СТАБИЛИЗАТОР ДАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ СРЕДЫ С РАЗНЕСЁННЫМИ САМОГАСИТЕЛЯМИ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к области физики, а именно - к системам управления и регулирования давления жидкостей и газов, в частности - к стабилизирующим устройствам, действующим при перегрузках, в том числе при гидравлических ударах.
Короткие замыкания и провалы энергоснабжения, коммутационные переключения, ошибки обслуживающего персонала и т.п. явления могут приводить к авариям с нарушением герметичности трубопровода, выходу из строя оборудования и арматуры.
Согласно эксплуатационному опыту причинами разрыва трубопроводов в 60% случаев являются гидроудары, перепады давления и вибрации, около 25% приходится на коррозионные процессы, 15% - на природные явления и форс-мажорные обстоятельства. По оценкам российских и зарубежных экспертов, наиболее крупные разрывы трубопроводных систем с наиболее тяжелыми последствиями происходят по причинам гидроударов.
Экономические потери, связанные с ликвидацией последствий аварий в условиях современного города, складываются из прямых затрат на замену аварийного участка трубопровода и восстановление инфраструктуры (в среднем от 1 до 10 млн. рублей), потерь транспортируемой среды (до 30% в натуральном выражении), косвенных потерь (подготовка, очистка и транспортировка воды), а также затрат на ликвидацию экологических и социальных последствий.
Известен стабилизатор давления транспортируемой среды с разнесенными самогасителями импульсов, содержащий цилиндрический пустотелый делитель импульсного потока рабочей среды с герметично соединенными с ним торцевыми тарельчатыми крышками, выполненными с выступающими соединительными элементами с центральными отверстиями и встроенный в делитель трубчатый секционный сепаратор импульсного потока, имеющий первичную зону перфорированных радиальных отверстий, расположенную у входа в стабилизатора и, расположенную у выхода из стабилизатора вторичную зону перфорированных отверстий с наклонными к входу осями под углом α в поперечной продольной плоскости и под углом β - в тангенциальном направлении, при этом указанные зоны расположены в пространстве между внутренней поверхностью делителя и наружной поверхностью сепаратора и разделены дисковой перегородкой на два отсека - меньшего объема для первичной зоны и - большого объема - для вторичной зоны, соединенные патрубками с периферийно относительно делителя расположенными самогасителями импульсов в виде выносных демпфирующих камер, имеющих форму цилиндров с осями, параллельными оси делителя, при этом выносные демпфирующие камеры закрыты торцевыми заглушками и разделены перфорированными перегородками на три объема, в центральном из которых между упругих элементов размещен поршень (патент России RU №2386889, 17.10.2008).
Данное техническое решение является наиболее близким к техническому решению, поэтому принято за прототип.
Целью заявленного технического решения (проекта) является обеспечение безаварийной эксплуатации трубопроводов и оборудования трубопроводных систем путем гашения гидроударов, колебаний давления, вибраций и резонансных явлений, возникающих в трубопроводах, вследствие:
- аварийных отключений и провалов энергоснабжения;
- сбоев систем автоматики и управления;
- срабатывания запорной трубопроводной арматуры:
- быстрых коммутационных переключений:
- ошибок обслуживающего персонала и т.п.
При этом решаются задачи проекта:
- полное исключение крупных аварийных разрывов трубопроводов, выхода из строя арматуры и насосных агрегатов по причинам гидроударов, пульсаций давления и вибраций;
- увеличение коррозионно-усталостной долговечности трубопроводов за счет снижения до необходимого уровня амплитудно-частотных пульсаций на рабочих частотах насосных агрегатов и при переходных режимах;
- увеличение сроков эксплуатации трубопроводов (на 50-70% с учетом накопленного износа и реальных условий эксплуатации).
Недостатками прототипа являются сложность технологии изготовления, сборки и ремонта.
Технический результат от использования заявленной полезной модели заключается в упрощении технологии изготовления и сборки и повышении удобства эксплуатации.
Ниже приведены общие и частные существенные признаки, характеризующие причинно-следственную связь полезной модели с указанным техническим результатом.
Стабилизатор давления транспортируемой среды с разнесенными самогасителями импульсов, содержащий цилиндрический пустотелый корпус с герметично соединенными с ним торцевыми тарельчатыми крышками, выполненными с выступающими соединительными элементами с центральными отверстиями и, встроенный в корпус, трубчатый сепаратор, имеющий первичную зону перфорированных радиальных отверстий, расположенную у входа в стабилизатор и, расположенную у выхода из стабилизатора, вторичную зону перфорированных наклонных отверстий с наклоненными к входу осями под углом α в продольной плоскости и под углом β - в тангенциальном направлении. Указанные зоны расположены в пространстве между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью сепаратора и разделены дисковой перегородкой на два отсека - меньшего объема для первичной зоны и - большого объема - для вторичной зоны. Отсеки соединены трубками с периферийно, относительно корпуса расположенными, самогасителями импульсов в виде выносных демпфирующих камер, имеющих форму цилиндров с осями, параллельными оси корпуса. Выносные демпфирующие камеры закрыты торцевыми заглушками и разделены перфорированными перегородками на три части, в центральной части из которых между упругих элементов размещен поршень, одна боковая часть, расширительная камера, соединена трубкой с отсеком меньшего размера, а другая боковая часть, камера сжатия, соединена трубкой с отсеком большего размера. Указанный сепаратор выполнен съемным и к его наружной поверхности приварена указанная дисковая перегородка, диаметр внутреннего отверстия в сепараторе равен диаметрам отверстий в соединительных элементах тарельчатых крышек. Все перфорационные отверстия в отсеках сепаратора распределены равномерно по окружности в рядах поперечных сечений вдоль оси стабилизатора, причем диаметр радиальных отверстий составляет 1,2-4 диаметра наклонных отверстий при равных суммарных расходах рабочей среды через радиальные и наклонные отверстия. Объем первичного отсека составляет не менее 1/3 объема вторичного отсека. Указанные углы наклона α и β находятся в диапазоне 0-45°. На наружной поверхности цилиндрического корпуса выполнен стрелочный указатель направления ориентации стабилизатора в сторону входного отверстия в него. Указанные демпфирующие камеры могут быть равномерно расположены симметрично вокруг цилиндрического корпуса или ассиметрично по одну сторону от центральной продольной плоскости его сечения. Указанные трубки могут быть выполнены из двух разъемно соединенных частей. Одна из торцевых заглушек каждой из демпфирующих камер может быть соединена с ней через проставку посредством резьбового соединения. В выносных демпфирующих камерах могут быть предусмотрены клапаны сброса рабочей среды.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где: на фиг.1 представлен; на фиг.2 - продольный разрез устройства в сборе, вариант исполнения: на фиг.3 - вид А-А на фиг.1; продольный разрез внутреннего фланца; на фиг.4 - вид А-А на фиг.1, вариант исполнения; на фиг.6 - вид Б-Б на фиг.4; на фиг.6 - вид В-В на фиг.5: на фиг.7 - вид Д-Д на фиг.5: на фиг.8 - вид Г-Г на фиг.5; на фиг.9 - продольный разрез устройства с асимметричными разнесенными самогасителями, аксонометрическая проекция: на фиг.10 - вид разъемного соединения торцевой заглушки; на фиг.11 - вид 1 на фиг.8: на фиг.12 - вид Е на фиг.11.
Стабилизатор давления транспортируемой среды с разнесенными самогасителями импульсов содержит цилиндрический пустотелый корпус 1 с герметично соединенными с ним торцевыми тарельчатыми крышками 2 и 3. Крышки 2 и 3 выполнены с выступающими соединительными элементами 4 с центральными отверстиями.
В корпус 1 встроен трубчатый секционный сепаратор 5, имеющий первичную зону 6 перфорированных радиальных отверстий 7, расположенную у входа в стабилизатор и, расположенную у выхода из стабилизатора, вторичную зону 8 перфорированных наклонных отверстий 9 с наклоненными к входу осями под углом о в продольной плоскости и под углом β - в тангенциальном направлении.
Указанные зоны 6 и 8 расположены в пространстве между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью сепаратора 5 и разделены дисковой перегородкой 10 на два отсека 11 - меньшего объема для первичной зоны, и отсеком 12 - большого объема для вторичной зоны.
Каждый из отсеков 11 и 12 соединен трубками 13 с периферийно, относительно корпуса 1 расположенными, самогасителями импульсов, в виде выносных демпфирующих камер 14, имеющих форму цилиндров с осями, параллельными оси корпуса 1.
Выносные демпфирующие камеры 14 закрыты торцевыми заглушками 15 и разделены перфорированными перегородками 16 на три части.
В центральной части демпфирующих камер 14 между упругих элементов 17 размещен поршень 18, одна боковая часть - расширительная камера 19 соединена трубкой 13 с отсеком 11 меньшего размера, а другая боковая часть - камера сжатия 20 соединена трубкой 13 с отсеком 12 большего размера.
Указанный сепаратор 5 выполнен съемным и к его наружной поверхности приварена указанная дисковая перегородка 10.
Диаметр внутреннего отверстия в сепараторе 5 равен диаметрам отверстий в соединительных элементах 4 тарельчатых крышек 2 и 3.
Все перфорационные отверстия в отсеках 11 и 12 сепаратора 5 распределены равномерно по окружности в рядах поперечных сечений вдоль оси стабилизатора, причем диаметр радиальных отверстий 7 составляет 1,2-4 диаметра наклонных отверстий 9 при равных суммарных расходах рабочей среды через радиальные и наклонные отверстия.
Объем отсека 11 составляет не менее 1/3 объема отсека 12, а указанные углы наклона α и β находятся в диапазоне 0-45°.
На наружной поверхности цилиндрического корпуса 1 выполнен стрелочный указатель 21 направления ориентации стабилизатора в сторону входного отверстия в него.
Указанные демпфирующие камеры 14 могут быть равномерно расположены симметрично вокруг цилиндрического корпуса 1 или ассиметрично по одну сторону от центральной продольной плоскости его сечения.
Указанные трубки 13 могут быть выполнены из двух разъемно соединенных частей (фиг. 2).
Одна из торцевых заглушек 15 каждой из демпфирующих камер может быть соединена с демпфирующей камерой 14 через проставку 22 посредством резьбового соединения.
В выносных демпфирующих камерах могут быть предусмотрены клапаны 23 сброса рабочей среды.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле полезной модели, включая характеристику назначения. Т.е., совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности “новизна”.
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии полезной модели указано ее назначение, она может быть изготовлена промышленным способом и использована для защиты от перегрузок трубопроводов различного назначения.
Техническое решение работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки устройства позволяют получить заданный технический результат, т.е. являются существенными.
Техническое решение в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлено с помощью средств и методов, описанных в прототипе, ставшим общедоступным до даты приоритета полезной модели. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности “промышленная применимость”.
Стабилизатор давления транспортируемой среды с разнесенными самогасителями импульсов работает следующим образом.
Данное техническое решение создано ООО «ТехПромАрма» - российской компанией, разработавшей и осуществившей промышленное внедрение в производство типового ряда принципиально новых технических средств гашения гидроударов и вибраций на трубопроводах любого назначения.
Заявленное устройство может использоваться на технологических трубопроводах атомных станций (АС) в системах нормальной эксплуатации и системах безопасности с реакторами типа ВВЭР, РБМК, БН в трубопроводных системах диаметром от 10 до 1500 мм и рабочим давлением от 0,01 до 250 бар (25 МПа).
Основная целью использования устройства - снижение динамических нагрузок от пульсаций давления и гидравлических ударов, действующих на трубопроводы и оборудование, и, как следствие, снижение уровня шума и вибраций, возникающих при движении потоков среды.
Конструкция стабилизатора отличается простой технологией благодаря использованию съемного сепаратора 5 и использования заглушек 15 вместо съемных емкостей на демпферной камере 14. Это упрощает и сборку изделия.
Легкость и простота обслуживания обеспечиваются разборным соединением трубок 13 и одной из заглушек 15 (фиг. 2), а также в конструкции с ассиметричном расположении крайних демпфирующих камер 14 за счет смещения их осей относительно продольной плоскости корпуса 1 на угол α>0 имеется возможность легкого слива рабочей среды по наклонным трубкам 13.
Для удобства обслуживания на демпфирующих камерах 14 могут быть установлены клапаны 23 сброса рабочей среды.
Стабилизатор давления транспортируемой среды с разнесенными самогасителями импульсов работает по принципу самостабилизации, где демпфирование осуществляется путем гашения энергии возмущающихся импульсов энергией самих же импульсов, то есть в качестве упругого (демпфирующего) элемента используется сам импульс.
Действие устройства основано на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на поток перекачиваемой среды.
При установившемся стационарном режиме протекания рабочей среды (например, жидкости) через трубопровод давление на входе и выходе устройства будет одинаковым, при этом постоянное давление установится и во всех камерах 11, 12, 19, 20.
Поршни 18 под воздействием пружин 17 занимают нейтральное положение.
При появлении импульса давления на входной части трубопровода, он через радиальные отверстия 7 в зоне 6, отсек 11 и трубки 13 достигает расширительной камеры 19 каждой демпфирующей камеры 14 практически мгновенно и с небольшими потерями энергии.
Другая часть импульса проходит через наклонные отверстия 9 в зоне 8, отсек 12 и трубки поступает в камеру сжатия 20 каждой демпфирующей камеры 14, при этом происходит закручивание потока транспортируемой среды, уменьшение его амплитуду за счет расширения и увеличение его турбулентности в расширительной камере 19 каждой демпфирующей камеры 14.
За счет разности давлений и их фазового сдвига в расширительных камерах 19 и камерах сжатия 20 амплитуды импульсов вычитаются, сглаживается переходный процесс при спаде импульса и устройство устанавливается в исходное положение.
Такое последовательное взаимодействие жидкости с пружинными демпфирующими элементами позволяет обеспечить эффективность гашения колебаний избыточного давления (гидроударов) за счет податливости демпфирующих элементов в динамическом режиме, и диссипации энергии колебаний на отверстиях распределенной перфорации, что приводит к ее потерям, создавая условия препятствующие дальнейшему волновому распространению, компенсируя провалы давления.
Применение устройства обеспечивает:
- фазовый сдвиг и гашение волновых и вибрационных процессов до допустимого уровня, как в аварийном, так и в штатном режиме работы;
- увеличение коррозионно-усталостной долговечности труб, что продлевает срок службы даже изношенных трубопроводов в 1,5-2 раза;
- снижение общей аварийности трубопроводов и оборудования на 70-80%;
- исключение финансовых потерь, связанных с ликвидацией последствий аварий по причинам гидроударов, вибрации и пульсаций давления;
- снижение эксплуатационных затрат и осуществление замены изношенных трубопроводов и оборудования в гидросистемах в планово-предупредительном режиме, что значительно дешевле экстренной замены аварийных участков трубы.
Стабилизаторы давления одинаково эффективны как в аварийном, так и в штатном режиме работы гидросистемы.
По сравнению с техническими средствами подобного назначения полезная модель обладает следующими преимуществами:
- время снижения амплитуд гидравлических ударов и пульсаций давления в трубопроводах до безопасного уровня составляет менее чем 0,004 сек;
- коэффициент снижения до безопасного уровня не менее чем в 10 раз;
- присоединение к трубопроводу - приварное или с ответными фланцами;
- отсутствие регулирующих механизмов управления, отсутствие потерь рабочей среды.
Использование полезной модели позволяет упростить технологию изготовления и сборки, и повысить эффективность гашения пульсации давления.