ОБРАТНЫЙ КЛАПАН

Полезная модель относится к области защитной арматуры для магистральных трубопроводов для нефти и газа, а также может быть использована в системах циркуляционных контуров энергетических установок как устройство для аварийного перекрытия трубопровода в случае внезапного разрыва трубопровода или аварийной остановки циркуляционного насоса.
Известен обратный клапан, содержащий корпус с установленным по его оси клапаном со штоком, размещенным подвижно в опорной втулке, закрепленной на радиальных ребрах в корпусе.
Для исключения вибрации клапана от воздействия транспортируемой среды на наружной шаровидной поверхности клапана выполнены лопасти, установленные под углом к направлению потока, а на торце опорной втулки и на расположенной под клапаном ответной опоре выполнены зубцы для стопорения клапана от поворота.
Транспортируемая среда, воздействуя на лопасти, поворачивает клапан со штоком в опорной втулке и вводит зубцы в зацепление, что обеспечивает постоянное удержание клапана в неподвижном состоянии, а также защиту опоры клапана от вибрационного разрушения (см. патент РФ на полезную модель «Обратный клапан» №48608 от 27.10.05 г.).
Недостатком известной конструкции обратного клапана является то, что она при аварийных ситуациях на горизонтальных участках трубопровода, связанных с нарушением подачи транспортируемой среды, в виде резкого уменьшения или прекращения расхода, когда низкое
гидравлическое сопротивление известного клапана при возникновении обратного тока среды может не создать условий, необходимых для обратного поворота клапана и расцепления его опорной поверхности с зубцами на опорной втулке и последующего его осевого перемещения в сторону перекрытия проходного отверстия в корпусе обратного клапана.
При уменьшении расхода транспортируемой среды, а тем более при его прекращении, когда возникает обратный ток среды, находящейся в системе трубопровода за обратным клапаном, куда до аварии нагнеталась транспортируемая среда, возникает проблема перемещения клапана в сторону его закрытия от силы гидравлического сопротивления, вызываемой обратным током среды.
Известна также конструкция обратного клапана по патенту DE 4342577 А1, кл. F16K 15/02 от 22.03.1995 г., внутри штока которого установлена пружина сжатия, которая при работе трубопровода все время сжата напором потока в трубопроводе, а при аварийном прекращении напора предназначена для расцепления клапана с опорой и перемещения его к седлу горловины корпуса клапана до полного перекрытия трубопровода. Недостатком этой конструкции является то, что пружина сжатия, установленная в полом штоке, выполнена большой длины, которая необходима для полного принудительного закрытия клапана.
В обратных клапанах этой конструкции, используемых на горизонтальных участках трубопроводов, пружина расположена горизонтально и при максимальном сжатии выгибается и в определенной мере заклинивается в осевом канале штока и в этом состоянии находится весь период эксплуатации трубопровода до планового его ремонта или аварии с образованием в трубопроводе обратного тока транспортируемой среды.
При длительном нахождении пружины в состоянии полного сжатия и распора между стенками канала между сжатой пружиной и стенкой канала из-за коррозии и процессов заиливания или парафинирования в случае перекачки нефти возникают различные отложения вокруг пружины, которые могут затормозить срабатывание пружины, а если по каким-либо причинам обратный ток среды в трубопроводе окажется слабым, то это обстоятельство может вызвать задержку начала закрытия клапана или его зависание в открытом положении.
Задачей настоящей полезной модели является создание конструкции обратного клапана, устанавливаемого на горизонтальных участках трубопровода, обеспечивающей в случае разрыва трубопровода быстрое гарантированное закрытие обратного клапана независимо от длительности предшествующей эксплуатации.
Техническим результатом настоящей полезной модели является то, что при падении давления в трубопроводе ниже допустимого клапан независимо от длительности предварительной эксплуатации в рабочем режиме без какой-либо задержки расцепляется с зубчатой опорой и автоматически перемещается в сторону перекрытия горловины корпуса клапана, после чего его подхватывает обратный ток перекачиваемой среды и прижимает к седлу, надежно перекрывая трубопровод.
Указанный технический результат достигается тем, что в обратном клапане, предназначенном для автоматического перекрытия трубопровода в случае образования в нем обратного тока транспортируемой среды, содержащем корпус, по оси которого выполнена горловина с седлом для клапана, который выполнен на конце полого штока с опорой на пружину сжатия и возможностью перемещения в опорной втулке, установленной по оси корпуса на радиальных ребрах, при этом по оси опорной втулки закреплен стержень, на который одета пружина сжатия, а на свободном конце стержня выполнен упор для пружины, ограничивающий ее
перемещение при образовании обратного тока транспортируемой среды в трубопроводе;
- кроме этого упор для пружины установлен на расстоянии, которое ограничивает перемещение пружины до величины, равной не более половины обратного хода клапана.
Стержень, на который одета пружина, обеспечивает ее сжатие строго по оси и тем самым исключает распирание пружины в канале штока и одновременно уменьшает вероятность образования вокруг пружины различных отложений, препятствующих расширению пружины в случае аварийного образования обратного тока транспортируемой среды в трубопроводе.
Уменьшение первоначальной длины пружины сжатия и ограничение ее расширения с помощью упора до величины менее половины хода клапана до его полного закрытия гарантирует четкое срабатывание пружины при падении давления в трубопроводе ниже допустимой величины.
Характеристики короткой пружины сжатия позволяют легко расцеплять шток клапана с зубчатой опорой и сдвигать его в сторону седла. После расцепления клапан легко перемещается в сторону седла обратным током практически любого расхода и почти мгновенно перекрывает обратный поток в трубопроводе.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез обратного клапана в открытом (рабочем) состоянии, на фиг.2 представлено место установки пружины на стержне с упором в увеличенном масштабе в рабочем положении клапана, на фиг.3 - продольный разрез обратного клапана в закрытом (аварийном) состоянии, на фиг.4 - положение пружины в закрытом (аварийном) положении клапана, на фиг.5 представлен клапан со штоком, на фиг.6 представлен вид на клапан со стороны рабочего потока, на фиг.7
представлена кольцевая опора, в которой с помощью ребер закреплена втулка для штока с пружиной и конусная втулка для формирования потока.
Обратный клапан содержит: корпус 1, клапан 2 со штоком 3, кольцевую опору 4, с закрепленными в ней на ребрах 5 втулкой 6 и конусной направляющей для формирования потока 7.
На сферической поверхности клапана под небольшим углом атаки к потоку установлены лопасти 8, а в центре шаровой поверхности выполнен обтекатель 9. Внутренняя поверхность корпуса содержит: горловину 10, конусную поверхность седла клапана 11, конусную поверхность 12, выполненную на кольцевой опоре 4.
Устройство для стопорения клапана состоит из упоров 13 с винтовыми поверхностями 14, выполненными на торце опорной втулки и основания штока 3. В штоке 3 клапана 2 выполнена полость 15, в которой размещен стержень 18 с упором 20, пружина 16 и опорная шайба 19. Стержень 18 закреплен в торце 17 опорной втулки 6.
Обратный клапан работает следующим образом.
Клапан используется в высоконапорных трубопроводах в качестве защитной арматуры, автоматически перекрывающей трубопровод в случае внезапной остановки циркуляционного насоса или аварийного разрыва трубопровода перед клапаном.
При нормальной штатной работе трубопровода обратный клапан 2 постоянно находится в открытом состоянии, пропуская транспортируемую среду. Транспортируемая среда воздействует на лопасти 8, которые поворачивают клапан 2 со штоком во втулке 6, прижимая при этом выступы 13 друг к другу, а это, с свою очередь, исключает вибрацию клапана во втулке 6 и практически полностью предотвращает их износ. При этом пружина 16 с помощью опорной шайбы 19 прижата к торцу 17 опорной втулки 6.
В случаях, когда в трубопроводе внезапно прекращается принудительный подпор, транспортируемая среда начинает двигаться в обратную сторону, что может привести к аварийной ситуации, например, на охлаждаемой перекачиваемой средой установке.
Обратный клапан предназначен для автоматического предотвращения вытекания транспортируемой среды из циркуляционного контура системы.
Процесс срабатывания клапана начинается с того, что обратный ток транспортируемой среды, образующийся при разрыве трубопровода или прекращении работы перекачивающей системы, должен стронуть клапан и начать двигать его к седлу горловины корпуса обратного клапана.
Для того, чтобы обратный ток транспортируемой среды «захлопнул» клапан, достаточно его переместить к входной горловине всего лишь на половину хода клапана.
Усилие пружины 16 выбирают таким образом, чтобы сила напора рабочего потока транспортируемой среды, воздействующая на клапан в рабочем режиме, была в 1,5-3 раза больше силы максимального сжатия пружины. Для каждого типа транспортируемой среды и трубопровода пружина подбирается индивидуально в зависимости от возможных аварийных ситуаций и требований, при которых обратный клапан должен перекрывать обратный ток транспортируемой среды.
В аварийных случаях, когда в трубопроводе внезапно прекращается или резко сокращается принудительный напор транспортируемой среды, под воздействием пружины 16 с помощью опорной шайбы 19 клапан 2 начинает перемещаться в сторону горловины 10 корпуса клапана.
Воздействие пружины 16 на клапан 2 осуществляется до тех пор, пока опорная шайба 19 не коснется упора 20 на стержне 18.
При этом происходит уменьшение площади прохода для транспортируемой среды между клапаном 2 и входной горловиной 10 и, как следствие, увеличение ее скорости и падения статического давления (в соответствии с уравнением Бернулли), что практически приводит к мгновенному закрытию клапана, как показано на рис.3.