КЛАПАН ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ
MULTIPURPOSE VALVE

Изобретение относится к предохранительным клапанам, предназначенным для защиты трубопроводов от превышения заданного давления путем сброса части протекающей по трубопроводу жидкости или газа, когда давление в трубопроводе превышает давление настройки клапана.
Известен предохранительный клапан для защиты трубопроводов от превышения давления, содержащий корпус с двумя отверстиями для подключения к магистральному трубопроводу, проходным каналом между ними и камерой с впускным и выпускным отверстиями. Через отверстие направляющего трубчатого элемента в камере пропущен шпиндель с запорным элементом на одном конце. Шпиндель установлен с возможностью скольжения между открытым и закрытым положениями. При открытом положении запорный элемент поднят относительно впускного отверстия камеры и обеспечивается сообщение камеры с проходным каналом. При закрытом положении впускное отверстие перекрыто запорным элементом и обеспечивается разобщение камеры и проходного канала. Шпиндель подпружинен для обеспечения его перемещения в закрытое положение при давлении жидкости в трубопроводе, меньшем давления настройки (см. патент RU 2133901 C1, F16K 17/06, 1999).
Недостатком известного устройства является то, что давление настройки в нем определяется усилием сжатия пружины, прижимающей запорный элемент к впускному отверстию. При увеличении давления жидкости в трубопроводе выше давления настройки происходит открытие клапана за счет отжатия пружины и неконтролируемый (нерегулируемый) сброс части жидкости из трубопровода в канал для сброса жидкости и из него в безнапорную сборную емкость.
Недостатком этого устройства является также то, что его конструкция не позволяет обеспечить его применение на трубопроводах высокого давления с большим расходом жидкости (например, в магистральных трубопроводах) из-за увеличения габаритов и металлоемкости конструкции и сложности перенастройки клапана по давлению срабатывания. Кроме того, клапан не обеспечивает достаточного усилия обратной посадки на седло, что приводит к падению давления жидкости или газа в системе из-за большого сброса жидкости (или газа) во время открытия, что может привести к возникновению колебаний в системе, что недопустимо при поддержании технологических процессов.
Известен также предохранительный клапан, предназначенный для сброса жидкости в сливной канал при защите от превышения давления и скачков давления в магистральных трубопроводах с большим расходом жидкости, включающий корпус с переходным каналом, двух крышек перекрытия, соединенных шпильками, сердечник с узкими продольными щелями и перегородку, на который натянута эластичная камера из толстой синтетической резины. Между корпусом и эластичной камерой имеется газовая полость, которая через штуцер связана с аккумулятором давления (см. патент США №3933172, 1976).
2
Чтобы через клапан нефть начала перетекать в сборник нефти, давление нефти в трубопроводе должно примерно на 2 кг/см превысить давление газа в воздушном аккумуляторе клапана. В противном случае, когда давление в газовом объеме клапана выше или равно давлению в нефти, эластичная камера прижимается к сердечнику и препятствует перетеканию нефти.
При выравнивании перепада между давлением в нефтепроводе и давлением в газовой полости клапана он остается закрытым за счет начального усилия прижатия эластичной камеры к поверхности затвора клапана.
Недостатками известного устройства являются:
- настроечное давление создается в газовой камере клапана, где рабочим элементом является камера из эластичного материала, подверженного старению и возможности разрыва материала, что приведет к утечке газа в трубопровод и нарушению работоспособности клапана,
- при использовании клапана для защиты трубопроводов с веществами, образующими взрывоопасную смесь или вступающими с ними в химическую реакцию, появляется ограничение по применению газов для создания давления настройки клапана,
- при протекании жидкости по трубопроводу возможно попадание крупных частиц между эластичной камерой и уплотняющей поверхностью, что приведет к несанкционированным протечкам из трубопровода в безнапорную емкость,
- негерметичность газовой полости, управляющей закрытием перепускных клапанов, может приводить к различным нарушениям его работы в зависимости от степени негерметичности. При малой негерметичности, не приводящей к полному стравливанию газа из газовой емкости, но вызывающей уменьшение ее объема, может произойти сокращение времени закрытия клапана после гидроудара и уровень давления при гидроударе может быть выше допускаемой величины,
- при нормальной работе трубопровода протока жидкости через перепускной клапан нет, и во входных патрубках клапанов, подключенных к трубопроводу, образуется застойная зона, где может происходить как осаждение твердых ингредиентов, содержащихся в жидкости (например, в нефти), так и ее застывание. В зависимости от степени засорения проточной части клапана его пропускная способность может заметно снизиться, что приведет к значительному превышению давления в нефтепроводе при гидроударе по отношению к ожидаемому (настроечному) уровню.
Известен еще предохранительный клапан, предназначенный для сброса части жидкости из трубопровода в сливной канал при превышении давления жидкости в трубопроводе на установленную величину и включающий корпус с входным каналом, сообщающимся с полостью трубопровода, запорный орган, перекрывающий входной канал в момент закрытия клапана, подпружиненный поршень, объединенный с запорным органом, выходной канал корпуса клапана, соединенный со сливным каналом, и пневмогидравлический аккумулятор давления, представляющий собой цилиндр, разделенный на газовую и жидкостную полости посредством перегородки из эластичного материала (см. проспект фирмы "Дэниел" (США) на предохранительный клапан "Данфло").
Клапаны "Данфло" обладают высокой пропускной способностью. Однако и предохранительному клапану "Данфло" присущи серьезные недостатки, которые в основном сводятся к следующим:
- высокая материалоемкость,
- высокая трудоемкость в изготовлении и, как следствие, высокая стоимость,
- отсутствие контроля работоспособности (в устройстве отсутствует контроль за объемом газа в аккумуляторе давления, изменение которого из-за возможных утечек газа приводит к изменению характеристик устройства вплоть до полной потери работоспособности (невысокая надежность работы).
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является предохранительный пружинный клапан для сглаживания волны давления в трубопроводе (см. патент RU 58648 U1, F16K 17/06, 2006), предназначенный для защиты магистральных трубопроводов от превышения заданного давления.
Однако данное устройство обладает рядом недостатков, а именно:
- гидравлические колебания жидкости со стороны пневмогидравлического аккумулятора могут вызвать автоколебания поршня, а также вхождение клапана в резонанс;
- плоское дно поршня вызывает застойные вихревые зоны и, как следствие, понижает коэффициент расхода клапана;
- невозможность получения достоверной информации о положении поршня клапана;
- невозможность точного задания начального усилия открытия запорного клапана;
- соединение затвор-седло является недостаточно герметичным.
Технический результат изобретения состоит в повышении надежности работы устройства и повышении его технических и эксплуатационных характеристик, устранении гидравлических колебаний жидкости, застойных вихревых зон, а также всех вышеперечисленных недостатков.
Указанный технический результат достигается благодаря предложенному предохранительному клапану, предназначенному для сброса части жидкости или газа из трубопровода в сливной канал при превышении давления в трубопроводе на установленную величину, содержащему корпус с входным каналом для сообщения с полостью трубопровода и выходным каналом для соединения со сливным каналом, установленный в полости корпуса подпружиненный поршень с запорным органом для перекрытия входного канала и пневмогидравлический аккумулятор давления, гидравлическая полость которого соединена каналом с полостью, образованной направляющим цилиндром и цилиндрической частью поршня, причем поршень выполнен в виде двух цилиндрических полых частей, разделенных перегородкой, и установлен с возможностью перемещения вдоль внутренних или внешних стенок направляющего цилиндра, герметично закрепленного на корпусе, а удаленная от направляющего цилиндра полая цилиндрическая часть поршня образует запорный орган, соосно с которым расположено седло в виде цилиндра, герметично соединенное с частью корпуса, образующей входной канал, причем цилиндр, образующий седло, установлен соосно с направляющим цилиндром и имеет отверстия, перекрываемые запорным органом и сообщающиеся с выходным каналом в момент его открытия, при этом в канале, соединяющем гидравлическую полость пневмогидравлического аккумулятора с полостью, образованной направляющим цилиндром и цилиндрической частью поршня, установлен обратный затвор с отверстием заданного диаметра, выполненный с возможностью открывания истекающим из клапана потоком жидкости при открытии клапана и закрывания втекающим в клапан потоком жидкости при закрытии клапана.
Отличием предлагаемого клапана является то, что поперечная перегородка, разделяющая полые цилиндрические части поршня, имеет выпуклую форму, вершина внешней поверхности которой обращена к входному каналу корпуса, а на вершине выпуклой перегородки закреплен диск с отверстиями с возможностью перекрывания входного канала при закрытии клапана.
В предпочтительном варианте выполнения пружина размещена на направляющем цилиндрическом штыре, который одним концом жестко соединен с центром поперечной перегородки, разделяющей полые цилиндрические части поршня, а другим концом соединен со штоком, выходящим по герметично уплотненному каналу в корпусе клапана во внешнюю среду и служащим индикатором положения поршня.
Другим отличием клапана является то, что между корпусом клапана и пружиной установлен калиброванный по высоте цилиндрический упор, создающий заданное начальное усилие открытия запорного органа.
Еще одним отличием клапана является то, что на наружной поверхности цилиндра, образующего седло, выполнена кольцевая проточка, в которой установлено уплотнительное кольцо из эластичного материала, имеющее кольцевую проточку со стороны, обращенной к поршню, а полая цилиндрическая часть поршня, образующая запорный орган, по внутреннему диаметру ее кромки имеет коническую проточку, контактирующую с уплотнительным кольцом из эластичного материала в момент закрытия клапана, причем высота этой конической проточки равна высоте уплотнительного кольца.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 частично схематично и частично в разрезе изображен предлагаемый предохранительный клапан.
На фиг.2 в увеличенном масштабе изображен узел уплотнения, выделенный на фиг.1 кругом.
Предохранительный клапан 1 (фиг.1) содержит корпус 2 с входным каналом 3 для сообщения с полостью защищаемого трубопровода 4, запорный орган 5, перекрывающий входной канал 3 в момент закрытия клапана 1, установленный в полости корпуса 2 подпружиненный поршень 6, объединенный с запорным органом 5, и выходной канал 7 корпуса 2 клапана 1, предназначенный для соединения со сливным каналом (не показан). Клапан 1 снабжен пневмогидравлическим аккумулятором 8 давления, представляющим собой цилиндр, разделенный с помощью перегородки 9 из эластичного материала (например, резины) или с помощью поршня на газовую и жидкостную полости 10 и 11 соответственно. Гидравлическая полость 11 пневмогидравлического аккумулятора 8 давления соединена с защищаемым трубопроводом 4 посредством соединительного канала 23, в которой установлен обратный затвор 41 с отверстием 42 заданного диаметра. Направление установки затвора таково, что при открытии клапана (когда поток жидкости из клапана в аккумулятор) он открыт, а при закрытии клапана, когда поток жидкости направлен в клапан, затвор закрыт и происходит дросселирование потока на отверстии заданного размера.
Поршень 6 выполнен в виде двух полых цилиндрических частей 14 и 15, разделенных поперечной перегородкой 16, и установлен в корпусе 2 клапана 1 с возможностью перемещения вдоль внутренних или внешних стенок направляющего цилиндра 17, герметично закрепленного крышкой 18 в корпусе 2 клапана 1. На внутренней стенке направляющего цилиндра 17 установлены телескопические уплотнения 19, выполненные в виде колец из эластичного материала (резины). Удаленная от направляющего цилиндра полая цилиндрическая часть 15 поршня 6 образует внешнюю подвижную часть запорного органа 5, внутренняя неподвижная часть 21 которого, образующая седло запорного органа 5, выполнена в виде цилиндра, герметично соединенного с частью 20 корпуса 2 клапана 1, образующей входной канал 3. Цилиндр 21, образующий седло запорного органа 5, установлен соосно с направляющим цилиндром 17 поршня 6 и имеет отверстия 22, перекрываемые запорным органом 5 и сообщающиеся с выходным каналом 7 корпуса 2 клапана 1 в момент его открытия. Внутренние полости цилиндрической части 14 поршня 6, входящей в направляющий цилиндр 17, соединены с жидкостной полостью 11 пневмогидравлического аккумулятора 8 давления посредством соединительного канала 23. Подвижный внешний цилиндр 15 и неподвижный внутренний цилиндр 21 запорного органа 5 имеют в поперечном сечении зазор между их стенками (фиг.2). Поперечная перегородка 16, разделяющая верхнюю и нижнюю полые цилиндрические части 14 и 15, имеет выпуклую форму, вершина 25 внешней поверхности которой обращена к входному каналу 3 корпуса 2 клапана 1. Пружина 29 установлена по оси полой цилиндрической части 14 поршня 6 и выполнена в виде тарельчатой пружины. При этом пружина 29 размещена на направляющем цилиндрическом штыре 30, который одним концом жестко соединен с центром поперечной перегородки 16, разделяющей полые цилиндрические части 14 и 15 поршня 6, а другим концом соединена со штоком 31, выходящим по герметично уплотненному каналу 32 в крышке 18 корпуса 2 клапана 1 во внешнюю среду и служащим индикатором положения поршня и запорного органа 5. Между крышкой 18 корпуса 2 клапана 1 и пружиной 29 установлен калиброванный по высоте цилиндрический упор 33, создающий заданное начальное усилие открытия запорного органа 5.
На наружной поверхности неподвижного цилиндра 21, образующего седло запорного органа 5 клапана 1 (см. фиг.2), в его части, расположенной за отверстиями 22, выполнена кольцевая прямоугольная проточка 36, в которой установлено уплотнительное кольцо 37 из эластичного материала (полиуретана), положение которого фиксировано внешним плоским кольцом 38, служащим опорой для кромки полой цилиндрической части 15 поршня 6 в момент закрытия клапана 1.
Уплотнительное кольцо 37 из эластичного материала (фиг.2) имеет кольцевую проточку 39 со стороны, обращенной к поршню 6, а полая цилиндрическая часть 15 поршня 6, образующая запорный орган 5, по внутреннему диаметру ее кромки имеет коническую проточку 40, контактирующую с уплотнительным кольцом 37 из эластичного материала в момент закрытия клапана 1. При этом высота этой конической проточки 40 равна высоте уплотнительного кольца 37.
На вершине 25 выпуклой перегородки 16 закреплен диск 26 с отверстиями 27 с возможностью перекрывания входного канала 3 при закрытии клапана 1, имеющий небольшой зазор с внутренней цилиндрической поверхностью 21.
Газовая полость 10 пневмогидравлического аккумулятора 8 давления соединена с источником сжатого газа, например с баллоном высокого давления (не показан). При этом такой источник имеет регулятор давления (редуктор) газа и манометр (не показан).
Следует отметить, что эффективная площадь поперечного сечения полой цилиндрической части 14 поршня 6, входящей в направляющий цилиндр 16, превышает эффективную (смоченную жидкостью) площадь поперечного сечения полой цилиндрической части 15 поршня 6, образующей подвижную часть запорного органа 5. Это повышает надежность работы запорного органа, предотвращая "ложные" срабатывания клапана при незначительных колебаниях давления жидкости в трубопроводе, и позволяет держать клапан в закрытом состоянии.
Благодаря тому что поршень в предлагаемом устройстве выполнен в виде двух полых цилиндрических частей, разделенных поперечной перегородкой, а не представляет собой сплошное металлическое тело, существенно снижается металлоемкость устройства, трудоемкость его изготовления и инерционность поршня.
Устройство работает следующим образом.
При работе на запорный орган 5 клапана 1 действуют две силы. Одна сила, обусловленная сжатием пружины 29 и давлением рабочей жидкости со стороны пневмогидравлического аккумулятора 8 давления, действует сверху вниз, прижимая цилиндр 15 к основанию седла запорного органа 5. Другая сила - сила давления транспортируемой по трубопроводу 4 жидкости (или газа) - действует со стороны входного канала 3 клапана 1, стремясь переместить поршень вверх. Когда первая сила превышает вторую, клапан 1 закрыт. При повышении давления жидкости (или газа) в трубопроводе 4, связанном с прохождением волны давления, сила давления жидкости (или газа) в полости входного канала 3 возрастает и при превышении силы противодействия поршень 6 и вместе с ним запорный орган 5 поднимаются вверх.
При движении поршня 6 вверх открываются отверстия 22 в неподвижном цилиндре 21, образующем седло запорного органа 5, и часть жидкости (или газа) из трубопровода 4 по входному каналу 3 клапана 1 через отверстия 22 перетекает через выходной канал 7 клапана 1 в сливной канал (не показан). При этом чем с большей скоростью возрастает давление жидкости (или газа) в трубопроводе 4, тем с большей скоростью перемещается поршень вверх, с большим расходом вытесняя рабочую жидкость из внутреннего объема верхней полой цилиндрической части 14 поршня 6 в жидкостную полость 11 пневмогидравлического аккумулятора 8, сжимая его газовую полость 10 (повышая в ней давление газа). При этом обратный затвор 41 открывается, не препятствуя движению жидкости из клапана 1 в аккумулятор 8, а следовательно, не препятствуя движению поршня 6 клапана 1. Когда давление в трубопроводе 4 уменьшается, сила давления газа в газовой полости 10 пневмогидравлического аккумулятора 8, расширяя объем камеры 9 из эластичного материала, начинает выдавливать рабочую жидкость из жидкостной полости 11 аккумулятора 8 во внутренний объем верхней полой цилиндрической части 14 поршня 6. Под действием давления рабочей жидкости в полости верхней полой цилиндрической части 14 поршня 6 и усилия пружины 29 поршень 6 перемещается вниз, цилиндр 15 садится на основание седла запорного органа 5 и клапан закрывается. При этом обратный затвор 41 закрывается и жидкость в клапан перетекает по отверстию малого диаметра, что существенно снижает скорость его закрытия, тем самым снижая силу удара подвижного цилиндра по седлу запорного органа и устраняя присущую такого рода клапанам склонность к автоколебаниям при закрытии. При полном открытии клапана 1 между цилиндром 15 и цилиндром 25 перегородки 16 образуется застойная зона над потоком жидкости, истекающей через отверстия 22. В этой зоне будет образовываться вихрь, вызывающий дополнительные гидравлические потери, а следовательно, снижение коэффициента расхода клапана. Для исключения образования этого вихря на торцевой части 25 перегородки 16 установлен диск 26 с отверстиями 27, отгораживающий застойную зону от потока жидкости, истекающей из клапана.