ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
SAFETY APPARATUS

Изобретение относится к трубопроводному арматуростроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где применяется защита объектов от превышения допустимого давления рабочей среды. Например, в энергетике и в газонефтехимии, в химической промышленности и на специальных объектах в качестве предохранительных устройств от взрывов.
Известно использование предохранительных клапанов (ПК) в сочетании с разрывными мембранами (ПБ 03 -583 -03). Разрывные мембраны используют:
- перед (ПК) для исключения вредного воздействия рабочей среды защищаемого объекта на клапан в нормальных условиях эксплуатации (коррозия, полимеризация, закоксовывание, прикипание, примерзание и т.п.) для предотвращения утечек через закрытый клапан токсичных и взрывопожароопасных сред и для обеспечения возможности контроля и регулирования ПК без их демонтажа;
- параллельно с ПК для увеличения пропускной способности систем сброса давления;
- за ПК, для исключения вредного воздействия сбросной системы на ПК (коррозия, обледенение и др.) и для исключения влияния сбросной системы на точность срабатывания ПК.
Однако перечисленные способы совместного применения мембран и ПК не способствуют решению задачи предотвращения взрывов без остановки технологического процесса и без потери практически всей рабочей среды. Такая задача решена в предохранительном устройстве по патенту RU 2592662 С2, 27.07.2016.
Существенным недостатком такого технического решения является высокое гидравлическое сопротивление клапана, в основном, объясняемое конструкцией корпуса со смещёнными относительно горизонтальной оси патрубками. Это определяет, во-первых, как минимум два поворота потока сбрасываемой среды, в отличие от стандартных предохранительных клапанов (ПК) с угловым корпусом, а во-вторых, также не позволяет использовать входной патрубок для размещения в нём профиля подобного входной части сопла, что уменьшает коэффициент давления потока и коэффициент расхода ПК.
Предлагаемая конструкция предохранительного устройства (ПУ) позволяет добиться эффекта повышения скорости его срабатывания при использовании углового корпуса, присущего стандартным ПК, тем самым повышая коэффициент расхода клапана по сравнению с прототипом.
Эффект достигается также тем, что поршень привода 15, см. фиг.1, одновременно выполняет роль чувствительного (поверхность со стороны полости «А» см. фиг.1) и разгрузочного элемента (поверхность со стороны полости «Б»), при этом не находясь в аварийном потоке сбрасываемой рабочей среды.
Существо заявляемого устройства поясняется чертежами. На фиг.1 изображено предохранительное устройство в условиях нормальной эксплуатации защищаемого объекта, на фиг.2 после разрыва первой мембраны, на фиг.3 после разрыва второй мембраны, на фиг.4 в закрытом положении с разорванными мембранами и на фиг.5 исполнение клапана для работы в условиях переменного противодавления.
Предохранительное устройство (ПУ) состоит из трёх узлов: предохранительного клапана (ПК)1 (см. фиг.1) и двух мембранных предохранительных устройств (МПУ) 27 и 28.
Предохранительный клапан (ПК) 1 (см. фиг.1) со входным патрубком 2 и с выходным 3. На входном патрубке выполнена уплотнительная поверхность 4 - седло клапана.
К нему пружиной 5 поджат через шток 6 запорный элемент 7 – с уплотнением 8. Пружина с опорами 9 и 10 расположена в крышке 11 с винтом настройки 12 и с контргайкой 13.
Во вставке 14 расположен сервопривод, состоящий из поршня 15 с уплотнением 16 и из полостей «А» и «Б». Шток 6 с разгрузочным каналом 17 уплотнён со вставкой манжетой 18. Вставка герметична по отношению к окружающей среде, корпусу и крышке, благодаря уплотнениям 19 и 20. Усилие пружины передаётся на шток 6 через вкладыш 21 с уплотнением 22 по резьбовой втулке 23, которая загерметизирована торцевым уплотнением 24 с крышкой 11. Полость «А» трубкой 25 сообщается с защищаемым объектом 26 при разрыве мембраны в МПУ 27, а полость  «Б» соединяется с защищаемым объектом при разрыве мембраны в МПУ 28. Площадь поршня и площадь, определяемая средним диаметром уплотнения запорного элемента равны, что благодаря наличию разгрузочного канала 17, практически, исключает влияние давления в защищаемом объекте после разрыва мембраны в МПУ 28 со стороны запорного элемента 7 на перемещение подвижной группы ПК при его срабатывании. При этом сохраняется влияние изменения давления в защищаемом объекте на работу ПК со стороны полости «А» сервопривода.
Перед рассмотрением работы ПУ заметим сразу, что при необходимости обеспечения бесперебойной работы защищаемой установки после устранения причин их срабатывания, предохранительные устройства следует применять в составе блоков, что позволит оперативно заменить МПУ с разорванными мембранами или мембраны.
ПУ работает следующим образом. При превышении давления в защищаемом объекте 26 (см. фиг.1) над настроенным на 5% происходит разрыв мембраны в МПУ поз.27. Рабочая среда под давлением 1,05 Рн, где Рн, давление настройки, проникает в полость А сервопривода и, воздействуя на поршень 15, преодолевает усилие пружины 5, тем самым открывая затвор ПК (поднимая запорный элемент 7) и обеспечивая беспрепятственный проход среды ещё до разрыва мембраны в МПУ поз. 28 (см. фиг.2), что, например, очень важно при взрыве. Таким образом, на первое открытие ПУ не затрачивается время, определяемое массой подвижной группы ПК, время на снятие усилий уплотнения в его затворе и на преодоления трения. К моменту разрыва мембраны в МПУ поз.28 ПК уже открыт для аварийного потока.
При достижении величины давления рабочей среды не более (1,1÷1,15) Рн происходит разрыв мембраны в МПУ поз.28 (см. фиг.3) и давление в защищаемом объекте снижается до величины обратной посадки не менее (0,8÷0,9) Рн, после чего ПК закрывается (см. фиг.4). Далее ПУ работает как обычный ПК до момента устранения причины аварийного повышения давления. Благодаря разгрузочному каналу 17 и равенству площади поршня 15 и площади по диаметру уплотнения запорного элемента 7 изменение давления в защищаемом объекте 26 оказывает влияние только на поршень 15 со стороны полости «А», управляя открытием и закрытием ПК.
После восстановления нормального режима эксплуатации производят переключение на блоке предохранительных клапанов (БПК), задействуя ПУ с неповреждёнными мембранами и заменяют МПУ на сработавшем предохранительном устройстве.
На фиг.5 представлено исполнение ПУ для работы в условиях изменяющегося противодавления (давления за клапаном). Очевидно, что в такой конструкции при равенстве площадей по среднему диаметру уплотнения в затворе ПК и эффективной площади сильфона, минимизируется влияние противодавления на силовые характеристики клапана.
Следует заметить, что после удаления проставки 14, втулки 23, трубки 25, МПУ, штока 6 с поршнем 15 и золотника 7 и замены золотника и штока на стандартные, ПУ легко превращается в обычный ПК, что говорит о высокой степени унификации устройства по заявке с серийными ПК.
Рассмотрим работу ПУ в нескольких вариантах комплектации:
- с двумя МПУ, 27 и 28;
- с одним МПУ, 28.
ПУ в варианте с двумя МПУ должно применяться тогда, когда присутствует необходимость полной изоляции защищаемой установки от окружающей среды в период её нормальной эксплуатации. Если нет необходимости в полной изоляции, но существует опасность взрыва среды в защищаемом объекте, можно исключить из конструкции ПУ поз. 27 и тогда в процессе нормальной эксплуатации затвор ПК будет постоянно открыт и скорость срабатывания ПУ будет всегда равна скорости разрыва мембраны в МПУ поз. 28. Не приходится говорить о том, что мембраны в ПУ должны быть безосколочными, хлопающего типа.
Если защищаемый объект находится в режиме непрерывной эксплуатации, то ПУ следует применять в составе блока предохранительных клапанов для замены мембран или МПУ без остановки технологического процесса.