КЛАПАННОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
VALVE SWITCHING DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к области узлов и деталей машин, обеспечивающих их нормальную эксплуатацию, а именно в области переключающих клапанов, предпочтительно обеспечивающих изменение газового или жидкостного потоков, и может быть использовано в любой области науки и техники, использующей регулируемое перемещение жидкостных и газовых потоков, а в основном используется в газовой, нефтехимической и химической отраслях промышленности.
В рамках представленной заявки термин "пневмо" относится к любым системам, предназначенным для перемещения любого газа и/или использующих любой газ в качестве рабочего тела.
Известно клапанное устройство (DE, заявка 4023845, F16K 51/00, 1999), содержащее корпус с расположенным в нем подпружиненным запорным органом и пневмопривод в виде двух последовательно установленных поршней.
Недостатком известного устройства следует признать невозможность его использования в пневмосистемах с дублированным сбросом управляющего давления для открытия проходного сечения, поскольку в данном клапане нижний поршень выполнен только с возможностью предварительного открытия запорного органа.
Известен клапан (RU, патент 2184298, F16K 31/122, 2002), содержащий корпус, запорный орган с пружиной и пневмопривод, состоящий из двух последовательно установленных поршней, причем пружина в корпусе установлена относительно запорного органа в сторону его открытия, а поршни пневмопривода установлены таким образом, что при подаче на них управляющего давления поджимают запорный орган в сторону его закрытия.
Известно клапанное устройство (RU, патент 2066010, F16K 17/06, 1996), содержащее корпус с входным и выходным патрубками и установленными в его каналах, по меньшей мере, двумя запорными элементами, нагруженными в сторону седла посредством пружинных механизмов, установленных соосно с указанными каналами. Входной и выходной патрубки расположены соосно и перпендикулярно указанным каналам, а пружинные механизмы размещены в выполненных в корпусе цилиндрических отверстиях, сообщенных с входным патрубком в открытом положении клапана и с выходным патрубком при закрытом положении клапана.
Недостатком обоих известных устройств следует признать использование пружинных механизмов, обладающих ограниченным количеством циклов "сжатие-расжатие".
Известно (RU, патент 2217639) клапанное предохранительное устройство. Известное клапанное предохранительное устройство содержит корпус, в котором на подвижном штоке закреплен рабочий орган, причем на боковых сторонах корпуса расположены участки магистрали управляющего давления, сообщенные с управляющим органом, также на боковых сторонах корпуса имеются отводки, на концах которых размещены предохранительные клапаны, а на боковой поверхности - магистрали подвода газовой среды. Шток может быть выполнен полым, что уменьшит его массу и, следовательно, ударные нагрузки на корпус, возникающие при перемещении штока. Предпочтительно, но не обязательно, соотношение наименьшего внутреннего диаметра его корпуса и наибольшего диаметра штока составляет не более 500. По меньшей мере, частично магистрали управляющего давления могут быть расположены в корпусе и штоке. Это позволит уменьшить вероятность обрыва магистралей при эксплуатации устройства.
Недостатком известного технического решения следует признать невозможность его использования в случае изменения давления в подводящих газовых магистралях.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого изобретения, состоит в разработке конструкции клапанного предохранительного устройства повышенной механической надежности.
Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в повышении надежности работы технологического узла, содержащего предлагаемое клапанное предохранительное устройство, за счет гарантированного обеспечения герметичности пары клапан-седло при изменении давления в подводящих магистралях.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать клапанное предохранительное устройство разработанной конструкции.
По первому варианту разработанное клапанное переключающее устройство содержит полый корпус, к которому посредством отводков и предохранительных клапанов подсоединены две магистрали низкого давления, к отводкам подсоединены магистрали газовой среды, к полости корпуса подсоединена магистраль высокого давления, в полости корпуса на подвижном штоке установлен клапан, установленный с возможностью подачи давления на один из предохранительных клапанов и отсечения второго предохранительного клапана, на торцевых сторонах полого корпуса размещены корпуса двух поршней, один из которых выполнен разъемным, клапан и оба поршня закреплены на общем штоке, проходящем предпочтительно насквозь через полый корпус и оба корпуса поршней, в разъемном корпусе поршня установлен сменный кольцевой вкладыш, при этом поршень в камере с вкладышем также выполнен сменным, а к каждому поршневому корпусу по обе стороны поршня подключены магистрали управляющего давления.
Согласно второму варианту реализации разработанное клапанное переключающее устройство содержит полый корпус, к которому посредством отводков и предохранительных клапанов подсоединены две магистрали низкого давления, к отводкам подсоединены магистрали газовой среды, к полости корпуса подсоединена магистраль высокого давления, в полости корпуса на подвижном штоке установлен клапан, установленный с возможностью подачи давления на один из предохранительных клапанов и отсечения второго предохранительного клапана, на одной из торцевых сторонах полого корпуса размещен корпус поршня, на второй торцевой поверхности корпуса поршня размещен разъемный корпус второго поршня, клапан и оба поршня закреплены на общем штоке, проходящем насквозь через полый корпус и оба корпуса поршней, в разъемном корпусе поршня установлен сменный кольцевой вкладыш, при этом поршень в камере с вкладышем также выполнен сменным, а к каждому поршневому корпусу по обе стороны поршня подключены магистрали управляющего давления.
Как в первом, так и во втором варианте разработанной конструкции клапанного переключающего устройства преимущественно для упрощения монтажа и повышения надежности работы устройства в целом между корпусом поршня и торцевой поверхностью корпуса установлена проставка с уплотнением. Предпочтительно вкладыш в корпусе поршня закреплен жестко. Это исключает возможность прохода газовой среды между внешней поверхностью вкладыша и внутренней поверхности корпуса. Указанный вкладыш может быть выполнен из полимерного материала, металла или металлического сплава. Конкретный выбор материала зависит от условий эксплуатации разработанного устройства. При использовании разработанного устройства при низких температурах предпочтительно использовать вкладыш из полимерного материала с его жестким закреплением. При использовании разработанного устройства при относительно высоких температурах, при которых полимерный материал может разрушаться, желательно использовать вкладыш из металла или металлического сплава, который при комнатной (или пониженной) температуре устанавливают в корпус с зазором, а в процессе работы при повышении температуры вкладыш расширяется и жестко фиксирует себя в корпусе. В обоих случаях для герметизации поршня относительно вкладыша предпочтительно использовать кольцевую проточку в боковой поверхности поршня, в которой размещен эластичный термостойкий кольцевой элемент, внешний диаметр которого несколько превосходит внешний диаметр поршня. В предпочтительном варианте реализации для обеспечения работоспособности разработанного устройства при любых давлениях в подводящих газовых магистралях соотношение площадей поршней в неразъемном корпусе и в разъемном корпусе составляет от 1 до 0,03.
Согласно третьему варианту разработанной конструкции клапанного переключающего устройства оно (клапанное переключающее устройство) содержит полый корпус, к которому посредством отводков и предохранительных клапанов подсоединены две магистрали низкого давления, к отводкам подсоединены магистрали газовой среды, к полости корпуса подсоединена магистраль высокого давления, в полости корпуса на подвижном штоке установлен клапан, установленный с возможностью подачи давления на один из предохранительных клапанов и отсечения второго предохранительного клапана, отличается тем, что шток и клапан закреплены параллельно оси полого корпуса в круглом пилоне, размещенном между магистралями низкого давления и отводками корпуса, при этом в пилоне выполнены две управляющих магистрали, подключенные к его внутренней полости по обе стороны от клапана.
В дальнейшем изобретение будет рассмотрено с использованием графического материала, на котором на фиг.1 приведен первый вариант разработанной конструкции, на фиг.2 - второй вариант и на фиг.3 - третий вариант, при этом использованы следующие обозначения: предохранительные клапаны 1, 2; магистраль 3 высокого давления; магистрали 4, 5 низкого давления; клапан 6; седло 7; отводки корпуса 8, 9; магистрали подвода газовой среды 10, 11; магистрали управляющего давления 12, 13, 14, 15; корпусы поршней 16, 17; поршни 18, 19; шток 20, вкладыш 21.
Герметичность уплотнения клапана по седлу зависит от удельного давления, действующего на уплотняющий материал в клапане (или седле). При малом удельном давлении уплотнения в паре клапан 6 - седло 7 происходить не будет, при избыточном давлении уплотняющий материал будет раздавливаться и не восстанавливаться. Т.е. удельное давление, действующее на уплотняющий материал, должно находиться в определенных пределах. В то же время в период эксплуатации переключающего устройства высокое давление, подводящееся по трубопроводу 3, может изменяться в широких пределах. Поэтому необходимо регулировать усилие, действующее на шток 20, и, соответственно, удельное давление на уплотняющий материал клапана 6.
В базовом варианте предложенное устройство работает следующим образом.
По трубе 3 подают газ под высоким давлением - до 16 МПа. При превышении номинального давления в трубе 3 срабатывает один из предохранительных клапанов (1 или 2), при этом газ высокого давления сбрасывается в магистраль низкого давления (4 или 5). В случае, показанном на чертеже, газ из магистрали высокого давления 3 поступает на предохранительный клапан 1 и, после его срабатывания, сбрасывается в магистраль низкого давления 4. После срабатывания предохранительного клапана 1 магистраль высокого давления 3 необходимо переключить на предохранительный клапан 2. (При срабатывании одного из предохранительных клапанов необходимо переключить работу переключающего устройства на второй клапан для осуществления регламентных работ с первым клапаном.) Это достигается перемещением рабочего клапана 6 с штоком 20 в левое положение. Для этой цели предварительно выравнивают давление в полостях корпуса 22 и отводков корпуса 8 и 9, подавая высокое давление по магистрали подвода газовой среды 10 в полость под предохранительным клапаном 2. Затем, подавая или сбрасывая давление по управляющим магистралям 12, 13, 14, 15, изменяют давления в полостях перед и за поршнями 18, 19 и таким образом перекладывают клапан в левое положение. Далее сбрасывают давление через управляющую магистраль 11 из полостей корпуса 22 и отводка корпуса 9, расположенных под предохранительным клапаном 1. Изменение давлений в магистралях 10, 11, 12, 13, 14 и 15 производится управляющим органом. После этих операций на клапан 6 действует полная сила, равная произведению площади клапана 6 на перепад давления между низким и высоким давлением, а также усилие (или уменьшение) от поршней 18 и 19. Давление подано на предохранительный клапан 2.
При тяжелом клапане 6 и длинных консолях в случае использования одного управляющего поршня возможно смещение осевой линии клапана от осевой линии перемещения штока 20, вследствие чего возможно неполная герметизация пары клапан-седло. Во избежание такого дефекта устанавливают поршень и шток с противоположной стороны. Изготавливать шток большого диаметра нельзя, т.к. он перекроет сечение в переключающем устройстве и увеличит его гидравлическое сопротивление, что недопустимо. Поршни 18, 19 используют для достижения допустимого удельного давления на уплотняющем материале предохранительного клапана (в принципе можно сделать и одним поршнем, но необходимо постоянно менять размеры поршня и корпуса, или заранее делать его непомерно большим и затем делать вставки, что конструктивно очень неудобно; удобнее делать несколько поршней, потом их даже добавляя).
При этом возможно несколько вариантов реализации:
1. Давление в трубопроводе 3 упало и перепада давления на клапане недостаточно для создания необходимого удельного давления на уплотняющий материал клапана 6. В этом случае изменяя диаметр поршня 19 и вкладыша 21, а также выбирая управляющие магистрали для подачи высокого и низкого давления, прикладывают необходимую дополнительную силу к клапану и добиваются герметичности пары клапан-седло. Например, если необходимо приложить большую дополнительную силу к клапану, в управляющие магистрали 13, 15 подают высокое давление из магистрали 3, а управляющие магистрали 12, 14 сообщают с областью низкого давления. Если же удельное давление на уплотняющий материал клапана 6 необходимо увеличить на небольшую величину, то в управляющие магистрали 13, 14 подают высокое давление из магистрали 3, а управляющие магистрали 12, 15 сообщают с областью низкого давления. При этом силы на поршни 18, 19 действуют в различных направлениях, и из силы, действующей на поршень 18, вычитается сила, действующая на поршень 19.
2. Давление в трубопроводе 3 выросло и перепад давления на клапане превышает необходимое удельное давление на уплотняющий материал клапана 6. В этом случае изменяя диаметр поршня 19 и вкладыша 21, а также выбирая управляющие магистрали для подачи высокого и низкого давления, добиваются необходимой дополнительной силы, действующей в противоположную сторону от силы, приложенной к клапану 6, и также добиваются герметичности пары клапан-седло.
В третьем варианте реализации разработанное устройство работает следующим образом.
По трубе 3 подают газ под высоким давлением - до 16 МПа. При превышении номинального давления в трубе 3 срабатывает один из предохранительных клапанов (1 или 2), при этом газ высокого давления сбрасывается в магистраль низкого давления (4 или 5). В случае, показанном на чертеже, газ из магистрали высокого давления 3 поступает на предохранительный клапан 1 и, после его срабатывания, сбрасывается в магистраль низкого давления 4. После срабатывания предохранительного клапана 1 магистраль высокого давления 3 необходимо переключить на предохранительный клапан 2. (При срабатывании одного из предохранительных клапанов необходимо переключить работу предложенного устройства на второй клапан для осуществления регламентных работ с первым клапаном.) Это достигается перемещением рабочего клапана 6 со штоком 7 в левое положение. Для этой цели предварительно выравнивают давление в полостях корпуса 19 и отводков корпуса 8 и 9, подавая высокое давление по магистрали подвода газовой среды 10 в полость под предохранительным клапаном 2. Затем по магистрали управляющего давления 12 и каналу пилона 15, соединяющимся с цилиндрической полостью пилона 17, сбрасывают давление, при этом в магистрали 13, канале пилона 16, соединяющимся с цилиндрической полостью пилона 18, уже было низкое давление. Для того чтобы переложить рабочий орган в левое положение, сначала увеличивают давление в магистрали 13, канале пилона 16 и цилиндрической полости пилона 18 (в магистрали 12, канале пилона 15 и цилиндрической полости пилона 17 до этого было установлено низкое давление) и, после перемещения штока 7 с клапаном 6 в левое положение, сбрасывают давление из полостей корпуса 19, отводок корпуса 9, расположенных под предохранительным клапаном 1, через магистраль управляющего давления 11. Изменение давлений в магистралях 10, 11, 12 и 13 производится управляющим органом. После этих операций на клапан 6 действует полная сила, равная произведению площади клапана 6 на перепад давления между низким и высоким давлением. Давление подано на предохранительный клапан 2.
Разработанное устройство может быть использовано при широком диапазоне изменения давления в подводящих магистралях.