КЛАПАН СБРОСА ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE RELIEF VALVE

Данное изобретение относится к клапану сброса давления, такому как выпускной клапан, в частности, для использования в доменных печах.
Доменные печи, или другие сосуды под давлением, как правило, имеют клапаны сброса давления на случай, если давление превышает конструктивные технические требования для этого сосуда. В доменных печах клапаны сброса давления находятся, как правило, в верхней части печи и соединены с трубопроводом из печи. Когда сосуд высокого давления работает при его расчетном давлении, он должен быть герметизирован для поддержания этого давления. В случае если давление превышает расчетное давление, то это давление должно быть сброшено для того, чтобы избежать катастрофического взрыва. Большие сосуды под давлением также требуют большого диаметра выпусков для быстрого уменьшения нарастающего давления, и такие выпуски должны иметь клапаны, установленные на них, для герметизации или вентилирования, в зависимости от обстоятельств.
Герметизация или вентилирование больших объемов текучей среды через большого диаметра вентиляционные отверстия в настоящее время достигается использованием конструкций для сброса или выпускных клапанов, в которых крышка принудительно открывается посредством гидравлического или пневматического приводного исполнительного механизма, который требует источника питания для работы, или посредством грузов, действующих под действием силы тяжести на уплотнение вокруг конца вентиляционного трубопровода, которые являются тяжелыми и громоздкими. Некоторые из этих конструкций могут быть полностью открыты оператором, управляющим механизмами, в то время как другие просто испытывают периодические изменения без средства для полного открывания по желанию оператора установки. В случае избыточного давления и отказа срабатывания, некоторые конструкции позволяют открытие клапана в той или иной степени, как правило, за счет частичного открытия выпускного клапана против пружин. Для доменной печи, как правило, имеются, по меньшей мере, три клапана. Типовая конструкция опирается на пружины для удержания крышки на месте в седле клапана до тех пор, пока давление не станет достаточным для преодоления усилие пружин. В некоторых случаях, между крышкой и седлом могут находиться мягкие уплотнения. Если усилие является достаточным только для приоткрывания уплотнения клапана в устройстве с мягкими уплотнениями, то горячие газы могут выходить через узкое отверстие и расплавить мягкие уплотнения, так что, когда давление падает, и крышка опускается обратно, уплотнение больше не является полностью эффективным.
Публикация WO2007090747 описывает выпускной клапан для печи с повышенным давлением, в котором закрывающий элемент установлен на поворотном рычаге, который приводится в действие посредством гидравлического или пневматического цилиндра для открывания клапана. Поскольку это требует внешнего источника питания, который должен иметься в наличии для полного открывания клапана, существует риск того, что он может выйти из строя при открывании в экстремальных условиях, если мощность потеряна в гидравлическом или пневматическом цилиндрах.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения клапанная система сброса давления содержит выпуск текучей среды из сосуда высокого давления; гибкую компенсационную деталь на конце выпуска текучей среды, удаленном от сосуда высокого давления; основной клапан сброса давления, содержащий седло клапана и крышку клапана, в котором седло клапана содержит фланец, установленный на компенсационной детали; и в котором крышка клапана выполнена с возможностью образования уплотнения клапана с фланцем; отводящий канал для текучей среды, соединенный с выпуском текучей среды; вторичный клапан сброса давления для приема текучей среды из отводящего канала для текучей среды; при этом вторичный клапан сброса давления дополнительно содержит выпуск, соединенный с исполнительным механизмом открывания клапана, посредством чего прохождение текучей среды через вторичный клапан сброса давления приводит исполнительный механизм открывания в действие для открывания крышки клапана.
Когда давление в сосуде высокого давления, и, следовательно, выпуске текучей среды превышает пороговое значение для вторичного клапана сброса давления, он открывается, чтобы позволить текучей среде проходить, чтобы заставить исполнительный механизм открыть основной клапан сброса давления на трубопроводе.
Предпочтительно, гибкая компенсационная деталь содержит полый корпус с гофрированными сторонами.
Предпочтительно, полый корпус имеет по существу цилиндрической сечение.
Предпочтительно, сечение выполнено меньшим или равным сечению выпуска для текучей среды.
Предпочтительно, крышка соединена с исполнительным механизмом открывания посредством выполненного с возможностью захождения за мертвую точку рычажного механизма.
Предпочтительно, выполненный с возможностью захождения за мертвую точку рычажный механизм соединен с исполнительным механизмом открывания посредством рычага управления.
Предпочтительно, система дополнительно содержит управляемый механизм закрытия крышки клапана.
Предпочтительно, механизм содержит гидравлически или пневматически управляемый цилиндр, соединенный с крышкой.
Предпочтительно, цилиндр соединен с крышкой посредством поворотно установленного рычага управления и выполненного с возможностью захождения за мертвую точку рычажного механизма.
Предпочтительно, фланец дополнительно содержит О-образное кольцевое уплотнение.
Предпочтительно, выпуск текучей среды и крышка установлены на общей опоре.
Предпочтительно, система дополнительно содержит первый стопор и второй стопор, установленные на общей опоре в плоскостях, перпендикулярных друг другу.
Стопоры расположены таким образом, чтобы противоположные концы выполненного с возможностью захождения за мертвую точку рычажного механизма контактировали со стопорами, которые могут быть горизонтальными и вертикальными стопорами.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, сосуд высокого давления доменной печи содержит множество клапанных систем сброса давления согласно первому аспекту.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения способ сброса давления в сосуде под давлением, содержащем выпуск текучей среды и по меньшей мере один основной клапан сброса давления, содержащий седло клапана и крышку клапана, включает в себя этапы, на которых: подают текучую среду из выпуска ко вторичному клапану сброса давления; обнаруживают давление текучей среды во вторичном клапане сброса давления; причем, когда обнаруженное давление превышает заданное пороговое значение, открывают вторичный клапан сброса давления для обеспечения возможности прохождения текучей среды к исполнительному механизму открывания клапана; с помощью цилиндра открывания клапана перемещают рычаг управления и выполненный с возможностью захождения за мертвую точку рычажный механизм, соединенный с крышкой клапана, таким образом, чтобы открыть крышку клапана.
Пример выпускного клапана в соответствии с настоящим изобретением будет описан ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1а представляет собой вид в перспективе примера клапана сброса давления согласно настоящему изобретению в открытом положении;
Фиг.1b представляет собой вид в перспективе примера клапана сброса давления согласно настоящему изобретению в закрытом положении;
Фиг.2 представляет более детально клапан сброса давления по фигурам 1а и 1b.
Фиг.2b иллюстрирует часть механизма для открытия клапана сброса давления согласно настоящему изобретению;
Фиг.3а иллюстрирует пример клапана сброса давления согласно настоящему изобретению в процессе открывания; и
Фиг.3b иллюстрирует клапан сброса давления по фиг.3а, когда он полностью открыт.
Фигуры 1a и 1b иллюстрируют пример клапанной системы сброса давления согласно изобретению. На фиг.1а клапан открыт, а на фиг.1b клапан закрыт. Фиг.2а представляет более детально часть системы. Клапанная система содержит большого диаметра трубопровод 1 от сосуда высокого давления доменной печи (не показан), например, приблизительно от 500 мм до 650 мм диаметром, к которому прикреплен приводной механизм клапана, опирающийся на трубопровод. Гибкая, сильфонного типа, компенсационная деталь 4 (сильфонный узел) предусмотрена на конце трубопровода 1, удаленном от печи, при этом сильфонный узел 4 устанавливается на внешней окружности трубопровода. Плоский фланец 5 и уплотнение 6, обычно О-образное кольцевое уплотнение для цилиндрического трубопровода и фланца, установлены на сильфонном узле 4, а крышка 7 соединена с опорой 3. Клапан сброса давления для трубопровода и сосуда высокого давления образованы фланцем 5 и крышкой 7. Фланец и О-образное кольцо обеспечивают контактную поверхность для крышки 7, которая поворотно установлена посредством выполненного с возможностью захождения за мертвую точку рычажного механизма 8 и рычага 19 управления к боковым стенкам 9 опоры 3. Свойство рычажного механизма обеспечивает, после закрытия посредством исполнительного механизма, "фиксированное" положение крышки 7, которая не будет в значительной степени отклоняться при любой сжимающей нагрузке. Порт, вставленный в трубопровод 1, соединен посредством малого диаметра трубопровода 13, например, в диапазоне от 10 мм до 50 мм, с коммерчески доступным сертифицированным клапаном 11 сброса давления, выход которого соединен через трубопровод 12 малого диаметра к исполнительному механизму 15 и открывающему цилиндру 16 (представлен на фиг.2b). Закрывающий цилиндр 10, как правило, управляемый гидравлически или пневматически, соединенный посредством поворотного цилиндра 22 к рычагу 19 управления и выполненному с возможностью захождения за мертвую точку рычажному механизму 8, предусмотрен для закрывания крышки. Стопор 24 закрывания и стопор 21 открывания предусмотрены для выполненного с возможностью захождения за мертвую точку рычажного механизма 8, а также амортизатор 20. Амортизатор 20 может быть заполненным маслом или заполненным газом.
Закрытие клапана зависит от работы гидравлического цилиндра 10. Когда выпускной клапан открыт, имеется зазор между крестовиной 23 гидравлического цилиндра и фитингом 14, в котором она установлена. Рычаг 19 управления, соединенный с выполненным с возможностью захождения за мертвую точку рычажным механизмом 8, находится жестко сверху против горизонтального механического стопора 21. Когда выпускной клапан начинает закрываться, гидравлический цилиндр 10 выдвигается, и крестовина 23 входит в зацепление в фитинг 14, как можно видеть на фиг.3b. Когда гидравлический цилиндр вытягивается, рычаг 19 управления и рычажный механизм 8 приводят в действие крышку 7 выпускного клапана против потока выходящего газа. По мере того как гидравлический цилиндр 10 продолжает выдвигаться, рычаг управления и рычажный механизм приближаются к положению за центром (за мертвой точкой). Крышка 7 выпускного клапана входит в контакт с фланцем 5 и уплотнением 6 и начинает сжимать сильфонный узел 4. Когда гидравлический цилиндр 10 полностью вытянут, рычажный механизм 8 находится жестко сверху против вертикального механического стопора 24. С закрытой крышкой 7 выпускного клапана, сильфоны 4 частично сжимаются и вместе с внутренним давлением газа обеспечивают противодействующую силу для удержания выполненного с возможностью захождения за мертвую точку рычажного механизма 8 в закрытом положении. Благодаря природе устройства сильфонов под давлением, чем более высокое внутреннее давление, тем больше сила уплотнения.
После того, как клапан был закрыт, гидравлический цилиндр 10 втягивается обратным образом, так как он не требуется для открытия выпускного клапана и отключения приводного механизма от крышки клапана, таким образом, обеспечивает самую быструю реакцию в случае сверх давления. По мере того как закрывающий механизм выпускного клапана завершает процесс закрытия, открывающий цилиндр 16 выпускного клапана сдвигается назад посредством концевой детали или "башмака" 17 закрывающего механизма клапана в корпус исполнительного механизма 15. Рычажный механизм управления, который закрывает крышку 7 выпускного клапана, действует в виде выполненного с возможностью захождения за мертвую точку зажима. Крышка выпускного клапана является закрытой, когда крышка прижимается против уплотнения 6, которое установлено во фланце 5. Фланец может образовывать часть сильфонного узла 4. Частичное сжатие сильфонного узла вызывает реакцию силы пружины, которая толкает назад против крышки 7 и блокирует выполненный с возможностью захождения за мертвую точку рычажный механизм. Закрывающий механизм выпускного клапана является, как правило, гидравлически или пневматически приводимым в действие, хотя и другие механические исполнительные механизмы могут быть использованы. С закрытой крышкой и втянутым гидравлическим исполнительным механизмом, закрытая крышка 7 и рычажный механизм 8 управления блокируются на месте.
Сильфонный узел 4 может содержать гофрированную боковую стенку с жесткими концевыми частями, образующую полый корпус. Как правило, сечение полого корпуса имеет во многом аналогичное сечение с трубопроводом, на котором он установлен, поэтому, в целом, цилиндрическую форму, хотя и другие формы, не исключаются. Как было описано выше, закрывающаяся крышка 7 частично сжимает сильфонный узел 4 и сила реакции пружины толкает назад против крышки для удержания рычажного механизма 8 в расположенном за мертвой точкой (за центром) положении. Кроме того, внутреннее давление в сосуде также надавливает на герметизированную нижнюю сторону крышки 7, добавляя к кажущейся открывающей силе, которая, благодаря устройству сильфонов и выполненного с возможностью захождения за мертвую точку рычажного механизма действует для увеличения уплотняющего усилия между фланцем 5, уплотнением 6 и крышкой 7. Таким образом, крышка фиксируется в ее закрытом положении, и фактически представляет собой твердое тело. Гибкий сильфонный узел 4 толкает фланец 5 и уплотнение 6 против нижней стороны крышки в силу своего усилия пружины, но и посредством внутреннего давления сосуда, которое действует в пределах кольцевых складок сильфонов. Таким образом, суммарное усилие пружины и давление в кольцевом пространстве в сильфонах 4 обеспечивают уплотняющее усилие против крышки 7. Так как внутреннее давление сосуда повышается, это создает усилие, удерживающее крышку закрытой и уплотняющее усилие против крышки.
Существующие конструкции полагаются на внешнюю силу тяжести грузов, или наборы пружин или исполнительные механизмы, действующие через рычаги, для поддержания закрывающего усилия, необходимого между крышкой клапана и седлом клапана. Это усилие должно быть установлено индивидуально для обеспечения достаточного уплотняющего усилия для удержания клапана закрытым и герметизированным, но не настолько большим, чтобы оно препятствовало открытию при требуемом давлении. Эту установку часто находят методом проб и ошибок при вводе в эксплуатацию. В настоящем изобретении, выпускной клапан закрывает крышку с силой, достаточной для преодоления газового потока, и прижимает крышку 7 к уплотнительному фланцу 5 для частичного сжатия компенсационной детали 4. Сжатие создает усилие реакции пружины, которое уплотняет клапан. Действие внутреннего давления сосуда на крышку 7 обеспечивает дополнительное закрывающее усилие крышки, которое является точно пропорциональным внутреннему давлению сосуда. Действие внутреннего давления сосуда внутри кольцеобразных складок сильфона также обеспечивает дополнительное уплотняющее усилие, которое является точно пропорциональным внутреннему давлению сосуда. Таким образом, данное изобретение имеет то преимущество, что крышка выпускного клапана имеет самонастраивающееся закрывающее усилие, а уплотнение имеет самонастраивающееся уплотняющее усилие.
Для удовлетворения требованиям предохранительного клапана, клапан должен сбрасывать давление при полном открывании отверстия, а также открываться без внешней системы управления или исполнительного механизма. Таким образом, открывание достигается за счет подачи воздуха к исполнительному механизму 15. Тем не менее, клапан может использовать внешнее управление, или энергию для открывания или закрывания клапана, в другое время.
Открывающий механизм клапана включает в себя сертифицированный коммерчески доступный клапан 11 сброса давления, соединенный посредством узкого диаметра трубопровода 12 к исполнительному механизму 15 и открывающему цилиндру 16. Возрастающее внутреннее давление в трубопроводе 1 обнаруживается клапаном 11 в газе, выделяемом через отводящий канал 13 в трубопроводе, который подается в сертифицированный клапан 11. Когда это давление превышает заранее установленный предел, клапан 11 срабатывает и открывается, чтобы позволить газу проходить в выпускной трубопровод 12. Давление этого газа в исполнительном механизме 15 заставляет открывающий цилиндр 16 выдвигаться. Открывающий цилиндр 16 выпускного клапана приводится в действие посредством давления газа из трубопровода 1 и толкает на заднюю концевую часть 17 рычажного механизма закрытия клапана. Относительно небольшого диаметра порт позволяет в находящемуся под давлением вентиляционному трубопроводу 1 ниже сильфона 4, обеспечивать источник газа из отводящего канала 13 к стандартному коммерчески доступному клапану 11 сброса давления, который является точно калиброванным до требуемого порогового давления. Сторона сброса клапана 11 сброса давления выполнена в виде трубопровода 12 до соответствующего размера исполнительного механизма 15, 16 открывания клапана, который расположен для нажатия против обратной стороны 17 рычажного механизма закрытия клапана.
Когда концевая часть 17 движется, она вращает главный рычаг 22 и приводит в действие рычаг 19 управления и рычажный механизм 8 обратно через расположенное по центру положение, размыкая уплотнение крышки клапана, позволяя собственному весу механизма и выдуваемому газу на крышку выпускного клапана объединиться, чтобы разблокировать выполненный с возможностью захождения за мертвую точку рычажный механизм и открыть клапан полностью как это можно видеть на фигурах 3a и 3b. По мере того как крышка 7 выпускного клапана открывает закрытую головку высокого давления внутри трубопровода 1 изменяя с высокой скоростью, область низкого давления заставляет сертифицированный клапан 11 сброса давления закрываться нормально и предотвратить прохождение "грязного" газа через отводящий канал 13 и выпускной трубопровод 12. Рычаг 19 управления и рычажный механизм 8 отступают назад, когда крышка перемещается в направлении полного открытия, рычажный механизм контролируется амортизатором 20, который предотвращает резкий удар при достижении полностью открытого положения. Выпускной клапан 5, 7 является полностью открытым, когда рычажный механизм 8, 19 находится жестко против горизонтального механического стопора 21. Внутреннее давление сосуда способно выдуваться при открытой крышке 7 клапана. Независимо от уровня давления, удерживающего клапан закрытым, тот же уровень давления используется через механизм для его открытия. Если клапан работает по требованию от системы управления, то в этом случае не может быть достаточно сильного давления для выдувания при полностью открытой крышке, в этом случае вес рычажного механизма 8 будет действовать под действием силы тяжести и полностью открывать крышку для приведения уплотняющей поверхности крышки 7 от разрушительного воздействия текучей среды, выходящей из сосуда.
Некоторые из существующих конструкций, которые используют механизм закрывания, используют исполнительный механизм, который не только закрывает крышку клапана, но и приводит комплект пружин в более центральное положение, чтобы зафиксировать клапан закрытым. Исполнительный механизм остается в требуемом положении, но в состоянии покоя, хотя исполнительный механизм может повторно приводится в действие для открытия клапана, или, когда внутреннее давление сосуда преодолевает комплект пружин и разблокирует выполненный с возможностью захождения за мертвую точку механизм, то исполнительный механизм действует как демпфер, который замедляет открытие клапана и вызывает длительное воздействие крышки к разрушающему действию потока текучей среды, выходящего из сосуда.
Крышка выпускного клапана по настоящему изобретению закрывается с помощью гидравлического цилиндра 10, который приводит в действие рычажный механизм 8, который проходит за центр (мертвую точку), когда крышка 7 надавливает на компенсационную деталь типа гибкого сильфона 4. Усилие пружины компенсационной детали 4 типа сильфона обеспечивает первоначальное замыкающее усилие для закрепления за центром (мертвой точкой). Когда крышка 7 закрыта, гидравлический цилиндр 10 может быть втянут (не показан), оставляя рычажный механизм 8 в его заблокированном положении. Когда рычажный механизм разблокирован, крышка 7 клапана является свободной для открывания без помех, пока рычажный механизм контактирует с амортизатором 20, в течение этого времени крышка клапана 7 больше не подвергается повреждающему действию потока текучей среды, выходящего из сосуда.
Таким образом, изобретение имеет то преимущество, что открывает крышку выпускного клапана без ограничения и радикально снижает воздействие на уплотнительную поверхность крышки разрушающего действия текучей среды, выходящей из сосуда.
Существующие конструкции выпускного клапана, который может быть открыт по команде, делают это с использованием исполнительного механизма, который закрывает его. В случае прекращения подачи энергии или повреждения системы управления, такие клапаны должны полагаться на комплект пружин, чтобы раздвинуться достаточно для обеспечения открытия клапана, по меньшей мере, частично.
В настоящем изобретении, выпускной клапан открывается с использованием того же самого открывающего механизма, или системой управления, или использованием встроенного самостоятельного исполнительного механизма в случае возникновения избыточного давления. В случае отказа электропитания или системы управления, клапан не может быть открыт по команде, но давление газа из внутренней части вентиляционного отверстия 13 сосуда высокого давления, которое проходит через стандартный предохранительный клапан, установленный на требуемое давление и в приводной цилиндр 16, приводит в действие силовой цилиндр и открывает крышку 7, таким образом гарантируя, что выпускной клапан будет работать, даже если нет внешнего источника питания. Открывающий цилиндр 16 выдвигается и надавливает на башмак 17 и, следовательно, рычаг 19 управления и рычажный механизм 8 закрытия клапана таким образом, чтобы разблокировать механизм и позволить крышке 7 клапана быть открытой. Электромеханический клапан (не показан) может быть размещен параллельно с предохранительным клапаном 11, чтобы допустить текучую среду в исполнительный механизм 16 из вентиляционного отверстия сосуда высокого давления, при нормальных условиях эксплуатации.
Преимущество состоит в том, что, так как сила уплотнения является пропорциональной внутреннему давлению сосуда, и сила запирания крышки является пропорциональной внутреннему давлению сосуда, то всегда будет существовать достаточное давление для обеспечения эффективного уплотнения, а также самостоятельно действующего открывающего исполнительного механизма.
Настоящее изобретение обеспечивает компактный выпускной клапан, в котором открывающий механизм имеет возможность действовать независимо от любого внешнего источника питания, используя только давление газа в самом клапане. Цилиндр исполнительного механизма должен быть с силовым приводом, как правило, гидравлически или пневматически приводимым в действие для того, чтобы закрыть клапан, но внешний источник питания не требуется для открывания клапана, так что если происходит отказ гидравлического или пневматического давления, клапаны все еще способны к открыванию против обеспечивающей возможность захождения за мертвую точку пружины сжатия и расширительная система и клапан затем полностью открывается в случае экстремального давления в доменной печи, таким образом, обеспечивая истинно безопасное устройство сброса давления. Клапан по настоящему изобретению может работать в качестве предохранительного клапана, что невозможно в конструкциях по предшествующему уровню техники. Чувствительный к давлению выпускной клапан является управляемым со степенью точности, которая не представляется возможной с существующими конструкциями. Выпускной клапан может быть открыт или закрыт под контролем оператора установки, но также открываться автоматически, если достигнуто пороговое давление. Для автоматического открытия, выпускной клапан использует давление внутри сосуда под давлением, чтобы привести в действие открывающий механизм, тем самым гарантируя, что выпускной клапан способен открываться полностью, даже в случае отказа системы управления.