Устройство защиты средней полости задвижки от превышения давления

Область техники
Полезная модель относится к арматуростроению, в частности к задвижкам, и может быть использована при изготовлении, эксплуатации и ремонте задвижек, применяемых в качестве запорной арматуры рабочих сред с высоким давлением и высокой температурой на трубопроводах технологических систем атомных станций (АС), атомных электростанций (АЭС), тепловых электростанций (ТЭС), а также в магистральных нефте- и газопроводах в системах нормальной эксплуатации и в системах, важных для безопасности.
Уровень техники
В ряде отраслей промышленности, в первую очередь в энергетической, применяют трубопроводную арматуру для установок и трубопроводов, работающих в различных средах и экстремальных условиях: при давлениях от тысяч атмосфер до глубокого вакуума как при высоких, так и низких температурах. В связи с этим современное арматуростроение является самостоятельной отраслью промышленности, выпускающей арматуру различного назначения, размеров и конструкций.
Трубопроводная арматура тепловых цехов современных электростанций представляет собой один из наиболее сложных элементов оборудования.
Только на одном энергоблоке мощностью 1000 МВт установлено более четырех тысяч единиц арматуры, поэтому вопросы конструирования и изготовления надежной в эксплуатации трубопроводной арматуры, применения специальных материалов, а также методов ревизии и ремонта имеют очень важное значение [Кижнер А.Х. Ремонт трубопроводной арматуры электростанций: Учеб. пособие для проф. обучения рабочих на производстве. М.: Высш. школа, 1986. - 144 с., стр. 4].
Распространенной разновидностью запорной трубопроводной арматуры, предназначенной для перекрытия потока рабочей среды с определенной герметичностью, являются задвижки, у которых запирающий или регулирующий элемент перемещается перпендикулярно оси потока рабочей среды посредством вращающегося шпинделя (нем. Spindel, - «веретено») или штока (нем. Stock - «палка, стержень»), которые выполняют функцию кинематических элементов, осуществляющие передачу поступательного усилия от привода или исполнительного механизма к запирающему элементу.
Известны параллельные задвижки, у которых уплотнительные поверхности элементов затвора взаимно параллельны, например шиберные задвижки (задвижки шиберные), у которых запирающий элемент выполнен в форме шибера(от нем. «shieber» - затвор, заслонка), обычно выполняемого в виде металлической пластины. Недостатком шиберных задвижек является сравнительно низкая герметичность, поэтому они в основном используются в трубопроводах низкого давления.
Известны клиновые задвижки (задвижки клиновые), у которых запирающий элемент выполнен в форме клина и перемещается перпендикулярно оси потока рабочей среды, а уплотнительные поверхности расположены под углом друг к другу.
Клиновые задвижки обладают сравнительно высокой герметичностью перекрытия потока рабочей среды, но актуальной проблемой, связанной с эксплуатацией клиновых задвижек, особенно на трубопроводах высокого давления (свыше 11 МПа), является опасность разрыва внутренней полости задвижки из-за аварийного повышения давления над запирающим элементом (во внутренней полости задвижки) вследствие повышения температуры рабочей среды при перекрытом рабочем сечении и образование избыточного (запирающего) давления в надклиновой области (средней полости) задвижки в процессе ее разогрева в закрытом положении при возможной подаче рабочей среды с двух сторон.
Известно, что нагрев воды, находящейся в замкнутом пространстве внутренней полости задвижки, более чем на 50°С уже приводит к существенному повышению давления, которое может стать причиной нарушения целостности конструкции. [Гуревич Д.Ф., Ширяев В.В., Пайкин И.X. Арматура атомных электростанций: справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1982. 312 с.]
Известны способы решения данной проблемы, например, описанные в работе [Лапкис А. Защита задвижек АЭС от аварийного повышения давления // Наука и конструирование. 2012. №6(81). С. 36-39], среди которых выделяют:
- применение предохранительных клапанов, встраиваемых в крышки задвижек. Недостатком такого решения является то, что через предохранительные клапана будут происходить утечки рабочей среды за пределы трубопровода, что может привести к загрязнению окружающей среды;
- применение перепускных трубок между подающим патрубком и полостью задвижки. Это приемлемо только для задвижек с односторонним направлением потока рабочей среды;
- взрывных мембран. Недостатком такого решения является то, что после разрыва мембраны приходится проводить ремонтные работы по ее восстановлению;
- применение отверстий в тарелках задвижки. Такое решение сопряжено с существенным увеличением трудоемкости изготовления задвижки и снижением герметичности в положении задвижки "закрыто";
- применение ручного стравливания давления. При таком решении требуется постоянный надзор за перепадом температур, оперативная доставка рабочего к задвижке, требуется применение ручного труда, что не всегда возможно, например, на задвижках трубопроводов АЭС, когда доступ рабочего в опасную зону строго запрещен. Кроме того, при ручном стравливании давления рабочая среда будет выходить за пределы трубопровода, что может стать причиной загрязнения окружающей среды.
Известна запорная трубопроводная арматура с сообщающейся с внутренней полостью запорного устройства компенсационной камерой, в которую выдавливается рабочая среда при повышении давления во внутренней полости запорного устройства [RU 164371, RU 157088, RU 157089, RU 159004].
Недостатками трубопроводной арматуры с компенсационными камерами является их сравнительно низкая надежность из-за возможности разрушения материала компенсационных камер при воздействии рабочих сред и невозможность их применения на трубопроводах высокого давления из-за возможности разрушения компенсационных камер высоким давлением.
Известен компенсатор давления задвижки, содержащий перепускной клапан, имеющий полый корпус с входным, выходным и средним каналами для сообщения полости корпуса соответственно с входным, выходным патрубками и со средней полостью задвижки, а также элементы для соединения указанных каналов с соответствующими патрубками и средней полостью. В полости корпуса клапана установлен золотник с возможностью перемещения в сторону меньшего давления среды под действием избыточного давления во входном или выходном канале. Герметизации зазора между подвижным золотником и стенками полости корпуса обеспечивается установленными на золотнике уплотнительными кольцевыми прокладками, а сброс избыточного давления из средней полости задвижки осуществляется через отверстие в золотнике, которое совмещается с входным и средним каналом [RU 102734, F16K 17/18, опубл. 10.03.2011].
Недостатком устройства по RU 102734 является неравномерный износ его уплотнения из-за ограниченного перемещения золотника (одно из уплотнений изнашивается в большей степени), при сбросе избыточного давления через отверстие в золотнике возможно его засорение нефтепродуктами, что обуславливает снижение надежности работы компенсатора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототипом) является компенсатор давления клиновой задвижки нефтепровода, предназначенный для сброса избыточного давления жидкой среды (нефти), возникающего в средней полости клиновой задвижки вследствие технологического нагрева из-за разницы коэффициентов линейного расширения проводимой среды (нефти) и металла корпуса задвижки при закрытом затворе, в один из патрубков, имеющийм меньшее давление проводимой среды, чем в средней полости задвижки [RU 131116, F16K 17/00, опубл. 10.08.2013, прототип]
Компенсатор давления клиновой задвижки по RU 131116 - прототипу содержит перепускной клапан, имеющий полый корпус с входным, выходным и средним каналами для сообщения полости корпуса соответственно с входным и выходным патрубками и со средней полостью задвижки, а также элементы соединения указанных каналов с соответствующими патрубками и, при необходимости, со средней полостью задвижки. В полости корпуса клапана установлен золотник с возможностью перемещения в сторону меньшего давления среды под действием избыточного давления в каналах посредством золотника, установленного в корпусе клапана таким образом, что при перекрытии им одного из каналов обеспечивается сообщение через корпус со средней полостью задвижки. Входные и выходные каналы расположены в корпусе клапана соосно, ось среднего, сообщающегося со внутренней полостью канала расположена перпендикулярно оси входного и выходного каналов, а расстояние между плоскостью выхода входного канала в полость корпуса и осью выходного канала, а также расстояние между плоскостью выхода канала в полость корпуса и осью выходного канала больше, чем размер золотника вдоль оси входного и выходного каналов. Герметизации зазора между подвижным золотником и стенками полости корпуса обеспечивается установленными на золотнике уплотнительными кольцевыми прокладками.
Недостатком клиновой задвижки с компенсатором давления и компенсатора давления клиновой задвижки по RU 131116 - прототипу является низкая надежность функционирования и неудовлетворительная негерметичность, обусловленные износом уплотнительных кольцевых прокладок в зазоре между подвижным золотником и стенками полости корпуса, а также возможность заклинивания золотника между каналами, для компенсации чего золотник имеет радиальную выточку и отверстие для сообщения входного и выходного каналов для сброса избыточного давления с возможностью перетока рабочей среды из зоны высокого давления в зону низкого давления.
Задача и технический результат
При эксплуатации задвижек возможно возникновение ситуации, когда герметичное перекрытие потока рабочей среды при закрытии задвижки происходит при высоком давлении, но низкой температуре, в результате чего в надклиновой области (в средней полости) задвижки образуется герметичная область под давлением, равным давлению в трубопроводе на момент закрытия.
При последующем разогреве системы, в которой установлена задвижка, а это может быть как аварийная ситуация - например пожар в помещении, так и штатная ситуация - выход на рабочую температуру, находящаяся в надклиновом пространстве (в средней полости задвижки) рабочая среда начинает нагревается и происходит увеличение давления в надклиновой области (в средней полости) задвижки.
В результате процесса расширения рабочей среды при нагревании давление в надклиновой области герметично закрытой задвижки может вырасти до величин или препятствующих последующему открытию задвижки (запирающее давление), или приводящих к повреждению самой конструкции задвижки, разрушению корпуса или крышки задвижки и нарушению герметичности задвижки по отношению к внешней среде.
Задачей полезной модели является исключения подобной ситуации, то есть предотвращение недопустимого превышения давления в надклиновой области (в средней полости) задвижки при возможной подаче рабочей среды как с одной, так и с двух сторон, с сохранением давления в надклиновой области (в средней полости) задвижки, всегда равным давлению в напорной части трубопровода без перетекания рабочей среды в разгруженную (находящуюся под меньшим давлением) часть трубопровода с исключением аварийных последствий ситуации в виде разрыва корпуса и крышки задвижки под действием избыточного давления во внутренней полости.
Технический результат, достигаемый при осуществлении и промышленной реализации полезной модели - повышение технологичности изготовления, надежности функционирования и ремонтопригодности устройства защиты средней полости задвижки от превышения давления и клиновых задвижек с устройством защиты средней полости от превышения давления при сохранении уровня герметичности запирающих поверхностей клиновых задвижек в местах контакта уплотняющих поверхностей дисков клина и корпуса без перетекания рабочей среды в разгруженную (находящуюся по меньшим давлением) часть трубопровода.
Сущность полезной модели
Характерной отличительной особенностью предлагаемого устройства защиты средней полости задвижки от недопустимого превышения давления и задвижки с устройством защиты средней полости задвижки от недопустимого превышения давления является наличие двух шарнирно соединенных золотников из коррозионно- и жаростойкой стали, выполненных с возможностью свободного совместного перемещения в сообщающейся с надклиновой облостью внутренней полости корпуса задвижки в сторону меньшего давления рабочей среды под действием большего давления во входном или выходном канале и герметичного самоуплотняющегося перекрывания одним из золотников соответственно выходного или входного канала с меньшим давлением посредством герметичного сопряжения уплотнительной поверхности золотника и уплотнительной поверхности входного или выходного канала.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что устройство защиты средней полости задвижки от превышения давления содержит
корпус с внутренней полостью, сообщающейся с входным и выходным каналами и каналом сообщения со средней полостью задвижки,
и два расположенных во внутренней полости корпуса и шарнирно соединенных друг с другом золотника, выполненных с возможностью
свободного совместного перемещения во внутренней полости корпуса в сторону меньшего давления рабочей среды под действием большего давления во входном или выходном канале и герметичного самоуплотняющегося перекрывания одним из золотников соответственно выходного или входного канала с меньшим давлением посредством герметичного сопряжения соответствующих уплотнительной поверхности золотника и уплотнительной поверхности входного или выходного канала.
При этом золотники содержат
средства центрирования их положения во внутренней полости корпуса по оси входного и выходного каналов, выполненные в виде двух соосно расположенных втулок, герметично установленных во внутренней полости корпуса посредством торцевых крышек с уплотняющими прокладками и содержащих в месте их соединения выемки для прохода рабочей среды из канала для сообщения со средней полостью задвижки во внутреннюю полость корпуса,
средства центрирования их положения во внутренней полости корпуса, выполненные, например, в виде дисков со сквозными отверстиями для прохода рабочей среды
и средства центрирования их положения во входном и выходном каналах, выполненные, например, в виде сферических утолщений со скошенными краями для прохода рабочей среды.
Сопрягаемые уплотнительные поверхности золотников и уплотнительные поверхности входного и выходного каналов выполнены в форме конусных или сферических поверхностей, а уплотнительные поверхности входного и выходного каналов выполнены в виде аустенитных наплавок.
Входной и выходной каналы и золотники расположены соосно, а канал для сообщения со средней полостью задвижки расположен перпендикулярно оси входного и выходного каналов и золотников.
Золотники соединены между собой посредством сферического шарнира.
Входной и выходной каналы и канал для сообщения со средней полостью задвижки содержат средства для их гидравлического присоединения соответственно к входному и выходному патрубку задвижки и средней полости задвижки, выполненные, например, в виде патрубков или штуцеров.
Устройство содержит статичные уплотнения из терморасширенного графита.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлено возможное преимущественно конструктивное исполнение устройства защиты средней полости задвижки от превышения давления, далее - "перепускного устройства", и задвижки с перепускным устройством, на которых показаны: корпус перепускного устройства 1; втулки 2 с наплавленными аустенитными уплотнительными поверхностями входного и выходного каналов рабочей среды и направляющими отверстиями для первого золотника 3 и второго золотника 4; торцевые крышки 5; уплотнения 6; гайки 7 крепления торцевых крышек 5 к корпусу перепускного устройства 1; стопорные шайбы 8, препятствующие самораскручиванию гаек 7; шпильки 9 крепления торцевых крышек 5 к корпусу перепускного устройства 1.
P
На фиг. 1 изображено сечение перепускного устройства вертикальной плоскостью по оси входного и выходного каналов и золотников, где показано направление большего давления рабочей среды P с правой стороны, обеспечивающего соответствующее движение золотников в этом направлении и сопряжение золотника 3 с уплотнительной поверхностью втулки 2 с самоуплотняющимся герметичным перекрытием соответствующего входного или выходного канала с левой стороны и с открытием соответствующего входного или выходного канала рабочей среды с правой стороны.
P
На фиг. 2 - сечение перепускного устройства горизонтальной плоскостью по оси входного и выходного каналов и золотников и оси канала для сообщения внутренней полости корпуса перепускного устройства со средней полостью задвижки, где показано противоположное направление большего давления рабочей среды P с левой стороны, обеспечивающее соответствующее движение золотников в этом противоположном направлении и герметичное сопряжение второго золотника 4 с уплотнительной поверхностью втулки 2 с перекрытием соответствующего входного или выходного канала с правой стороны и с открытием соответствующего входного или выходного канала с левой стороны, а также показаны зазоры между центрирующими выступами золотников и внутренними стенками входного и выходного каналов рабочей среды.
P
На фиг. 3 - сечение перепускного устройства вертикальной плоскостью по оси входного и выходного каналов и золотников, где показано направление равенство давлений рабочей среды P и с правой и с левой стороны, обеспечивающих промежуточное положение золотников в центральной части внутренней полости корпуса с раскрытыми входным и выходным каналами с правой и с левой стороны.
На фиг. 4 - вариант преимущественно конструктивного исполнения перепускного устройства в разнесенном виде.
На фиг. 5 - аксонометрическое изображение конструкции перепускного устройства с вырезанной четвертью корпуса.
На фиг. 6 - сечение устанавливаемых во внутренней полости корпуса втулок с золотниками с самоуплотняющимся герметичным перекрытием входного или выходного канала с левой стороны и соответствующим открытым входным или выходным каналом с правой стороны.
На фиг. 7, 8 - сечение втулок для золотников с наплавленными аустенитными уплотнительными поверхностями входного и выходного каналов.
На фиг. 9, 10 - аксонометрические изображения золотников с элементами их шарнирного сферического соединения, средствами центрирования их положения во внутренней полости корпуса перепускного устройства, выполненными в виде дисков со сквозными отверстиями для прохода рабочей среды сквозь диски, и средствами центрирования их положения во входном и выходном каналах рабочей среды в виде сферических утолщений со скошенными краями для свободного прохода рабочей среды в зазорах между ними и внутренними поверхностями входного и выходного каналов (фиг. 2).
На фиг. 11 - схема монтажа перепускного устройства на корпусе задвижки с герметичным гидравлическим присоединением перепускного устройства к патрубку подвода рабочей среды, к патрубку отвода рабочей среды и к средней (надклиновой) полости задвижки.
На фиг. 12 показано аксонометрическое изображение общего вида задвижки с присоединенным устройством защиты средней полости задвижки от превышения давления (с перепускным устройством).
Осуществление и промышленная реализация полезной модели
В общем случае заявленное устройство защиты средней полости от недопустимого превышения давления, далее - перепускное устройство (фиг. 1-5), представляет собой перепускное устройство, содержащее корпус 1, во внутренней полости которого во втулках 2 установлены два шарнирно соединенных друг с другом золотника 3 и 4 со средствами их центрирования во втулках и входных и выходных каналах, выполненных гидравлически сообщающимися с патрубками подвода и отвода рабочей среды и соответствующими патрубками подвода и отвода рабочей среды задвижки, с возможностью свободного размещения золотников 3 и 4 во внутренней полости корпуса, при этом концевые части золотников содержат уплотнительные поверхности, выполненные с возможностью герметичного сопряжения с уплотнительными поверхностями во входном и выходных каналах (в показанной на чертежах преимущественной конструкции во втулках 2) в виде аустенитных наплавок в форме конусобразных или сферообразных уплотнительных седел с возможностью герметичного их перекрывания соответствующими уплотнительными поверхностями золотников 3 и 4.
Герметичность разборного герметичного расположения втулок 2 в корпусе 1, а также герметичного присоединения к корпусу торцевых крышек 5 обеспечивается посредством колец из терморасширенного графита 6, которые неподвижно зажимаются выступами крышек 5, располагаемых с торцевых сторон корпуса 1 и прикрепляемых к корпусу устройства посредством шпилек 7 и гаек 8 с предохранением от самораскручивания посредством стопорных шайб 9.
Наличие и использование втулок 2, герметично установленных во внутренней полости корпуса 1 соосно с входным и выходным каналами перепускного устройства и обеспечивающих гидравлическое соединение внутренней полости корпуса с каналом соединения со средней полости задвижки, существенно упрощает изготовление устройства, повышает технологичность изготовление, надежность функционирования и ремонтопригодность перепускного устройства.
Наличие в перепускном устройстве двух шарнирно соединенных золотников предлагаемой конструкции, один из которых выполнен со сферическим наконечником, а другой со сферическим пазом для их подвижного шарнирного соединения, по сравнению с применением одного цельного золотника обеспечивает возможность компенсации погрешностей взаимного расположения подводящих (входных) и отводящих (выходных) каналов и полностью исключает необходимость уплотнения зазора между поверхностью внутренней полости корпуса и наружной поверхностью золотников, что в свою очередь полностью исключает износ уплотнений и возможность заклинивания золотников вследствие их перекоса.
Наличие в конструкции перепускного устройства двух глухих торцевых крышек, герметично уплотненных статичными прокладками из терморасширенного графита и прикрепленных к корпусу посредством сборно/разборного соединение посредством шпилек и гаек, существенно повышает надежность и герметичность функционирования устройства, а также обеспечивает повышение его ремонтопригодности посредством возможности оперативной разборки/сборки устройства и простой замены предварительно изготовленных и притертых втулок и золотников.
При изготовлении задвижки с предлагаемым устройством защиты средней полости от превышения давления (задвижки с перепускным устройством) патрубки (штуцера) перепускного устройства посредством соответствующих трубок привариваются (или прикручиваются разборными соединениями) к корпусу задвижки, одна трубка - к патрубку подвода рабочей среды, одна - к патрубку отвода рабочей и одна - к средней полости задвижки (Фиг 11, 12).
При нахождении задвижки в закрытом положении (при закрытом клине) под воздействием избыточного давления в одном из патрубков подвода или отвода рабочей среды шарнирно соединенные друг с другом золотники 3 и 4 под действием большего давления свободно перемещаются в установленных во внутренней полости корпуса 1 перепускного устройства втулках 2 в одно из крайних положений - крайнее правое или левое положение (фиг.1 или фиг. 2) в зависимости от направления воздействия большего давления с герметичным самоуплотняющимся перекрытием соответствующего противоположного входного или выходного канала рабочей среды.
При этом средняя полость устройства посредством отверстий в центрирующих дисках золотников 3 и 4, выемок и отверстий во втулках 2 гидравлически соединяется с напорным патрубком задвижки, а разгруженный патрубок задвижки соответственно герметично отсекается.
Таким образом, давление в средней полости устройства всегда остается равным давлению в напорной части трубопровода, но при этом не происходит перетекания рабочей среды в разгруженную часть трубопровода, то есть сохраняется полная герметичность задвижки и полностью исключается превышение давления в средней, надклиновой полости задвижки.
Заявленная полезная модель не ограничена показанными в описании частными и предпочтительными случаями его реализации.
Возможны также иные формы исполнения в объеме существенных признаков заявленной полезной модели, поскольку отдельные детали и узлы перепускного устройства и задвижки с перепускным устройством могут быть изготовлены из обычно используемых в арматуростроении материалов по обычным технологиям.
Подробное описание конструкции и функционирования доказывает существенность отображенных в формуле признаков полезной модели и их причинно-следственную связь с техническим результатом.
При промышленном изготовлении и использовании полезной модели обеспечивается возможность достижения технического результата, а именно - надежная работа устройства, и достигается технический результата, а именно при реализации предлагаемого перепускного устройства и задвижки с перепускным устройством повышается технологичности изготовления и ремонта, надежность функционирования и ремонтопригодности устройств защиты средней полости задвижки от превышения давления и клиновых задвижек с устройством защиты средней полости от превышения давления при сохранении уровня герметичности запирающих поверхностей клиновых задвижек в местах контакта уплотняющих поверхностей дисков клина и корпуса без перетекания рабочей среды в разгруженную (находящуюся под меньшим давлением) часть трубопровода.
Новизна и неочевидность совокупности существенных признаков, а также возможность промышленной реализации доказывают соответствие полезной модели всем требуемым критериям охраноспособности.