Затвор концевой байонетный

Полезная модель относится к затворам для сосудов, аппаратов и концевых участков трубопроводов, работающих под высоким давлением, и может быть использована в различных отраслях промышленности, в частности в химической и нефтегазовой, для обеспечения доступа во внутренние полости объектов без нарушения их целостности при проведении обслуживания, диагностики и ремонта.
Известен затвор камеры приема-запуска (патент РФ №2437022, F16L 29/00, опубл. 20.12.2011), который включает корпус, откидную выпуклую крышку с узлом ее поворота, узел фиксации крышки, выполненный в виде закрепленного на крышке зубчатого сектора с двумя группами зубьев, съемную шестерню и поворотный фиксатор. Зубчатый сектор выполнен с выемкой, в которую при закрытом положении крышки упирается поворотный фиксатор. Зубчатый сектор и поворотный фиксатор при закрытом положении крышки соединены съемной планкой. На секторных выступах крышки, входящих в байонетное зацепление с секторными выступами корпуса, выполнены предохранительные канавки.
Известен затвор концевой байонетный (патент РФ №2418218, F16J 13/16, опубл. 10.05.2011), который содержит полый корпус и откидную крышку. Поджатие крышки к корпусу осуществляется с помощью байонетного соединения, контактные поверхности которого выполнены по винтовой линии. Крышка закреплена на откидном рычаге на шаровой опоре. Поворот крышки вокруг оси происходит за счет взаимодействия съемного ключа-шестерни, устанавливаемого на закрепленные на корпусе оси. Ключ-шестерня взаимодействует с зубчатым сектором, закрепленным на крышке, и имеет два рабочих участка, обеспечивающих поворот крышки в два этапа. Блокировка поворота крышки осуществляется с помощью фиксатора, связанного с выпускным краном. Герметичность затвора обеспечивается уплотнителем, расположенным в канавке корпуса.
Недостатками известных конструкций затворов являются большая концентрация напряжений, возникающих при зацеплении элементов байонетного соединения, что не исключает вероятности возникновения трещин при затягивании крышки и/или раскрытия соединения при резком изменении давления рабочей среды в эксплуатируемом объекте, а также большие габаритные размеры затворов. Кроме того, в патенте №2418218 поворот крышки затвора осуществляют в два этапа, что увеличивает время процесса открывания/закрывания и может приводить к возникновению небезопасных ситуаций.
Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, является затвор концевой байонетный, предназначенный для запирания крышек сосудов, аппаратов и концевых участков трубопроводов, работающих под высоким давлением (патент №2546142, F16J 13/20, опубл. 10.04.2015). Затвор включает полый корпус и крышку с элементами байонетного соединения. Крышка закреплена на откидном рычаге поворотной опоры в радиально-упорном подшипнике в стакане, установленном на крышке. Уплотнительные элементы установлены в кольцевых пазах крышки, устройство сброса давления внутри системы и блокировки поворота крышки относительно корпуса выполнено в виде стопора. Механизм перемещения крышки по оси и по окружности выполнен в виде вилки, закрепленной на крышке, и ходового винта с ручным или механизированным управлением.
Недостатками прототипа, как и аналогов, являются большая концентрация напряжений, возникающих при зацеплении элементов байонетного соединения, что не исключает вероятности возникновения трещин при затягивании крышки и/или раскрытия соединения при резком изменении давления рабочей среды в эксплуатируемом объекте, сложность конструкции, а также большие габаритные размеры затвора.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в расширении арсенала средств, обеспечивающих долговечность и безопасность затвора концевого байонетного, а также удобство эксплуатации за счет уменьшения угла поворота крышки относительно корпуса при открывании/закрывании.
Технический результат состоит в увеличении надежности затвора за счет перераспределения нагрузки в байонетном соединении и снижении концентрации напряжений, повышении технологичности при требуемой герметичности и снижении массы.
Указанный результат достигается за счет того, что в затворе концевом байонетном, содержащем полый корпус и крышку, выполненные с элементами байонетного соединения, включающего выступы на крышке, охватываемые выполненными идентичными пазами на корпусе, крышка закреплена на откидном рычаге поворотной опоры в подшипниковом узле в стакане, размещенном на крышке, и установлена с возможностью поворота на оси подшипникового узла, причем поворотная опора закреплена на корпусе, установленные в кольцевых пазах крышки уплотнительные элементы, узел блокировки поворота крышки относительно корпуса и механизм перемещения крышки по оси и по окружности, согласно полезной модели, выступы на крышке и пазы на корпусе выполнены состоящими по меньшей мере из двух равных по ширине ступеней, при этом расстояние между выступами на крышке и пазами на корпусе соответствует ширине ступени, механизм перемещения крышки по оси и по окружности выполнен в виде ключа-шестерни, устанавливаемого на закрепленную на корпусе ось и взаимодействующего с закрепленным на крышке зубчатым сектором. Кроме того, узел блокировки поворота крышки относительно корпуса состоит из поршня, уплотнителя и пружины, и установлен в пазу крышки с возможностью перемещения поршня в выполненный в поворотной опоре паз.
Полезная модель иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 схематично показан общий вид затвора, на фиг. 2 - то же в разрезе, на фиг. 3 - узел блокировки поворота крышки в разрезе и на фиг. 4 - уплотнительные элементы.
Затвор концевой байонетный содержит:
корпус 1;
элементы 2 байонетного соединения корпуса;
крышку 3;
элементы 4 байонетного соединения крышки;
откидной рычаг 5;
поворотную опору 6;
подшипниковый узел 7;
вал 8 поворотной опоры;
кронштейн 9 поворотной опоры;
редуктор 10;
уплотнительное кольцо 11;
уплотнительную манжету 12;
покрытие поверхности пазов 13;
ключ-шестерню 14;
зубчатый сектор 15;
ограничители 16;
поршень 17;
пружину 19;
защитный кожух 20.
Байонетный затвор включает полый корпус 1, который имеет элементы байонетного соединения 2, расположенные по окружности, крышку 3 с элементами байонетного соединения 4, количество которых соответствует элементам байонетного соединения 2 корпуса 1, при этом выступы на крышке и пазы на корпусе выполнены идентичными друг другу.
Байонетное соединение выполнено в виде выступов на крышке, каждый из которых состоит по меньшей мере из двух равных по ширине ступеней, которые входят в идентичные пазы на корпусе, расстояние между выступами на крышке и пазами на корпусе соответствует ширине ступени. Элементы соединения входят в плотное зацепление при повороте вокруг оси одного из элементов соединения относительно другого. Такое выполнение элементов байонетного соединения обеспечивает уменьшение угла поворота крышки до полного закрытия. Площадь перекрытия выступов и пазов, определяющая уровень контактных напряжений в рабочем положении, увеличивается до 75%. В то же время напряжения изгиба и среза в опасном (корневом) сечении выступа и паза уменьшаются за счет перераспределения нагрузки по меньшей мере на две ступени, увеличивая запас прочности элементов байонетного зацепления. Это позволяет существенно повысить надежность конструкции и одновременно снизить ее массу за счет уменьшения толщины и высоты выступов и пазов, а следовательно - диаметра и высоты крышки и корпуса.
Количество выступов и пазов определяют конструктивно, исходя из свойств материала, заданных толщины, давления и диаметра затвора. Выполнение пазов и выступов в виде ступеней уменьшает площадь смятия и увеличивает площадь среза, а следовательно, уменьшает концентрацию напряжений, повышает надежность соединения, технологичность и удобство эксплуатации, а также снижает затраты на изготовление.
Крышка 3 закреплена на откидном рычаге 5 поворотной опоры 6 через подшипниковый узел 7, установленный в стакане, закрепленном на крышке. Поворотная опора 6 представляет собой шарнирное соединение, выполненное в виде вала 8, установленного в отверстиях кронштейнов 9, закрепленных с наружной стороны корпуса 1. Для открывания/закрывания крышки затвора небольшого диаметра на ней может быть предусмотрена, например, скоба для ручного открытия, а при большом диаметре крышки вал 8 соединен с приводом, например, через червячный редуктор 10.
Уплотнительные элементы представляют собой кольцо 11 и манжету 12 и установлены в кольцевых пазах крышки 3, обеспечивая более плотное прилегание поверхности крышки к корпусу и повышая герметичность. Поверхность пазов может быть выполнена с покрытием, например, в виде наплавленного металла 13 для повышения коррозионной стойкости материала в месте расположения уплотнительного элемента.
Перемещения крышки по окружности и одновременно в осевом направлении по винтовой линии осуществляют с помощью механизма, выполненного в виде ключа-шестерни 14, устанавливаемого на закрепленную на корпусе ось и взаимодействующего с закрепленным на крышке 3 зубчатым сектором 15. Такое выполнение обеспечивает надежность и технологичность в связи с простотой открытия затвора, а также повышает ремонтопригодность затвора за счет легко заменяемых элементов. Угол поворота крышки 3 при ее открывании или закрывании регулируют при помощи установленных на корпусе 1 ограничителей 16.
Узел блокировки поворота крышки относительно корпуса состоит, в частности, из поршня 17, уплотнителя 18 и пружины 19 и установлен в пазу крышки 3 с возможностью перемещения поршня в паз, выполненный в кронштейне 9 поворотной опоры 6. Защитный кожух 20 может быть установлен на корпусе 1, например, на шарнирах с возможностью его фиксации в закрытом состоянии замком.
Затвор работает следующим образом. При закрывании затвора крышка 3 с помощью откидного рычага 5 поворотной опоры 6 вручную, например, при помощи скобы или при помощи редуктора 10 (при большом диаметре затвора) поворачивается вокруг вала 8, установленного в отверстиях кронштейна 9 поворотной опоры 6, до контакта с поверхностью корпуса. При этом элементы байонетного соединения крышки 4 свободно размещаются в пазах между элементами байонетного соединения корпуса 2, а подшипниковый узел 7 обеспечивает радиальную и осевую жесткость расположения крышки на поворотном механизме, точность установки и фиксации крышки на поверхности корпуса.
Поворот крышки 3 осуществляется с помощью ключа-шестерни 14, устанавливаемого на оси корпуса и взаимодействующего с закрепленным на крышке зубчатым сектором 15. Крышка получает осевое перемещение по линии многозаходной резьбы (каждый выступ крышки находится под углом, как резьба) по окружности на угол, заданный конструктивными расчетами, для поджатая уплотнительных элементов 11 и 12 и окончательного зажима крышки. При этом элементы байонетного соединения входят в зацепление, обеспечивая надежное соединение крышки с корпусом, угол поворота крышки регулируется ограничителями 16. Таким образом, разъемное соединение крышки с корпусом обеспечивают путем осевого перемещения элементов байонетного соединения крышки по пазам корпуса и относительного поворота крышки при окончательном зажиме.
Для блокировки поворота крышки относительно корпуса предусмотрен предохранительный узел, состоящий, в частности, из поршня 17, уплотнителя 18 и пружины 19. Под действием давления среды внутри затвора поршень 17, установленный в пазу крышки 3, входит в паз, выполненный, в частности, в кронштейне поворотной опоры 6, фиксируя затвор в закрытом положении. На затвор устанавливают защитный кожух и фиксируют замком. Открытие затвора осуществляют в обратной последовательности.
Затвор концевой байонетный был опробован при проведении испытаний на трубопроводе номинальном диаметром 500 мм при рабочем давлении внутренней среды 11,8 МПа. В процессе испытания течи и образования капель не наблюдалось, все элементы затвора работали в штатном режиме, отказа оборудовании не происходило. После сброса давления узел блокировки поворота крышки разблокировал движение крышки на открытие. При разгерметизации и открытии затвора перемещение крышки не создавало травмоопасной ситуации для оператора.
Использование предлагаемого затвора позволит повысить надежность затвора, что приведет к увеличению долговечности, и безопасность работы затвора, а также обеспечит снижение его массы и повышение технологичности, обеспечивая при требуемой герметичности удобство эксплуатации.