана 22 в положение «закрыто», выталкивая шток 20 в отверстие, выполненное в крышке 5, что обеспечивает стопорение крышки. При повороте ручки выпускного крана 22 одновременно происходит его закрытие. В закрытом состоянии при высоком давлении текучей среды в трубопроводе крышка 5 фиксируется вторым предохранительным узлом, за счет поджатия фиксатором 24, установленным в крышке 5 откидного рычага 7. При этом текучая среда, находящаяся в трубопроводе через кольцевую канавку 3 и отверстия 4, воздействуя на манжету 2, окончательно герметизирует соединение крышки 5 и корпуса 1.
При открывании затвора ручку выпускного крана 22 поворачивают в положение «открыто», вытягивая шток 20 из отверстия, выполненного в крышке 5, освобождая ее от стопорения. При повороте ручки выпускного крана 22 одновременно происходит его открытие, что вызывает принудительный сброс давления из-под крышки затвора. Открытие байонетного затвора осуществляют путем поворота крышки 5 относительно опоры 8 с помощью ключа-шестерни, воздействуя им на зубчатый сектор 13 способом обратным описанному выше. Затем отводят крышку 5 с помощью шкива 10 штока 9.
При использовании в конструкции байонетного затвора средств автоматики, а именно мотор-редуктора для вращения шкива 10, сервопривода для воздействия на планку-сектор 13 и электромеханического выпускной крана 22, к их управляющим входам могут быть подключены дополнительные силовые выходы телеметрического блока, а управление ими может осуществляться как с помощью кнопочной клавиатуры 40, так и с помощью радиомодуля 44 по радиоканалу. При этом возможна реализация алгоритмов управления, предусматривающих плавное изменение положений упомянутых узлов без ярко выраженных пограничных состояний, что в целом позволит повысить безопасность затвора и его надежность.
Во все время нахождения байонетного затвора в закрытом состоянии микроконтроллер 29 телеметрического блока на основе управляющей программы осуществляет измерение давления и температуры текучей среды в трубопроводе путем циклического опроса датчиков 25 и 26 с помощью аналого-цифрового преобразователя 34, буферизируя данные в SRAM-памяти данных 32, сохраняя измеренные значения на SD-карте 45 с возможностью их дальнейшей передачи удаленной системе мониторинга по радиоканалу с помощью универсального асинхронного приемопередатчика 37 и радиомодуля 44. В случае фиксации датчиком 26 температуры близкой к нулю микроконтроллер может активировать нагревательный элемент 42 с помощью GPI/0-порта 35 и силового выхода 41 для предотвращения переохлаждения микроконтроллера 29 и его возможного зависания или выхода из строя. После нормализации температуры нагревательный элемент 42 может быть отключен.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке байонетный затвор, является надежным и высокотехнологичным запорным узлом, применимым в трубопроводной арматуре, обеспечивающим перекрытие тупиковых участков трубопроводов, работающих под давлением, с одновременным мониторингом давления и температуры текучей среды внутри трубопровода.