ВЗРЫВОЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО КОЧЕТОВА С РАЗРЫВНОЙ МЕМБРАНОЙ
EXPLOSION-PROOF DEVICE WITH BURSTING DISK BY KOCHETOV

Изобретение относится к взрывозащитным устройствам и может быть использовано для взврывозащиты технологического оборудования в случае возникновения чрезвычайной ситуации (ЧС).
Известен взрывной клапан (Кочетов О.С. Методика расчета требуемой площади сбросного отверстия взрывозащитного устройства. Журнал «Пожаровзрывобезопасность», №6, 2009, стр.41-47) [1] (рис.4 на стр.45), состоящий из корпуса, футерованного грузового затвора, подвижно соединенного с корпусом клапана посредством не менее трех гибких связей, в виде цепей, и перекрывающего отверстие в корпусе защищаемого объекта. В верхней части корпус клапана размещены теплоизоляционный элемент и герметизирующая мембрана из алюминиевой фольги или из полимерного материала, которая прижимается к корпусу клапана посредством крышки, шарнирно соединенной с рычагом разрывного элемента (проволоки), который крепится своей верхней частью на рычаге, а нижней - к верхней части корпуса клапана.
Недостатком известного устройства является то, что мембрана используется для герметизации клапана, т.е. она является практически полностью разгруженной, и на давление срабатывания клапана существенного влияния не оказывает.
Известен предохранительный клапан (Кочетов О.С. Расчет взрывозащитных устройств. Журнал «Безопасность труда в промышленности», №4, 2010, стр.43-49) [2] (рис.2 на стр.44), состоящий из корпуса, на котором расположен футерованный огнеупорным материалом грузовой затвор, в виде насыпного слоя щебня, гравия или песка, и перекрывающий отверстие в корпусе защищаемого объекта. В верхней цилиндрической части корпуса размещены теплоизоляционный элемент из минеральной ваты, или асбестовой крошки, или термостойкого пористого материала, а также герметизирующая мембрана, прижимаемая к корпусу клапана посредством крышки, шарнирно соединенной с рычагом, взаимодействующим с разрывным элементом (проволокой) предохранительного устройства, которое крепится своей верхней частью на рычаге, а нижней - к верхней цилиндрической части корпуса клапана.
Недостаток известного устройства: мембрана является практически полностью разгруженной, и не влияет на давление срабатывания клапана.
Известен взрывозащитный клапан для технологического оборудования (RU 2442052 C1, кл. F16K 17/40, 10.02.2012) [3], состоящий из корпуса, футерованного грузового затвора, подвижно соединенного с корпусом клапана посредством не менее трех гибких связей, в виде цепей, теплоизоляционного элемента и герметизирующей мембраны. К корпусу клапана крепится предохранительное устройство, которое закреплено своей верхней частью на шарнирном рычаге, а нижней - на верхней цилиндрической части корпуса, имеющее разрывной элемент в виде проволоки.
Недостатком известного устройства является то, что мембрана используется для герметизации клапана, т.е. она является практически полностью разгруженной, и на давление срабатывания клапана существенного влияния не оказывает, а установка дополнительного предохранительного устройства усложняет конструкцию, делая ее менее надежной.
Известен взрывозащитный клапан для технологического оборудования (RU 2495313 C1, кл. F16K 17/40, 10.10.2012) [4], состоящий из корпуса, футерованного грузового затвора, который подвижно соединен с корпусом клапана посредством не менее трех гибких связей, в виде демпфирующих ремней.
Недостатком известного устройства является то, что мембрана используется для герметизации клапана, т.е. она является практически полностью разгруженной, и на давление срабатывания клапана существенного влияния не оказывает, а установка дополнительного предохранительного устройства усложняет конструкцию, делая ее менее надежной.
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является взрывозащитное устройство по патенту RU 130657 U1, кл. F16K 17/40, 27.07.2013) [5] (прототип), содержащее корпус клапана, теплоизолирующий и разрывной элементы, футерованный грузовой затвор, подвижно соединенный с корпусом клапана посредством не менее трех гибких связей, например в виде цепей, один конец которых шарнирно соединен с корпусом клапана, а другой - шарнирно соединен с грузовым затвором, при этом корпус клапана выполнен в виде нижней цилиндрической, средней конической и верхней цилиндрической частей, причем в нижней цилиндрической части размещен футерованный грузовой затвор, перекрывающий отверстие в корпусе защищаемого объекта, а в верхней цилиндрической части корпуса клапана размещен узел крепления разрывной мембраны.
Недостатком известного решения является сравнительно невысокая надежность из-за того, что гибкие связи, выполненные в виде цепей, работают рывками, с ударами, т.е. создают дополнительные динамические нагрузки на устройство в целом, что может привести к их поломке.
Технический результат - повышение эффективности и надежности защиты технологического оборудования от взрывов путем выполнения упругих гибких связей в виде упругих ремней, которые выполнены слоистыми с чередованием упругих и демпфирующих слоев, что способствуют более надежному и мягкому (без рывков и ударов) центрированию затвора относительно сбросного отверстия.
Это достигается тем, что взрывозащитное устройство с разрывной мембраной, содержащее корпус клапана, затвор и разрывной элемент, дополнительно содержит футерованный грузовой затвор, подвижно соединенный с корпусом клапана посредством не менее трех гибких связей, например в виде цепей, один конец которых шарнирно соединен с корпусом клапана, а другой - шарнирно соединен с грузовым затвором, при этом корпус клапана выполнен в виде нижней цилиндрической, средней конической и верхней цилиндрической частей, причем в нижней цилиндрической части размещен футерованный грузовой затвор, перекрывающий отверстие в корпусе защищаемого объекта, а в верхней цилиндрической части корпуса клапана размещен узел крепления разрывной мембраны, причем параметры клапана находятся в следующих оптимальных интервалах величин:
а=D/Dy=1,5÷2,0;
1
2
2
1
1
2
где Dy - диаметр верхней цилиндрической части корпуса клапана, равный максимальному размеру отверстия корпуса защищаемого объекта; D - диаметр нижней цилиндрической части корпуса клапана, при этом разрывная мембрана между кольцами зажата без применения каких-либо прокладок, а уплотнительные поверхности колец выполнены правильной геометрической формы и высокой чистоты обработки, а при сборке мембранного узла во фланцевом соединении кольца скрепляют одно с другим двумя диаметрально расположенными планками и винтами, причем одно из отверстий под винты в планке имеет продолговатую форму, при этом формы поверхностей колец, контактирующих с фланцами, полностью соответствуют форме уплотнительных поверхностей фланцев, при этом параметры мембранного узла находятся в следующих оптимальных интервалах величин: а=D/D=1,1÷2,0; b=D/D=1,11÷2,4; с=D/D=1,01÷1,3; где D - диаметр проходного сечения мембранного узла, равный внутреннему диаметру колец, контактирующих соответственно с фланцами и мембраной, D - наружный диаметр разрывной мембраны, D - внешний диаметр колец, контактирующих с фланцами, причем мембрана выполнена из тонколистового проката с радиальными рисками, или с круговыми рисками, или с прорезями, или с отверстиями, или двухслойной, а в качестве гибких связей, соединяющих футерованный грузовой затвор, подвижно соединенный с корпусом клапана, и служащих для центровки затвора, использованы упругие гибкие связи, например в виде упругих ремней, один конец которых шарнирно соединен с корпусом клапана, а другой - шарнирно соединен с грузовым затвором, и которые выполнены слоистыми с чередованием упругих и демпфирующих слоев, при этом в качестве демпфирующих слоев применена вибродемпфирующая мастика, например типа ВД-17, а в качестве упругих слоев - эластомер, например полиуретан.
На фиг.1 изображен общий вид взрывозащитного устройства с разрывной мембраной, на фиг.2 - узел крепления мембранного предохранительного устройства, на фиг.3 - вариант выполнения разрывной мембраны с радиальными рисками, на фиг.4 - вариант выполнения разрывной мембраны с круговой риской, на фиг.5 - вариант выполнения разрывной мембраны с прорезями, на фиг.6 - вариант выполнения разрывной мембраны с отверстиями.
Взрывозащитное устройство (фиг.1) с разрывной мембраной 7 устанавливается на корпус 1 защищаемого объекта и содержит футерованный грузовой затвор 2, подвижно соединенный с корпусом 3 клапана посредством, не менее трех, гибких связей, например в виде цепей 9, один конец которых шарнирно соединен с корпусом 3 клапана, а другой - шарнирно соединен с грузовым затвором 2 клапана. Корпус клапана выполнен в виде нижней цилиндрической части, средней конической части 4 и верхней цилиндрической части 5, причем в нижней цилиндрической части размещен футерованный грузовой затвор 2, перекрывающий отверстие диаметром Dy в корпусе 1 защищаемого объекта. К верхней цилиндрической части 5 корпуса клапана крепится узел 6 разрывной мембраны 7 посредством крепежных элементов 8. Затвор 2 не обеспечивает герметичного перекрытия сбросного отверстия защищаемого аппарата 1, он свободно лежит на нем, при этом гибкие связи 9, например в виде слегка прослабленных цепей, служат лишь для центровки затвора 2, т.е. для предотвращения его больших смещений относительно сбросного отверстия, причем футерованный грузовой затвор 2 защищает корпус клапана от прогорания в случае высокой температуры в защищаемом аппарате. Для получения наибольшей эффективности взврывозащиты производственного оборудования взрывозащитный клапан имеет параметры, которые находятся в следующих оптимальных интервалах величин: a=D/Dy=1,5÷2,0; где Dy - диаметр верхней цилиндрической части 5 корпуса клапана, равный максимальному размеру отверстия корпуса 1 защищаемого объекта; D - диаметр нижней цилиндрической части 3 корпуса клапана.
Взрывозащитное устройство может быть оснащено мембранным предохранительным устройством 6 типа фланцевого соединения, которое содержит мембранный узел (фиг.2), который состоит из мембраны 7 и пары зажимных колец 10 и 11. Мембрана 7 между кольцами зажимается без применения каких-либо прокладок, что обусловливает весьма жесткие требования к качеству уплотнительных поверхностей колец, такие как правильность геометрической формы и высокая чистота обработки. Для удобства сборки мембранного узла во фланцевом соединении кольца скрепляют одно с другим двумя диаметрально расположенными планками 12 и винтами 13. Одно из отверстий под винты в планке имеет продолговатую форму для того, чтобы наличие планок не препятствовало равномерному и герметичному защемлению мембраны между зажимными кольцами при затяжке фланцевого соединения. При этом формы поверхностей колец, контактирующих с фланцами, должны полностью соответствовать форме уплотнительных поверхностей фланцев; конструкция мембранного узла предназначена для установки во фланцах с уплотнительной поверхностью типа «шип - паз».
Разрывные мембраны изготавливают обычно из тонколистового проката пластичных металлов, таких как алюминий, никель, нержавеющая сталь, латунь, медь, титан, монель и др. Известны случаи применения неметаллических мембран из полиэтиленовой и фторопластовой пленок, из бумаги, картона, паронита, асбеста и даже из фанеры. Однако эти материалы характеризуются очень нестабильными механическими свойствами, мембраны из них имеют большой разброс давления срабатывания и для широкого использования не рекомендуются, хотя в некоторых случаях их применение является единственно возможным. Обычно это мембраны больших размеров (диаметром около метра и более), иногда квадратной или прямоугольной формы и с весьма низким давлением срабатывания, т.е. предназначенные для взврывозащиты малопрочного оборудования. Применение асбеста оправдывается высокой температурой внутри оборудования, т.е. в случае взврывозащиты топок, печей и других высокотемпературных реакторов.
1
2
2
1
1
2
Для получения наибольшей эффективности взврывозащиты производственного оборудования мембранный узел имеет параметры, которые находятся в следующих оптимальных интервалах величин: a=D/D=1,1÷2,0; b=D/D=1,11÷2,4; c=D/D=1,01÷1,3; где D - диаметр проходного сечения мембранного узла, равный внутреннему диаметру колец, контактирующих соответственно с фланцами и мембраной, D - наружный диаметр разрывной мембраны, D - внешний диаметр колец, контактирующих с фланцами.
Конструкции разрывных мембран могут быть выполнены с радиальными (фиг.3), круговыми (фиг.4) рисками. Радиальные риски более просты в изготовлении, однако такая мембрана часто при срабатывании разрывается по одной-двум рискам и не обеспечивает полного раскрытия проходного сечения. Мембрана с окружной риской (фиг.4), как правило, раскрывается полностью. Для предотвращения отрыва риску наносят по незамкнутому круговому контуру, при этом со стороны, противоположной источнику давления, у концов риски устанавливают сегментный упор, хорда которого стягивает большую дугу окружности, чем хорда, соединяющая концы риски, как показано на фиг.4. Эффективны также мембраны с прорезями (фиг.5) и отверстиями (фиг.6). Они всегда двухслойны, так как содержат дополнительно герметизирующую подложку из коррозионно-стойкого и малопрочного материала.
В качестве гибких связей 9, соединяющих футерованный грузовой затвор 2, подвижно соединенный с корпусом 3 клапана, и служащих для центровки затвора 2 и для предотвращения его больших смещений относительно сбросного отверстия, могут быть использованы упругие гибкие связи, например в виде упругих ремней, один конец которых шарнирно соединен с корпусом 3 клапана, а другой - шарнирно соединен с грузовым затвором 2, которые выполнены слоистыми с чередованием упругих и демпфирующих слоев, при этом в качестве демпфирующих слоев применена вибродемпфирующая мастика, например типа ВД-17, а в качестве упругих слоев - эластомер, например полиуретан (на чертеже не показано).
Взрывозащитное устройство с разрывной мембраной работает следующим образом.
Давление в защищаемом аппарате воздействует на затвор 2, который перекрывает входное отверстие негерметично и при быстром повышении давления он может приподниматься вверх, насколько позволяет длина удерживающих его цепей 9. При нагружении рабочим давлением мембрана 7 испытывает большие пластические деформации и приобретает ярко выраженный купол, по форме очень близкий к сферическому сегменту. Чаще всего куполообразную форму мембране придают заранее при изготовлении, подвергая ее нагружению давлением, составляющим около 90% от разрывного. При этом фактически исчерпывается почти весь запас пластических деформаций материала, поэтому еще больше увеличивается быстродействие мембраны. При взрывном давлении мембрана испытывает разрывные деформации и разрывается, тем самым обеспечивает полное раскрытие проходного сечения предохранительного устройства для выхода ударной волны и сохранения целостности оборудования.
Разрывные мембраны изготавливают обычно из тонколистового проката пластичных металлов, таких как алюминий, никель, нержавеющая сталь, латунь, медь, титан, монель и др. Известны случаи применения неметаллических мембран из полиэтиленовой и фторопластовой пленок, из бумаги, картона, паронита, асбеста и даже из фанеры. Однако эти материалы характеризуются очень нестабильными механическими свойствами, мембраны из них имеют большой разброс давления срабатывания и для широкого использования не рекомендуются, хотя в некоторых случаях их применение является единственно возможным. Обычно это мембраны больших размеров (диаметром около метра и более), иногда квадратной или прямоугольной формы и с весьма низким давлением срабатывания, т.е. предназначенные для взврывозащиты малопрочного оборудования. Применение асбеста оправдывается высокой температурой внутри оборудования, т.е. в случае взврывозащиты топок, печей и других высокотемпературных реакторов.
Упругие гибкие связи в виде упругих ремней, один конец которых шарнирно соединен с корпусом 3 клапана, а другой - шарнирно соединен с грузовым затвором 2, и которые выполнены слоистыми с чередованием упругих и демпфирующих слоев, способствуют более надежному и мягкому (без рывков и ударов) центрированию затвора 2 относительно сбросного отверстия.
Для химической и других смежных отраслей промышленности, продукты которых и ценны, и исключительно вредны для окружающей среды, условие полной герметичности следует рассматривать как приоритетное, в значительной мере определяющее область возможного их применения.