Устройство от превышения давления в полости задвижки

Полезная модель относится к конструкции энергетической трубопроводной арматуры, используемой в качестве запорного предохранительного органа в трубопроводах с жидкими средами, и может быть использована для предотвращения нештатных ситуаций, связанных с аварийным повышением давления выше расчетного в полости задвижки в процессе разогрева при закрытом затворе, когда внутреннее давление будет расти от температурного расширения среды при изменения температуры, под действием ударной волны, что особенно актуально для повышения безопасности эксплуатации действующих тепловых (ТЭС) и атомных электростанций (АЭС) с жидким теплоносителем, магистральных нефте- и газопроводах.
Промышленная трубопроводная арматура бывает общего назначения - для использования в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и в энергетике, и специальная - для работы в особых условиях (энергетическая для АЭС). Арматура может быть управляемой и действующей автоматически. Управление арматурой производится вручную или с помощью привода, действующего от постороннего источника энергии (электрического, пневматического, гидравлического). Автоматически действующая арматура: обратные и предохранительные клапаны, конденсатоотводчики, регуляторы давления, отключающие устройства и др., она срабатывает под действием сил, создаваемых давлением самой рабочей среды.
Возможно решение технической задачи, связанной с аварийным повышением давления в полости задвижки разными способами:
- применение предохранительных клапанов, присоединяемых к крышке задвижки (см., например, А.Х. Кижнер «Ремонт трубопроводной арматуры электростанций»);
- взрывных мембран;
- применение перепускных трубок малого диаметра между подающим патрубком и полостью задвижки;
- применение специальных конструкций главного разъема, обеспечивающих утечку среды при аварийном понижении давления;
- применение отверстий в тарелках задвижки, среди которых выделена установка тарелок с отверстиями как простое и технологичное средство;
- ручное стравливание давления из полости (применяется на магистральных нефтепроводах) [А.Л. Чекалкин, Д.С. Гурьянов. Устройство для сброса избыточного давления из корпуса запорной арматуры // Трубопроводный транспорт нефти. 2009. №4. С. 33-34].
Однако описанные способы недостаточно надежны и требуют дополнительный подвод трубопроводов, поэтому они не нашли применения на задвижках для АЭС.
Известно также наиболее близкое по технической сути к заявляемому устройство от превышения давления в полости задвижки одностороннего действия, предназначенное для сброса избыточного давления из корпуса запорной арматуры в магистральных нефте- и газопроводах (см. патент РФ на ПМ №157089, МПК F16K 17/00 (2006.01), F16K 24/02 (2006.01), опубл. 20.11.2015 г.), содержащее корпус с седлом и с расточками с патрубками, сообщающимися с полостью задвижки, в которых размещен затвор задвижки, связанный с полостью задвижки, и компенсационную камеру, связанную каналом с полостью задвижки, при этом корпус снабжен крышкой с уплотнительным элементом, а также поршнем и приводом, а компенсационная камера выполнена в виде пустотелой гильзы, в которую вмонтирован подпружиненный относительно ее днища поршень.
Описанное устройство в основном используется в трубопроводах для транспортировки нефти и ее продуктов. Рабочая среда - масла, нефть, пресная и морская вода, водные эмульсии. Температура рабочей среды для материалов уплотнения возвратно-поступательного движения таких типов до +200°С (по ГОСТ манжеты уплотнительные резиновые либо уплотнение шевронные резинотканевые по ISO/DIN другие названия). Данные виды/типы и материалы уплотнений не используются в АЭС. (Они должны быть согласованы в установленном порядке).
Недостатками этого устройства является низкая надежность, обусловленная тем, что в компенсационной камере невозможно использование уплотнения металл по металлу, т.к. будет натекание, уплотнение не будет эффективно выполнять свою функцию. А при использовании поршневого уплотнения (резиновые манжеты, кольца ) такую конструкцию недопустимо использовать в тепловых (ТЭС) и атомных электростанциях (АЭС) с жидким теплоносителем при температурах до 450°С, кроме того, это устройство невозможно использовать для работы при двусторонней подаче рабочей среды - жидкого теплоносителя.
Техническими эффектами заявляемого устройства является обеспечение работы с управлением арматурой в автоматическом режиме, повышение надежности уплотнения при температуре жидкого теплоносителя до 450°С, как следствие, повышение безопасности работы, а также расширение технологических возможностей устройства за счет обеспечения работоспособности при двусторонней подаче среды при неполном и полном перепаде на запорном органе, при высоких температурах рабочей среды.
Для достижения перечисленных технических эффектов в устройстве от превышения давления в полости задвижки, содержащем корпус с седлом с расточками и патрубками, сообщающимися с патрубками и полостью задвижки, в которых размещен затвор, связанный с полостью задвижки, согласно полезной модели в расточках выполненного двухкамерным корпуса установлены встречно с возможностью ограниченного осевого перемещения на величину установочного зазора h между их торцами штоки с золотниками на взаимно противоположных концах, поджатых с помощью установленных на штоках упругих элементов установочным усилием герметизации в направлении седел, размещенных в корпусе с образованием затворов, гидравлически связанных с полостью задвижки, а патрубки корпуса связаны с патрубками задвижки, при этом упругие элементы могут быть выполнены в виде сильфонов или мембран и соединены с одной стороны жестко со штоками, а с другой - жестко закреплены в корпусе; упомянутые упругие элементы могут работать совместно с пружинами, расположенными вне зоны контакта со средой, обеспечивающими дополнительное усилие поджатая на штоки с золотниками; кроме того возможен вариант выполнения устройства, в котором упругие элементы выполнены с возможностью регулировки установочного усилия поджатая.
За счет того, что в предлагаемом устройстве стало возможным использовать уплотнения металл по металлу с использованием гибких упругих элементов, например сильфона, мембраны, пружины с обеспечением герметичности по отношению к выходному патрубку задвижки при полном перепаде на запорном органе задвижки при температурах до 450°С, обеспечивается повышение надежности уплотнения и, как следствие, повышение безопасности устройства в целом. При этом установочное усилие упругих элементов позволяет устройству быть герметичным по отношению к выходному патрубку задвижки во всем диапазоне давлений начиная с 0,1 МПа до Рр или Ph, кроме того, это устройство не требует дополнительного обслуживания, подведения дополнительных систем трубопроводов гидравлического или пневматического управления и обеспечивает в связи с этим автоматическую работу системы. Расширяются технологические возможности устройства, т.к. оно сохраняет работоспособность при двусторонней подаче среды на запорном органе задвижки.
На фиг. 1 изображен продольный разрез заявляемого устройства с сильфонами в качестве упругих элементов; на фиг. 2-3 – то же, с мембранами и пружинами в качестве упругих элементов.
Устройство от превышения давления в полости задвижки состоит из выполненного двухкамерного корпуса 2 с патрубками "в", сообщающимися с полостью задвижки 1, в расточках которого (камерах) встречно с зазором h между их торцами размещены штоки 4-5 с золотниками 3 на взаимно противоположных концах, которые запирают с помощью установленных на штоках 4-5 упругих элементов 6-11 (фиг. 1-3) седла 13, размещенные в корпусе 2 с образованием затворов I и II. Эти затворы I и II корпуса 2 связаны с помощью трубок 14 с полостью задвижки "в", а патрубки корпуса "а" и "б" связаны с патрубками "а" и "б" задвижки 1; упругие элементы могут быть выполнены в виде сильфонов 6, 7 (фиг. 1) или мембран 8, 9 (фиг. 2-3) и обеспечивают возможность ограниченного осевого перемещения штоков 4-5 на величину установочного зазора h между их торцами под действием избыточного давления в патрубке "а" или патрубке "б" задвижки 1. Упругие элементы 6-9 также выполняют функцию разделителя рабочей среды по отношению к внешней среде. Возможен вариант выполнения предлагаемого устройства, при котором оно оснащено дополнительно пружинами 10, 11, расположенными вне зоны контакта с рабочей средой, обеспечивающими дополнительное усилие поджатия на штоки с золотниками; возможен также вариант выполнения предлагаемого устройства с регулировкой установочного усилия уплотнения в затворах I и II с помощью регулировочных гаек (винтов) 12 (фиг. 2, фиг. 3), кинематически связанных с упомянутыми упругими элементами.
Устройство от превышения давления в полости задвижки работает так.
3
1
2
При открытой задвижке 1 устройство от превышения давления не влияет на ее работу. После закрытия задвижки 1 при разогреве трубопровода (задвижки 1) в полости задвижки 1 начинает расти давление среды Р. В трубопроводе со стороны патрубка "а" задвижки 1 действует давление Р на упругий элемент 7 (7, 11) или упругие элементы 9, 11, а со стороны патрубка "б" задвижки 1 действует давление Р на второй упругий элемент 6 (6, 10) или 8, 10.
3
3
1
2
На затворы I и II устройства действуют одинаковые усилия от давления Р. При достижении давления срабатывания Р происходит сообщение полости задвижки 1 с тем патрубком задвижки 1, в котором действует большее давление. Давление срабатывания устройства зависит от выбора характеристик упругих элементов 6-11, эффективной площади упругих элементов 6-9, диаметра в седле 13 затворов I и II, от величины разности давлений Р и Р. При действии давления среды на эффективную площадь соответствующего упругого элемента 6-9 (в виде сильфонов или мембран) последний сжимается и таким образом разгружает золотник 3 от установочного усилия поджатая, вследствие чего открывает один из затворов I или II, после чего происходит сообщение входного патрубка "а" или "б" с полостью задвижки 1 "в", и шток 4(5) перемещается в осевом направлении на величину h, тем самым увеличивает усилие герметизации на противоположном затворе I или II, действующим усилием на шток 5(4), и это усилие будет возрастать при условии возрастания давления во входном патрубке "а" или "б" и соответственно в сообщаемой полости "в", которое действует на эффективную площадь упругого элемента 6-9.
Таким образом, устройство является герметичным как при малых давлениях рабочих сред с помощью установочного усилия упругих элементов 6-11, так и при высоких давлениях за счет усилия от среды, которое действует на эффективную площадь упругих элементов. Установочные усилия уплотнения в затворах I или II возможно регулировать с помощью регулировочных гаек (винтов) 12.