АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАЩИТНЫЙ КЛАПАН ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

Область техники
Полезная модель относится к конструкции автоматических защитных клапанов прямого действия для оснащения преимущественно клиновых, параллельных и шиберных задвижек, используемых в системах охлаждения атомных реакторов, в магистральных нефте- и продуктопроводах и в трубопроводных обвязках котлов тепловых электростанций и некоторых химических аппаратов.
Уровень техники
Общеизвестно, что задвижки имеют замкнутые полости для размещения запирающих элементов, выведенных из контакта с седлами. В положении «открыто» эти полости сообщаются с пространством входных и выходных патрубков задвижек и потому в положении «закрыто» всегда заполнены рабочей средой. Естественно, что при нагреве давление внутри таких полостей возрастает вследствие теплового расширения находящихся в них порций рабочих сред и что неконтролируемый рост давления может привести к тем более тяжелым авариям, чем опаснее рабочая среда.
Поэтому задвижки оснащают автоматическими защитными клапанами для сброса избыточного давления при превышении заранее определенной критической величины.
Такие клапаны должны удовлетворять требованиям надежности и безопасности.
Несмотря на бурное развитие микроэлектроники? первому требованию применительно к указанной области техники явно не соответствуют клапаны непрямого действия, ибо отключение внешнего источника питания может привести к аварии в гидравлической системе, защищаемой от избыточного давления (см., например, RU 2517951, выданный на «Цифровой защитный клапан непрямого действия с электроуправлением»).
Клапаны прямого действия в принципе более надежны, но для обеспечения безопасности их тип и конкретная конструкция должны быть увязаны со свойствами рабочих сред и характеристиками защищаемых гидравлических систем.
Так, дренажно-защитный клапан бака окислителя согласно RU 2521431 вполне пригоден для стравливания незначительных порций испарившегося жидкого кислорода в атмосферу. Однако если бак предназначен для хранения такого агрессивного и токсичного окислителя, как азотный олеум (то есть раствор диоксида азота в концентрированной азотной кислоте), то указанный клапан обеспечить безопасность не может.
Если же защитные клапаны предназначены для АЭС, то их конструкция должна соответствовать весьма жестким «Правилам устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (НП-089-15). В частности, защитные клапаны должны быть работоспособны при температуре рабочей среды до 450°С, исключать ее стравливание за пределы гидросистемы и одинаково работать в прямом и реверсном режиме.
Из UA 112480 U уже известен автоматический защитный клапан прямого действия, который в значительной мере соответствует указанным требованиям и наиболее близок к предложенному далее клапану по технической сущности. Известный клапан имеет:
полый осесимметричный корпус с двумя гидравлически отделенными одна от другой зеркально симметричными компенсационными камерами;
боковые (в частности, радиально ориентированные) штуцеры, которые предназначены для подключения указанных камер к перепускным патрубкам защищаемой задвижки по разные стороны ее запирающего элемента;
торцевые штуцеры, которые предназначены для подключения указанных камер к полости защищаемой задвижки и снабжены седлами на стыках с указанными камерами;
коаксиальные штоки, которые расположены внутри указанного корпуса с зазором между их смежными торцами, имеют на противоположных концах золотники, соответствующие указанным седлам, и вместе с седлами служат соответственно первым и вторым затворами;
средства осевого перемещения указанных штоков для запирания обоих затворов при открытой задвижке и отпирания одного из них при достижении критического давления в полости закрытой задвижки. Эти средства в прототипе имеют вид сильфонов или подпружиненных мембран, которые служат разделителями компенсационных камер.
Такой защитный клапан при открытой задвижке не влияет на ее работу, ибо давление во всех полостях задвижки и клапана одинаково. Если же задвижка закрыта, то давление в том ее патрубке, который связан с напорной магистралью, оказывается выше давления во втором патрубке, связанном с опустевшей сливной магистралью.
Согласно известному изобретательскому замыслу при достижении критического давления в полости закрытой задвижки оно вместе с давлением в напорном патрубке отодвигает соответствующий шток от своего седла на величину зазора между смежными торцами штоков, обеспечивая сброс части рабочей среды из полости задвижки в соответствующую компенсационную камеру и напорную магистраль и поджим второго штока к его седлу со стороны сливной магистрали.
К сожалению, экспериментальная проверка работоспособности известного защитного клапана показала, что при свободном зазоре между смежными торцами штоков не исключается их одновременное смещение навстречу один другому и, соответственно, одновременное открытие обоих затворов. Этот неблагоприятный эффект тем заметнее, чем ниже давление в напорном патрубке относительно давления в полости задвижки.
Краткое изложение сущности полезной модели
В основу полезной модели положена задача исключением возможности одновременного отхода штоков от седел при достижении критического давления в полости закрытой задвижки создать существенно более надежный автоматический защитный клапан прямого действия.
Поставленная задача решена тем, что в автоматическом защитном клапане прямого действия, имеющем:
полый осесимметричный корпус с двумя гидравлически отделенными одна от другой зеркально симметричными компенсационными камерами;
боковые штуцеры, которые предназначены для подключения указанных камер к перепускным патрубкам защищаемой задвижки по разные стороны ее запирающего элемента;
торцевые штуцеры, которые предназначены для подключения указанных камер к полости защищаемой задвижки и снабжены седлами на стыках с указанными камерами;
коаксиальные штоки, которые расположены внутри указанного корпуса с зазором между их смежными торцами, имеют на противоположных концах золотники, соответствующие указанным седлам, и вместе с седлами служат соответственно первым и вторым затворами; и
средства осевого перемещения указанных штоков для запирания обоих затворов при открытой задвижке и отпирания одного из них при достижении критического давления в полости закрытой задвижки,
согласно изобретательскому замыслу
между средствами осевого перемещения указанных штоков вставлен упругий элемент жесткости.
Автоматический защитный клапан, обладающий указанной совокупностью существенных признаков, гораздо более надежен в сравнении с прототипом, поскольку упругий элемент жесткости удерживает запертым затвор со стороны сливного патрубка вплоть до выбирания упомянутого зазора между смежными торцами штоков.
Первое и второе дополнительные отличия состоят соответственно в том, что упругий элемент жесткости выполнен либо в виде отрезка спиральной пружины, охватывающего зону зазора между смежными торцами штоков, либо в виде пары встречно ориентированных тарельчатых пружин, каждая из которых зафиксирована относительно одного из штоков.
Специалисту понятно, что указанные выше и иные дополнительные отличия могут быть использованы в произвольных комбинациях с основным изобретательским замыслом, который определяет объем прав.
Детальное описание полезной модели
Далее сущность полезной модели поясняется подробным описанием конструкции и работы усовершенствованного клапана со ссылками на чертежи, где в продольных разрезах плоскостью симметрии в сочетании с задвижкой изображены:
на фиг. 1 - простейший автоматический защитный клапан с поршнями как средствами осевого перемещения штоков и спиральной пружиной как упругим элементом жесткости;
на фиг. 2 - упругий элемент жесткости в виде пары тарельчатых пружин;
на фиг. 3 - автоматический защитный клапан с сильфонами как средствами осевого перемещения штоков;
на фиг. 4 - автоматический защитный клапан с мембранами как средствами осевого перемещения штоков.
Автоматический защитный клапан прямого действия в любом воплощении изобретательского замысла имеет (см. фиг. 1):
полый осесимметричный корпус 1 с двумя гидравлически отделенными одна от другой зеркально симметричными компенсационными камерами 2 и 3;
боковые штуцеры 4 и 5, которые предназначены для подключения указанных камер к перепускным патрубкам защищаемой задвижки по разные стороны ее запирающего элемента;
торцевые штуцеры 6 и 7, которые предназначены для подключения соответственно камер 2 и 3 к полости защищаемой задвижки и снабжены необозначенными особо седлами на стыках с указанными камерами;
коаксиальные штоки 8 и 9, которые расположены внутри корпуса 1 с зазором между их смежными торцами, имеют на противоположных концах золотники 10 и 11, соответствующие упомянутым седлам, и вместе с ними служат соответственно первым и вторым затворами;
средства 12 и 13 осевого перемещения штоков 8 и 9 для запирания обоих затворов при открытой задвижке и отпирания одного из них при достижении критического давления в полости закрытой задвижки и
упругий элемент 14 жесткости, который вставлен между средствами 12 и 13.
В простейшем случае (см. фиг. 1), средства 12 и 13 имеют вид поршней, которые жестко связаны со штоками 8 и 9 и непосредственно герметизируют компенсационные камеры 2 и 3, а упругий элемент жесткости 14 имеет вид отрезка спиральной пружины, охватывающего зону зазора между смежными торцами штоков 8 и 9. Такая конструкция предпочтительна, если защитный клапан предназначен для оснащения задвижек магистральных нефте- и продуктопроводов, не испытывающих значительных термических нагрузок.
Упругий элемент 14 жесткости может иметь вид пары встречно ориентированных тарельчатых пружин, каждая из которых зафиксирована относительно одного из штоков 8 и 9, как это показано на фиг. 2.
В случаях, когда защитные клапаны предназначены для оснащения задвижек в системах охлаждения атомных реакторов и трубопроводных обвязках котлов ТЭС, в качестве средств 12 и 13 осевого перемещения штоков 8 и 9 и герметизации компенсационных камер 2 и 3 предпочтительно использовать сильфоны или мембраны (см. соответственно фигуры 3 и 4).
Работает описанный клапан следующим образом.
3
1
2
раб
В исходном положении (см. фигуры 1, 3 и 4) давление в полости открытой задвижки P и в ее обоих перепускных патрубках P и P одинаково, и оба затвора обычно закрыты. После закрытия задвижки давление в том ее патрубке, который функционировал как напорный, остается на исходном рабочем уровне Р, а давление в том патрубке, который функционировал как сливной, падает практически до нуля. При этом неважно, в каком направлении поток рабочей среды проходил через задвижку до ее закрытия.
1
раб
2
2
раб
1
Иначе говоря, если P=Р, то P→0, и наоборот, если P=Р, то P→0.
3
По мере нагрева рабочей среды в полости закрытой задвижки давление P повышается вплоть до заранее заданного критического значения. В итоге одно из средств 12 (или 13) осевого перемещения отодвигает соответствующий шток 8 с золотником 10 (или шток 9 с золотником 11) от своего седла, сжимая упругий элемент жесткости 14 и эффективно прижимая золотник со стороны сливного патрубка к своему седлу. Это обеспечивает сброс части рабочей среды из полости задвижки в соответствующую компенсационную камеру 2 или 3 и в напорную магистраль.
Промышленная применимость
Предложенный защитный клапан пригоден для серийного производства с использованием доступных материалов и комплектующих и стандартного металлообрабатывающего оборудования.