ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН
SAFETY VALVE

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где применяется защита от превышения допустимого давления, например в энергетике, газовой и нефтяной отраслях, в химической промышленности.
Известен предохранительный клапан, защищенный патентом DE 4405913, МПК F16K 17/08, дата публикации - 15.09.1994. Предохранительный клапан включает корпус с входным и выходным патрубками, седло с плоской уплотнительной поверхностью и запорный элемент в виде плоского диска. Запорный элемент поджат к седлу пружиной настройки с регулируемым, посредством настроечного винта, усилием затяжки. Между запорным элементом и пружиной на штоке установлен юбочный отражатель потока рабочей среды, выпукло-вогнутая форма которого способствует увеличению пропускной способности предохранительного клапана после разгерметизации затвора. На запорный элемент с отражателем действует подъемная сила, приумноженная реактивной силой отраженного от вогнутой поверхности отражателя рабочего потока и силой, возникающей при обтекании рабочим потоком выпуклой поверхности тонкостенного отражателя.
Недостатком аналога являются большие удельные нагрузки, испытываемые уплотнительными поверхностями седла и запорного элемента в нерабочем состоянии предохранительного клапана, а именно при отсутствии в клапане давления рабочей среды. Так, при транспортировании, хранении и резервировании предохранительного клапана на его уплотнительные поверхности действует чрезмерное, компенсируемое рабочим давлением среды при нормальной эксплуатации клапана, усилие затяжки настроечной пружины. Сама пружина настройки, в свою очередь, постоянно пребывает в сжатом состоянии и испытывает максимальные напряжения, хотя в этом нет необходимости. В процессе длительного хранения и резервирования предохранительного клапана, исчисляемого иногда годами, существует опасность перенастройки клапана и разрушения его затвора. Чрезмерное усилие затяжки настроечной пружины может также вызывать разрушение затвора предохранительного клапана в результате жесткой посадки запорного элемента на неподвижное седло после срабатывания предохранительного клапана.
Известен предохранительный клапан, защищенный патентом US 4074695, МПК F16K 31/12, дата публикации - 21.02.1978. Предохранительный клапан включает корпус с входными и выходными патрубками, плавающее седло и запорный элемент, поджатый к седлу пружиной настройки. Плавающее седло выполнено на торце ступенчатой втулки, установленной меньшим диаметром во входном патрубке, а большим - в проточной части корпуса. В проточной части корпуса размещена пружина сжатия, обеспечивающая осевое возвратно-поступательное перемещение седла. Вверху проточной части корпуса установлена втулка, являющаяся фиксатором верхнего предельного положения седла и нижнего предельного положения запорного элемента. Упругая опора седла снижает удельные нагрузки на уплотнительные поверхности затвора.
Недостатком аналога является его низкая пропускная способность, обусловленная описанной конструкцией затвора.
Прототипом заявляемого устройства является предохранительный клапан, изображенный на рис.XIII.29, стр.350 справочного пособия «Современные конструкции трубопроводной арматуры для нефти и газа» под ред. Ю.М. Котелевского, М., Недра, 1970. Прототип включает седло, выполненное в форме ступенчатой втулки и установленное во входном патрубке корпуса на резьбе. С помощью резьбового соединения седло поджато к торцевому упору, выполненному в патрубке. При работающем клапане седло является неподвижным. Предохранительный клапан включает также запорный элемент, снабженный отражателем потока рабочей среды и поджатый к седлу пружиной настройки. На неподвижное седло снаружи надета резьбовая втулка для регулирования зазора между нею и отражателем потока в закрытом положении предохранительного клапана.
Недостатком прототипа является перегруженность уплотнительных поверхностей запорного элемента и седла со стороны пружины настройки при отсутствии в клапане давления рабочей среды (в нерабочем состоянии предохранительного клапана). При транспортировании, длительном хранении и резервировании это может приводить к перенастройке клапана и даже к разрушению уплотнительных поверхностей затвора. Неподвижное седло также может подвергаться разрушению в процессе жесткой посадки на него запорного элемента.
Заявляемое устройство решает техническую задачу повышения срока службы предохранительного клапана за счет обеспечения щадящих удельных нагрузок на уплотнительные поверхности затвора как в рабочем состоянии, так и в состоянии транспортирования, хранения и резервирования.
Поставленная техническая задача решена в предохранительном клапане, включающем корпус с входным и выходным патрубками, седло в форме ступенчатой втулки, установленной во входном патрубке с возможностью осевого перемещения до торцевого упора, запорный элемент с юбочным отражателем потока рабочей среды и пружину настройки. Седло установлено упруго-подвижно относительно торцевого упора и запорного элемента. По нижней кромке юбки отражателя выполнена торцевая поверхность для опоры в нерабочем состоянии клапана на корпус клапана в его проточной части под действием пружины настройки. Упругое поджатие плавающего седла к запорному элементу помимо пружины сжатия может быть обеспечено сильфоном, соединенным одним концом с корпусом, а другим концом - с седлом.
Существо заявляемого устройства поясняется чертежами, на фиг.1 изображен заявляемый предохранительный клапан в состоянии транспортирования, хранения и резервирования; на фиг.2 - то же в рабочем состоянии при нормальной эксплуатации, на фиг.3 - то же, в качестве упругого элемента - сильфон; на фиг.4 - предохранительный клапан во время срабатывания.
1
н
p
1
Предохранительный клапан содержит корпус 1 с входным 2, выходным 3 патрубками и крышкой 4, плавающее седло на торце ступенчатой втулки 5 и поджатый к седлу пружиной настройки 6 запорный элемент 7. Плавающая втулка-седло 5 установлена во входном патрубке 2 с опорой на упругий элемент в виде пружины сжатия 8 либо сильфона 9, в свою очередь опирающийся на кольцо 10. Сильфон 9 соединен одним концом с корпусом 1, а другим концом - со ступенчатой втулкой-седлом 5. Во входном патрубке 2 выполнен торцевой упор 11 для ступенчатой втулки-седла 5, являющийся фиксатором ее предельного положения. Запорный элемент 7 снабжен выпукло-вогнутым юбочным отражателем 12 потока рабочей среды с опорной торцевой поверхностью Б по нижней кромке юбки. В проточной части корпуса выполнена ответная упорная поверхность В для отражателя 12, являющаяся фиксатором предельного положения отражателя 12 и соединенного с отражателем запорного элемента 7. Усилие пружины сжатия 8 либо сильфона 9 не превышает нагрузки на запорный элемент 7 от пружины настройки 6. Предохранительный клапан включает также шток 13, опоры 14 и 15 для пружины настройки 6, регулировочный винт настройки 16, контргайку 17, сальник 18, заглушки 19, колпак 20. В тексте описания и на чертеже использованы обозначения: «c» - жесткость пружины 6; «h» - рабочий ход запорного элемента 7; «h» - обратный ход запорного элемента 7 и отражателя 12 при сбросе противодавления в сети; «Р» - давление настройки предохранительного клапана; «P» - рабочее давление в предохранительном клапане; «S» - площадь уплотнительной поверхности запорного элемента 7; «S» - площадь поперечного сечения втулки-седла 5 в узком сечении проходного отверстия входного патрубка 2.
p
На заводе-изготовителе производят настройку предохранительного клапана на рабочее давление P при помощи регулировочного винта настройки 16. Усилие пружины настройки 6 передается на запорный элемент 7 и отражатель 12 через опоры 14, 15 и шток 13. Пружина сжатия 8 рассчитана таким образом, что сила упругого поджатия втулки-седла 5 к запорному элементу 7 не превышает нагрузки на запорный элемент 7 от пружины настройки 6, при этом обеспечиваются постоянный контакт втулки-седла 5 с запорным элементом 7 и герметичность в затворе предохранительного клапана при его заправке рабочей средой и нормальной эксплуатации.
1
По окончании настройки предохранительного клапана и сбросе давления среды запорный элемент 7 и втулка-седло 5 под действием пружины настройки 6 перемещаются вниз до тех пор, пока отражатель 12 своей опорной поверхностью Б не сядет на ответную упорную поверхность В корпуса 1 и усилие частично распрямившейся пружины настройки 6, уменьшенное на величину «h×c», не передастся на упорную поверхность В. При этом на уплотнительные поверхности втулки-седла 5 и запорного элемента 7 передается лишь усилие пружины 8.
Настроенный предохранительный клапан пломбируют колпаком 20, заглушками 19 и направляют потребителю. Кольцо 10 предохраняет пружину 8, сильфон 9 и втулку-седло 5 от выпадения из входного патрубка 2 при транспортировании, хранении и резервировании клапана.
p
p
1
После монтажа предохранительного клапана на защищаемой установке потребителя ее заполняют рабочей средой. При достижении в клапане рабочего давления P плавающая втулка-седло 5 преодолевает усилие пружины настройки 6, уменьшенное на величину P×S, и поднимается до упора 11, где занимает свое рабочее положение.
Методом расчета параметров и характеристик предохранительного клапана обеспечивают его работоспособность в заданных потребителем условиях.
Заявляемый предохранительный клапан работает следующим образом.
Усилие пружины настройки 6 уравновешено давлением рабочей среды и реакцией от уплотнения. Втулка-седло 5 в режиме эксплуатации надежно зафиксирована в своем предельном положении упором 11.
p
н
p
н
При превышении рабочего давления P защищаемой установки над давлением настройки Pклапана на 5-7% происходит разгерметизация затвора и накопление энергии рабочей среды под отражателем 12. При достижении давлением P защищаемой установки значения, равного (1,1-1,15) Р, происходит полное открытие предохранительного клапана на ход «h» и сброс давления.
p
н
После сброса избыточной среды и достижения давлением P значения, равного (0,8-0,9) Р, происходит закрытие предохранительного клапана. Сила удара запорного элемента 7 о втулку-седло 5 при закрытии клапана определяется массой деталей подвижной группы и ее ускорением при посадке запорного элемента 7 на втулку-седло 5.
В предохранительном клапане заявляемой конструкции, при том что уплотнительные поверхности затвора воспринимают лишь малую долю от усилия пружины настройки 6, а при посадке запорного элемента 7 на плавающую втулку-седло 5 происходит амортизация удара, площадь уплотнительных поверхностей S в затворе может быть значительно уменьшена без потерь для работоспособности клапана. Это обстоятельство позволяет уменьшить размеры и массы деталей подвижной группы предохранительного клапана, сократить расход материалов и уменьшить силу удара запорного элемента о седло при посадке. Очевидно, что при этом размеры и массы других деталей предохранительного клапана (пружины, корпус и т.д.) также могут быть уменьшены.
Преимущества заявляемого предохранительного клапана возрастают с ростом давления, температуры и аварийного расхода в защищаемых объектах. Они также существенны при создании предохранительных клапанов для мобильных установок, где снижение габаритов и массы оборудования имеет особенно большое значение.