КОМПАКТНАЯ ЗАДВИЖКА С РАСШИРЯЮЩИМСЯ ЗАТВОРОМ

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре, предназначенной для использования на трубопроводах, в частности к запорной арматуре, служащей для перекрытия потока среды.
Из уровня техники известна задвижка (патент РФ на полезную модель №57410, опубл. 10.10.2006, МПК: F16K 3/10), содержащая корпус, в котором размещен двухдисковый затвор, взаимодействующий с уплотнительными седлами корпуса. Затвор состоит из двух запорных дисков с наружными уплотнительными поверхностями. Привод перемещения дисков выполнен в виде установленных между ними двух однонаправленных клиньев, соединенных между собой тягой. Тяга снабжена дополнительными клиновыми элементами, размещенными с возможностью взаимодействия с клиновыми элементами, закрепленными с помощью сварки на внутренней поверхности дисков. Также на внутренней поверхности дисков выполнены ответные однонаправленным клиньям скосы.
При закрытии задвижки запорные диски с помощью тяги устанавливаются напротив уплотнительных седел корпуса. При дальнейшем движении тяги вниз однонаправленные клинья, перемещаясь по скосам, раздвигают диски в сторону седел корпуса с необходимым усилием, обеспечивающим герметичность задвижки за счет контакта уплотнительных поверхностей дисков с седлами корпуса.
При открытии задвижки тяга с однонаправленными клиньями перемещается вверх, снимая распирающее усилие на диски. Одновременно дополнительные клиновые элементы, взаимодействуя с клиновыми элементами, отводят уплотнительные поверхности запорных дисков от уплотнительных седел корпуса с образованием гарантированного зазора между ними. Дальнейшее перемещение тяги вверх выводит запорные диски из зоны уплотнительных седел корпуса.
Недостатками задвижки являются низкая надежность из-за наличия сложной и ненадежной системы герметизации, требующей высокоточной настройки, и возможности внезапных отказов в работе вследствие отсутствия устройства сброса давления и контроля герметичности.
Также из уровня техники известна компактная задвижка с расширяющимся затвором CEG, производства фирмы M&J ValveSPX, сведения о которой опубликованы в сети Интернет (http://www.spx.com/en/mj-valve - дата обращения 29.08.2016).
Компактная задвижка с расширяющимся затвором имеет механизм двойного перекрытия, с помощью которого герметичность обеспечивается как вниз, так и вверх по потоку при любых диапазонах давления. Герметичность достигается благодаря применению специального механизма расширяющегося затвора. Конструкция задвижки с расширяющимся затвором позволяет достигать низкой изнашиваемости деталей задвижки, прежде всего седел.
Доступ к деталям задвижки осуществляется через верхнюю крышку. Это позволяет производить замену отдельных частей без демонтажа задвижки с трубопровода. Форма запирающего элемента обеспечивает компактность размеров задвижки, а в конструкции задвижки предусмотрено наличие системы местного и дистанционного контроля протечек.
Компактная задвижка с расширяющимся затвором CEG, производства фирмы M&J ValveSPX, по совокупности технических признаков наиболее близка к заявляемой полезной модели и принята за прототип.
Недостатком компактной задвижки с расширяющимся затвором CEG является малый срок службы узла затвора вследствие применения для обеспечения герметичности только одного уплотнительного кольца, расположенного на седле задвижки, повреждение которого приводит к негерметичности узла затвора задвижки. Индикация положения запорного органа задвижки осуществляется по указателям привода, отсутствие указателей положения на самой задвижке не позволяет однозначно определить положение запорного органа при снятом электроприводе при проведении технического обслуживания и ремонте, что может повлечь за собой неправильную настройку электропривода и как следствие не выполнение задвижкой своих функций по обеспечению герметичности узла затвора. Кроме того, конструкция сальникового уплотнения шпинделя при наличии протечек, не устранимых подтяжкой и набивкой уплотнительной смазки, не позволяет производить его замену без остановки трубопровода и демонтажа стойки задвижки. Указанные недостатки снижают надежность работы задвижки и усложняют проведение технического обслуживания и ремонта.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка конструкции задвижки с расширяющимся затвором с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении надежности задвижки с расширяющимся затвором в условиях реальной эксплуатации.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается за счет того, что компактная задвижка с расширяющимся затвором содержит сварной корпус с укрепляющими ребрами, сварную крышку, узел затвора, состоящий из седел с запрессованными уплотнительными кольцами и запирающего элемента, состоящего из двух дисковых элементов с сопрягаемыми друг с другом клиновыми поверхностями и соединяющих их двух ограничителей, шпиндель, соединенный одним концом внутри корпуса с запирающим элементом, а другим концом проходящим через крышку, стойку и узел сальника шпинделя, соединенный с ходовой втулкой бугельного узла, на который устанавливается электропривод, устройство автоматического сброса давления, состоящее из предохранительного клапана и трубок обвязки, узел контроля протечек, состоящий из датчика дифференциального давления, соединенного с полостью корпуса и входным патрубком задвижки импульсными трубопроводами, причем в седлах применено двойное уплотнение, которое образуют кольца уплотнительные, обеспечивающие герметичность узла затвора в положении «закрыто»; узел сальника шпинделя содержит верхнее уплотнительное кольцо, обеспечивающее герметизацию типа «металл-металл», спускной клапан и нагнетательный клапан; в стойке размещены нижнее смотровое окно и верхнее смотровое окно и нанесены указатели положения направления движения запирающего элемента.
Кроме того, указанный технический результат достигается в частных случаях реализации полезной модели за счет того, что:
- уплотнительные поверхности дисковых элементов имеют наплавку из коррозионностойкой стали с твердостью не менее 35HRC;
- шпиндель выполнен из поковки коррозионностойкой стали с пределом текучести не менее 650 МПа и имеет ходовую однозаходную трапецеидальную резьбу Тr 50×8;
- верхнее уплотнительное кольцо узла сальника шпинделя изготовлено из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т;
- нагнетательный клапан выполнен с возможностью создания давления в узле сальника шпинделя, превышающего давление в корпусе задвижки с помощью пластичной литиевой смазки;
- предохранительный клапан устройства автоматического сброса давления выполнен с возможностью срабатывания при значении рабочего давления в корпусе, более чем на 30% превышающем номинальное рабочее давление, на которое рассчитан корпус задвижки;
- диапазон измерений датчика дифференциального давления составляет от 0 до 1,3 номинального значения давления в корпусе задвижки;
- датчик дифференциального давления выполнен с возможностью преобразования значения разницы давлений в унифицированный токовый сигнал и цифровой сигнал в стандарте протокола HART.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами:
Фиг. 1 - общий вид компактной задвижки с расширяющимся затвором;
Фиг. 2 - продольный разрез компактной задвижки с расширяющимся затвором;
Фиг. 3 - выносной элемент А (сальниковое уплотнение шпинделя в разрезе);
Фиг. 4 - выносной элемент Б (седло в разрезе);
Фиг. 5 - выносной элемент В (уплотнение разъема «корпус-крышка»);
Фиг. 6 - запирающий элемент.
На указанных чертежах позициями обозначены следующие конструктивные элементы:
1 - корпус;
2 - крышка;
3 - седло;
4 - кольцо уплотнительное;
5 - кольцо уплотнительное;
6 - уплотнительное кольцо;
7 - запирающий элемент;
8 - дисковый элемент;
9 - ограничитель;
10 - наплавка;
11 - кольцо уплотнительное;
12 - фланец сальника;
13 - втулка сальника;
14 - кольцо опорное;
15 - спускной клапан;
16 - кольцо промежуточное;
17 - клапан нагнетательный;
18 - кольцо уплотнительное;
19 - прокладка уплотнительная;
20 - гайка;
21 - шпилька;
22 - стойка;
23 - указатель положения «открыто»;
24 - указатель положения «закрыто»;
25 - указатель направления движения;
26 - верхнее смотровое окно;
27 - нижнее смотровое окно;
28 - устройство автоматического сброса;
29 - датчик дифференциального давления;
30 - импульсный трубопровод;
31 - импульсный трубопровод;
32 - кран шаровой;
33 - шпиндель;
34 - ходовая втулка;
35 - бугельный узел;
36 - верхнее уплотнительное кольцо.
Корпус 1 и крышка 2 (фиг. 1, фиг. 2) представляют собой сварные конструкции из листового проката. К корпусу 1 приварены укрепляющие ребра.
Седло 3 (фиг. 2, фиг. 4) изготовлено из стального проката с запрессованными кольцами уплотнительными 4, 5, 6, выполненными из резины или полимерного материала. В корпусе седла 3 предусмотрены отверстия для выхода воздуха из замкнутой полости при запрессовке седла. Два седла 3 запрессовываются в проточках корпуса 1.
Запирающий элемент 7 (фиг. 1) представляет собой конструкцию (фиг. 6), состоящую из двух дисковых элементов 8 и двух ограничителей 9. Дисковые элементы 8 сопряжены между собой по клиновым поверхностям и соединены ограничителями 9. Дисковые элементы 8 представляют собой механически обработанные отливки из низкоуглеродистой либо низколегированной стали. Ограничители 9 изготовлены из листового проката. Уплотнительные поверхности дисковых элементов 8 имеют наплавку 10 из коррозионностойкой стали с твердостью не менее 35HRC.
Шпиндель 33 (фиг. 2), выполненный из поковки коррозионностойкой стали с пределом текучести не менее 650 МПа, имеет ходовую однозаходную трапецеидальную резьбу Тr 50×8. Шпиндель 33 соединен одним концом внутри корпуса 1 с запирающим элементом 7, а другим концом, проходящим через крышку 2, стойку 22 и узел сальника, соединен с ходовой втулкой 34 бугельного узла 35, на который устанавливается электропривод (на фигурах не показан).
Два седла 3 с запрессованными уплотнительными кольцами 4, 5, 6 и запирающим элементом 7 образуют узел затвора, обеспечивающий герметичное перекрытие проходного сечения задвижки. Дисковые элементы 8 прижимаются к седлам 3 с размещенными в них кольцами 4, 5 усилием вдоль шпинделя 33 и давлением рабочей среды в корпусе 1 задвижки.
Плотность контакта между запирающим элементом 7 и седлами 3 регулируется величиной перемещения шпинделя 33: чем сильнее продольное усилие на шпинделе в одном из крайних положений запирающего элемента, тем больше расширяются дисковые элементы 8 запирающего элемента и тем большее давление на седла 3. Поэтому такой затвор называется расширяющимся.
Применение в затворе седел 3 с двойным уплотнением, которое реализовано с помощью двух колец уплотнительных - кольца уплотнительного 4 и кольца уплотнительного 5, обеспечивает надежную герметизацию узла затвора в положении «закрыто» и позволяет увеличить срок службы узла затвора задвижки.
Узел сальника шпинделя (фиг. 3) состоит из колец уплотнительных 11, фланца сальника 12, втулки сальника 13, кольца опорного 14, верхнего уплотнительного кольца 36, спускного клапана 15 для проверки герметичности верхнего уплотнительного кольца 36, кольца промежуточного 16 и клапана нагнетательного 17 для подачи герметизирующей смазки.
Верхнее уплотнительное кольцо 36 изготавливается из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т.
Кольца уплотнительные 11 выполнены из терморасширенного графита.
Разъем соединения «корпус 1 - крышка 2» (фиг. 2, фиг. 5) имеет двойное уплотнение: кольцо уплотнительное 18 из резины круглого сечения и прокладка уплотнительная 19 из спирально навитого материала на основе терморасширенного графита. Фланец корпуса 1 соединен с фланцем крышки 2 посредством шпилечного соединения, состоящего из гаек 20 и шпилек 21.
Для крепления электропривода к задвижке предусмотрена стойка 22 (фиг. 1, фиг. 2), на которой размещены метки для визуального контроля положения запирающего элемента 7: указатель положения «открыто» 23, указатель положения «закрыто» 24 и указатель направления движения 25.
Для технического обслуживания узла сальника шпинделя и контроля положения запирающего элемента 7 в стойке 22 размещены нижнее смотровое окно 26 и верхнее смотровое окно 27, которые расположены напротив узла сальника шпинделя.
Для защиты от избыточного давления в корпусе 1 задвижки при нагревании рабочей среды, например от воздействия солнечного излучения, предусмотрено устройство автоматического сброса давления 28 из корпуса 1, состоящее из предохранительного клапана и трубок обвязки (на фигурах не показаны). Сброс давления через предохранительный клапан осуществляется во входной патрубок корпуса при разнице давлений в корпусе и патрубке, более чем на 30% превышающей номинальное рабочее давление, на которое рассчитан корпус 1 задвижки.
Узел контроля протечек, обеспечивающий дистанционный и местный контроль протечек, состоит из датчика дифференциального давления 29, соединенного с полостью корпуса и входным патрубком задвижки импульсными трубопроводами 30, 31 с установленными на них кранами шаровыми 32. Диапазон измерений датчика дифференциального давления зависит от номинального давления и составляет от 0 до 1,3 номинального значения давления в корпусе задвижки.
Заявленная компактная задвижка работает следующим образом.
При передаче вращательного движения выходного вала электропривода на шпиндель 33 оно преобразуется в поступательное перемещение шпинделя 33 и запирающего элемента 7, связанного с ним. Запирающий элемент 7 поднимается или опускается, соответственно закрывая или открывая проходное сечение задвижки.
В положении «ОТКРЫТО» запирающий элемент 7 и шпиндель 33 находятся в верхнем положении. При включении электропривода на закрытие ходовая втулка 34 бугельного узла 35 вращается по часовой стрелке и опускает шпиндель 33 и запирающий элемент 7. В крайнем нижнем положении «ЗАКРЫТО» запирающий элемент 7 одним дисковым элементом 8 упирается в корпус 1, под действием другого дискового элемента 8 полностью перекрывает проходное отверстие патрубков задвижки.
В крайних положениях отключение электропривода производится при срабатывании концевых выключателей (на фигурах не показаны). В случае их отказа отключение электропривода произойдет от срабатывания выключателей муфты ограничения крутящего момента (на фигурах не показана):
- при ходе вниз (на закрытие) - при упоре запирающего элемента 7 в корпус 1;
- при ходе вверх (на открытие) - при упоре бурта шпинделя 33 в конус наплавки верхнего уплотнительного кольца 36 (при этом обеспечивается герметизация шпинделя, позволяющее проведение замены колец уплотнительных 11 узла сальника шпинделя при наличии давления среды в полости корпуса 1 задвижки).
Герметичность по затвору обеспечивается двумя дисковыми элементами 8, постоянно поджатыми в положении «ЗАКРЫТО» к кольцам уплотнительным 4, 5 седел 3.
При упоре бурта шпинделя 33 в конус наплавки верхнего уплотнительного кольца 36 обеспечивается герметизация шпинделя типа «металл-металл», позволяющая проведение замены колец уплотнительных 11 узла сальника шпинделя при наличии давления среды в полости корпуса 1 задвижки. Это дает возможность проводить техническое обслуживание и ремонт узла сальника шпинделя без остановки прокачки среды - нефти и нефтепродуктов, что значительно сокращает время технического обслуживания и ремонта.
Перед проведением технического обслуживания и ремонта осуществляется контроль герметизации верхнего уплотнения узла сальника шпинделя путем открытия спускного клапана 15.
При наличии протечек через нагнетательный клапан 17 в узел сальника шпинделя подается пластичная литиевая смазка (типа смазки ЦИАТИМ, литол) под давлением, превышающим давление в корпусе задвижки, которая прекращает протечку и дает возможность продолжать прокачку среды. Это увеличивает срок службы задвижки, позволяя сохранять работоспособность при незначительных повреждениях уплотнений.
В конструкции задвижки предусмотрено устройство автоматического сброса давления 28. При значении рабочего давления в корпусе 1, более чем на 30% превышающем номинальное рабочее давление, на которое рассчитан корпус 1 задвижки, срабатывает предохранительный клапан устройства автоматического сброса давления 28 и происходит сброс давления во входной патрубок задвижки.
Задвижка имеет узел контроля протечек в дистанционном и местном режиме. Принцип действия основан на замере разницы давлений во входном патрубке и в полости корпуса задвижки.
После того как запирающий элемент 7 опустился вниз и возник контакт между дисковыми элементами 8 запирающего элемента 7 и седлами 3, происходит понижение давления в полости корпуса 1. При наличии протечек значения давлений в патрубке и корпусе сравняются.
Дистанционный контроль протечки осуществляется посредством контроля показаний датчика дифференциального давления 29, который преобразует значение разницы давлений в унифицированный токовый сигнал и цифровой сигнал в стандарте протокола HART. Также датчик дифференциального давления 29 оснащен местной индикацией значения перепада давления между входным патрубком и полостью корпуса.
В заявленной компактной задвижке с расширяющимся затвором достигнуто повышение надежности в условиях реальной эксплуатации за счет:
- применения в узле затвора седел с двойным уплотнением;
- применения узла сальника шпинделя с верхним уплотнением «металл-металл» с помощью верхнего уплотнительного кольца, что позволяет герметизировать узел сальника при верхнем положении шпинделя,
- наличия нижнего и верхнего смотровых окон в стойке задвижки, что дает возможность проводить техническое обслуживание и ремонт узла сальника шпинделя без остановки перекачиваемой среды и демонтажа стойки задвижки;
- применения указателей положения запорного элемента и указателя направления движения запорного элемента на стойке задвижки, что позволяет однозначно определить положение запирающего элемента при снятом электроприводе при проведении технического обслуживания и ремонта.
Разработанная конструкция задвижки с расширяющимся затвором успешно прошла опытную эксплуатацию, которая подтвердила установленные повышенные по сравнению с прототипом показатели надежности.