ПРИВОДНАЯ МУФТА АВАРИЙНОГО РАЗЪЕДИНЕНИЯ
EMERGENCY DISCONNECTION DRIVE COUPLING

Область техники
Настоящее техническое решение относится к области трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких, газообразных (в том числе отпарной газ) и текучих продуктов (далее – транспортируемый продукт) и касается систем экстренного аварийного отключения и отсоединения в составе стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов, шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов, загрузочных рычагов для использования на нефтяных, химических, газовых терминалах морских и речных портов, в море между плавсредствами, в установках слива – налива железнодорожных цистерн и автоцистерн, шланговых установках налива, бункеровочных установках для заправки морских и речных судов, в установках заправки космических ракет.
Уровень техники
Из уровня техники известно, что «приводная муфта аварийного разъединения» (муфта ERC): Конструкция, состоящая из двух запорных устройств и механического разъединителя с гидроприводом, является исполнительной частью системы аварийного разъединения. (стандарт, СТО Газпром 2-3.4-1255-2021 «Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа. Стендерное оборудование. Общие технические условия.»).
Известно также, что в соответствии с OSIMF «Международный морской форум нефтяных компаний» «Проектная и конструкторская спецификация МОРСКИЕ СТЕНДЕРЫ», ISO 16904:2016 «Нефтяная и газовая промышленность - Проектирование и испытания морских перегрузочных рукавов СПГ для обычных береговых терминалов», СТО Газпром 2-3.4-1255-2021 «Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа. Стендерное оборудование. Общие технические условия» приводная муфта аварийного разъединения (далее ПМАР) рассматривается как отдельный узловой элемент конструкции оборудования (стендеров, перегрузочных рукавов, шланговых установок), для которого предусмотрены специальные требования по эксплуатации, выполнению комплекса расчетов, а также требования по проведению испытаний и критерии оценки прохождения испытаний. В частности, запорные устройства ПМАР должны быть огнестойкого исполнения в соответствии с ГОСТ 33856‒2016 (ISO 10497), а также должны быть механически или гидравлически сблокированы. Все приводы муфты должны быть огнестойкого исполнения. ПМАР допускает минимальную утечку транспортируемого продукта, находящегося в зоне разъединения муфты между двух закрытых запорных устройств.
Известно соединительное устройство для трубопроводов (патент US4335747A от 26.10.1979, класс МПК F16K35/14; F16K5/06; F16L29/00; F16L29/04), содержащее охватывающий соединительный элемент, имеющий осевое отверстие на одном конце и охватываемый соединительный элемент, приспособленный для вставки в осевое отверстие охватывающего соединительного элемента. Первый узел шарового клапана имеет корпус, приспособленный для установки на одном конце охватывающего соединительного элемента и сформированный на другом конце с плоской сопрягаемой поверхностью. В корпусе находится сферический клапанный элемент с диаметрально проходящим сквозным отверстием. На сопрягаемой поверхности корпуса выполнено отверстие, через которое выступает часть клапанного элемента. На охватываемом соединительном элементе установлен второй узел шарового клапана, который аналогичен по конструкции первому узлу шарового клапана, за исключением того, что сферический элемент клапана не выступает за сопрягаемую поверхность, а имеет частично сферическую выемку для приема выступающей части элемента клапана в первом узле шарового клапана.
Недостатком данного технического решения является то, что в соответствии с особенностями его конструкции, трубопроводы и соединительные элементы сначала заполняют газом, а затем закрывают клапанные элементы. После этого первое и второе средства шарового клапана соединяются вместе путем приведения в зацепление первой и второй сопряженных поверхностей. Таким образом, данное техническое решение не применимо для технологических процессов с односторонней подачей транспортируемого продукта. Кроме того, недостатком данного технического решения является отсутствие автоматизированных приводов поворота шаровых клапанов, поворот и соответственно открытие и закрытие шаровых клапанов производится вручную, а также отсутствует возможность экстренного отсоединения, поскольку сопрягаемая поверхность (фланцы) соединены болтовым соединением. Данное соединительное устройство перекрывает канал, но не предназначено для аварийного экстренного отключения и отсоединения, поскольку в соответствии с описанием служит для соединения трубопроводов в герметичном уплотнении при исключении попадания наружных газов.
Известно еще одно соединение с двумя шаровыми затворами, обеспечивающее экстренное разъединение, исключающее утечку (патент RU2121102C1 от 05.01.1994, класс МПК F16L37/30; F16L37/33; F16L55/10). Соединение относится к гидравлическому соединительному узлу, обеспечивающему экстренное разъединение, предназначенному для соединения двух элементов для транспортировки жидкости, каждый из которых снабжен шаровым затвором, содержащему первый и второй элементы для транспортировки жидкости, каждый из которых имеет открытый конец; первый и второй поворотные шаровые затворы, расположенные в открытых концах первого и второго элементов для транспортировки жидкости соответственно; стяжное средство, предназначенное для удерживания первого и второго элементов для транспортировки жидкости соединенными друг с другом; разъединяющее средство, предназначенное для избирательного разъединения первого и второго элементов для транспортировки жидкости только в том случае, когда первый и второй шаровые затворы находятся в закрытом положении.
Недостатком данного соединения является то, что образующие замкнутую петлю соединительные элементы 98, 100, 102, 104, предназначенные для соединения вместе двух концов 12, 14 труб с помощью сопряженных фланцев 24, 26 с скошенными краями 25, 27 и охватывающей их канавкой 103, которая имеет ответные наклоненные стороны 105, являющиеся частью соединительного элемента 98 натягиваются только с помощью фиксированного коленорычажного механизма, который не учитывает температурных и иных расширений обхватываемых фланцев и не имеет дополнительных натяжителей, обеспечивающих герметичность соединения при любых заданных параметрах транспортируемого продукта и внешней среды эксплуатации и фиксируется только с помощью срезного штифта 109. Таким образом, в случае износа скошенных краев 25 и 27 и ответных наклонных сторон 105 или иных деформаций, герметичность соединения будет нарушена. Возможности подтянуть замкнутую петлю указанных выше соединительных элементов нет в виду отсутствия дополнительных натяжителей.
Толкатель 62 соприкасаясь с ударной поверхностью 118 заставляет удлиненный стержень 102 поворачиваться вокруг оси 112 в направлении от коленорычажного механизма 104, и после среза срезного шрифта 109, удлиненный стержень продолжает поворот вокруг оси 112 и коленорычажный механизм 104 поворачивается вокруг оси 110, увеличивая действительную длину окружности соединенных элементов 98, 100, 102, 104. Увеличение длины окружности соединенных элементов 98, 100, 102, 104 приводит к освобождению фланцев 24, 26 и разъединению труб 12, 14. Однако на практике получается не окружность, а овал с большим радиусом в точке оси 114, и таким образом, противоположные соединительные элементы 98 продолжают удерживать фланцы 24 и 26 без возможности экстренного отключения и отсоединения трубопроводов, что может привести к аварии и экологическим катастрофам. Соединительные элементы 98 могут остаться на своих местах в следствии эффекта прикипания, попадания морской воды, грязи, а также в следствии обмерзания. На соединительных элементах отсутствуют дополнительные отталкивающие пружины и другие приспособления, позволяющие отсоединить соединительный элемент 98 от фланцев.
Известна система экстренного отключения (патент RU2390684C2 от 09.08.2005, класс МПК F16L29/00, F15B15/16) предназначенная для экстренного отключения, в частности, рукавов при перекачке жидкости. Система содержит затворы с управляемым открытием, исполнительный механизм, снабженный единственной тягой и одноосной кинематикой, при этом перемещение тяги в первой части хода закрывает два затвора, а во второй части хода открывает хомут, при этом исполнительный механизм содержит средства, обеспечивающие перемещение тяги в двух частях хода и управляемые независимо в каждой части хода, при этом указанные средства действуют коаксиально или практически коаксиально. Сами указанные средства для обеспечения перемещения штока содержат двухступенчатый гидроцилиндр, снабженный вторым гидроцилиндром, обеспечивающим дополнительный ход, причем каждый из указанных гидроцилиндров снабжен поршнем и содержит три управляющих отверстия для управления перемещением поршней и, соответственно, штока, одного на оба гидроцилиндра, причем одно отверстие служит для закрывания затворов, другое отверстие служит для открывания хомута, а третье отверстие служит для полного удаления штока гидроцилиндра и повторного открытия затворов. Указанное техническое решение взято за прототип.
По сути, данное техническое решение является усовершенствованным техническим решением упомянутого выше соединения с двумя шаровыми затворами (патент RU2121102C1 от 05.01.1994). У обоих технических решений один и тот же патентообладатель. В данном техническом решении частично устранены вышеуказанные недостатки технического решения патента RU2121102C1, а именно хомут разделен на два сектора, связанных между собой тягами. Указанный хомут содержит эластичные средства (выполнены в виде круглых эластичных шайб), размещенные между секторами и корпусом затворов для обеспечения полного раскрытия хомута. При этом в данном техническом решении отказались от применения поочередного закрытия шаровых затворов, где первым поворачивается шаровый затвор, имеющий выемку под второй шаровый затвор, что исключает утечку, а перешли на вариант применения параллельно закрываемых затворов с параллельными тягами 103 и 203 и судя по изображению корпуса на фиг. 2, 3, 4, в данном техническом решении применяются шаровые затворы.
При этом техническое решение по затворам изложено в другом патенте (RU2543919C2 от 29.06.2010, класс МПК F16K1/24, F16K5/06, F16L29/02) того же патентообладателя, где рассматривается «Обтюраторный клапан для соединительного устройства для труб». Соединительные концы 15 (, см. фиг.4 и 5 патента RU2543919C2 от 29.06.2010) каждого клапана имеют фланцы с скошенными краями (см. фиг. 2, 3, 4, 5) для установки хомута. Описание обтюраторного клапана построено на примере применения сферических (шаровых) клапанов, однако также упоминается, что обтюратор может иметь форму диска. Решением обтюраторного клапана, авторы изобретения пытаются минимизировать остаток транспортируемого продукта в зоне соединения / разъединения трубопроводов между первым и вторым клапаном (затвором).
Недостатком данной системы экстренного отключения является использование одного исполнительного механизма 400, указанного в п. 3 формулы, как двухступенчатый гидроцилиндр, снабженный вторым гидроцилиндром, обеспечивающий последовательно несколько задач. Выход из строя одного из поршней, уплотнителя или иного узла многоступенчатого гидроцилиндра приведет к невозможности выполнения всех функций при экстренном отключении, что существенно снижает надежность системы экстренного отключения. Учитывая, что в соответствии с нормативно – техническими требованиями*, применяемые в таких устройствах или системах исполнительные механизмы должны быть огнестойкого исполнения, производство таких многоступенчатых гидроцилиндров будет очень дорогим. Учитывая возможное огневое воздействие и соответственно разный нагрев наружного корпуса и внутренних корпусов, штоков, гидравлической жидкости в контурах многоступенчатых гидроцилиндров, все это может привести к отсутствию правильной последовательной работы исполнительных механизмов.
Два сектора хомута 300 имеют большие габариты, что сказывается на трудоёмкости и металлоемкости при производстве, а установленные в каждый сектор хомута круглые эластичные шайбы, при обмерзании льдом не способны выполнить свою функцию раскрытия хомута и таким образом разъединить один трубопровод с корпусом затвора от другого трубопровода с затвором. Дополнительных устройств принудительного раскрытия секторов хомута и разъединения корпусов затворов, а также механических блокировок затворов от самопроизвольного открытия или закрытия в системе нет. Таким образом, прикипание, обледенение хомута и его эластичных шайб может привести к серьезным авариям в виду того, что хомут остается на скошенных краях фланцев корпусов затворов.
Применение затворов (обтюраторных клапанов) в системе экстренного отключения с толкающими стержнями 40, расположенными заподлицо с соединительным концом 15 (фланцем с скошенными краями под хомут системы экстренного отключения, см. фиг.4 и 5 патента RU2543919C2 от 29.06.2010) клапана не обеспечивает полную герметичность системы по отношению к внешней среде, так как в случае разъединения двух трубопроводов толкающие стержни 40 начнут выходить за пределы соединительных концов 15 и сферический клапан будет опускаться (перемещаться к краю соединительных концов 15 клапана), то есть одно действие происходит параллельно с другим, а это значит, что в случае нахождения транспортируемого продукта между двух закрытых клапанов, которые перемещаются друг к другу приведет к выталкиванию продукта за пределы клапана, что ведет к небезопасным и экологическим последствиям. Таким образом известное техническое решение не уменьшает объем выхода транспортируемого продукта, что допускается действующими нормативно – техническими требованиями. Наличие большого количества уплотнителей в известном техническом решении, трубчатых концов, толкающих стержней, пружин и других элементов конструкции делает клапан сложным с непредсказуемым поведением внутренних подвижных частей (стержней) при нагревании или отрицательных в том числе криогенных температурах. Учитывая наличие на рынке других клапанов для соединения трубопроводов, выпускаемых серийно, производство обтюраторных клапанов вытесняется под специальные индивидуальные задачи, в частности для системы экстренного отключения в составе специализированного оборудования, выпускаемого одним производителем, являющимся патентообладателем по указанным выше известным техническим решениям. С учетом требований по огнестойкости и эксклюзивности, ограниченного выпуска затворов (обтюраторных клапанов), все это ведет к увеличению стоимости системы экстренного отключения и, следовательно, всего оборудования, в составе которого данная система находится.
Задачей заявляемого технического решения является разработка новой приводной муфты аварийного разъединения для применения в конструкции стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов (рычагов), шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов и других сливо-наливных установках для безопасной и экологически ответственной отгрузки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких и газообразных (в том числе отпарного газа) продуктов, удовлетворяющей нормативно – техническим требованиям*, в том числе по огнестойкости, способной в экстренных ситуациях гарантированно разъединить трубопровод с предварительным герметичным перекрытием его с двух сторон. Применяемые в заявляемом техническом решении запорные устройства должны быть заменяемыми, простыми в эксплуатации с возможностью замены изношенных элементов, а также гидравлически или механически сблокированы. Хомут должен обеспечивать герметичное соединение аварийной муфты с возможностью регулирования силы затяжки хомута и гарантированно разъединить трубопровод при экстренных аварийных ситуациях, при этом хомут должен иметь свой разъединительный механизм, а приводная муфта аварийного разъединения должна иметь основной разъединительный механизм хомута. Привода исполнительных механизмов закрытия клапанов и разъединения хомута не должны зависеть друг от друга и должны обеспечивать работоспособность аварийной муфты при высоких и низких температурах эксплуатации, обледенении и криогенных температурах продукта (СПГ). Приводная муфта аварийного разъединения должна иметь датчики положений клапанов и хомута: открыто/закрыто, иметь минимальный рабочий размер в оси и упрощённую трудоемкость при производстве и эксплуатации за счет использования стандартного серийного оборудования.
Раскрытие сущности технического решения
Техническое решение вышеприведенной задачи, решается за счет разработки приводной муфты аварийного разъединения, содержащей два исполнительных механизма, две секции с фланцами и хомут, разделенный на два полукольца, где каждая секция содержит запорное устройство поворотного типа, которое имеет шток и монтажную поверхность бугельного узла, а ближние друг к другу фланцы первой и второй секции имеют скошенный край для охвата полукольцами хомута, при этом первое полукольцо имеет корпус, разрывной замок, как минимум две пластины, как минимум один тросик, пружину с прокладкой, натяжной кулачок с отверстием и тягу, которая имеет отверстие под ось, а второе полукольцо имеет корпус, ось, как минимум две пластины, как минимум один тросик, пружину с прокладкой, натяжной кулачок, открывающую тягу с упор-кулачком на конце, а разрывной замок имеет вилку с предохранительным штифтом, а два исполнительных механизма размещены, как минимум на одном кронштейне крепления, закрепленном на фланцах и монтажных поверхностях верхней секции, где первый исполнительный механизм включает в себя: привод, наконечник с отверстием под ролик, две параллельные тяги, как минимум один блокиратор, как минимум два датчика и два коромысла с указателем положения и подшипниковой опорой с пазами для блокиратора, а второй исполнительный механизм состоит из первой и второй упор-направляющей, как минимум одного датчика, привода, соединенного с разъединительным кулачком, имеющим, как минимум один конусообразный выступ. Указанное техническое решение обеспечивает применение приводной муфты аварийного разъединения в составе стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов (рычагов), шарнирно-сочленённых трубопроводов и манипуляторов и других сливо-наливных установках для безопасной и экологически ответственной отгрузки транспортируемого продукта. Обеспечивает в экстренных, аварийных ситуациях гарантированное разъединение трубопроводов с предварительным герметичным перекрытием его с двух сторон. Применяемые в заявляемом техническом решении запорные устройства механически сблокированы, являются заменяемыми, простыми в эксплуатации и имеют возможность замены изношенных элементов. Хомут обеспечивает герметичное соединение фланцев муфты с возможностью регулирования силы затяжки хомута и гарантированного разъединения трубопровода при экстренных аварийных ситуациях. Исполнительный механизм обеспечивает разъединение основного разъединительного механизма хомута с снятием полуколец хомута с фланцев, а наличие пружины в каждом полукольце хомута обеспечивает дополнительное освобождение фланцев. Привода исполнительных механизмов не зависят друг от друга. Приводная муфта аварийного разъединения имеет минимальный рабочий размер в оси и упрощённую трудоемкость при производстве и эксплуатации за счет использования стандартного серийного оборудования.
Возможен вариант технического решения, где каждая секция образована разборным корпусом фланцевого соединения, состоящим как минимум из двух частей и шарового запорного устройства поворотного типа. Указанное техническое решение обеспечивает простоту применяемой конструкции, где корпус шарового запорного устройства, по сути, является секцией приводной муфты аварийного разъединения, а фланцевые соединения служат опорой для кронштейнов крепления, при этом обеспечивают возможность проведения ремонта запорного устройства и замену уплотнителей.
Возможен вариант технического решения, где для запорных устройств поворотного типа серийного производства, производят доработку фланца при изготовлении запорного устройства или при производстве приводной муфты аварийного разъединения до достижения скошенного края фланца. Указанное техническое решение обеспечивает возможность применения серийных запорных устройств поворотного типа на ровне с индивидуальными запорными устройствами, уже имеющими скошенный край фланца, что существенно снижает себестоимость производства приводной муфты аварийного разъединения.
Возможен вариант технического решения, где каждая секция образована корпусом с дисковым запорным устройством поворотного типа, установленным между фланцевых патрубков. Указанное техническое решение обеспечивает возможность применения не только шаровых запорных устройств, но и альтернативных дисковых запорных устройств поворотного типа, не снижая степень задачи узла, при этом соединение корпуса дискового запорного устройства между двух фланцевых патрубков образует секцию с возможностью ремонта и замены деталей и уплотнителей.
Возможен вариант технического решения, где соединение двух полуколец с одной стороны обеспечивается осью, а с другой разрывным замком и образует хомут. Указанное техническое решение обеспечивает раскрытие хомута в две стороны в одной плоскости с подвижностью вокруг оси, а также обеспечивает простую сборку хомута при эксплуатации оборудования.
Возможен вариант технического решения, где корпус каждого полукольца имеет, как минимум три внутренних плоскости, причем в среднюю плоскость установлена пластинчатая пружина с прокладкой, а две другие плоскости расположены под углом, соответствующим скосу края фланца первой и второй секции. Указанное техническое решение обеспечивает герметичной соединение двух фланцев с скошенными краями первой и второй секции, а энергия пружины обеспечивает снятие полуколец с фланцев и разъединение секций приводной муфты аварийного разъединения, при этом прокладка предотвращает обмерзание и прикипание пружины к корпусу полуколец или к фланцам.
Возможен вариант технического решения, где на каждом конце корпуса полукольца установлены две пластины параллельно друг другу, охватывая корпус полукольца с двух сторон, образуя неподвижное соединение в одной плоскости, при этом каждая пластина имеет выступ. Указанное техническое решение обеспечивает снижение габаритов и веса полуколец, а также снижает металлоемкость и трудоемкость при производстве.
Возможен вариант технического решения, где параллельные пластины, расположенные по диагонали друг от друга на хомуте каждого полукольца неподвижно соединены выступом пластины с натяжным кулачком, через отверстие которого проходит, для первого хомута – тяга с отверстием под ось, а в случае второго хомута – открывающая тяга, при этом каждая из тяг имеет на конце резьбу, шайбу с упором в натяжной кулачок и по меньше мере одну гайку. Указанное техническое решение обеспечивает простоту сборки и жесткую конструкцию полуколец, а также возможность регулировать затяжку хомута с двух сторон.
Возможен вариант технического решения, где через выступ параллельных пластин, расположенных на ближайших к друг другу концах полуколец хомута, проходит ось, соединяя два полукольца через тягу с отверстием. Указанное техническое решение обеспечивает подвижность двух полуколец в одной плоскости относительно друг друга.
Возможен вариант технического решения, где выступ параллельных пластин, расположенных на одном полукольце и по диагонали к оси хомута, удерживает вилку с предохранительным штифтом, являющуюся частью разрывного замка, в которую вставлена открывающая тяга с размещением упор-кулачка в паз вилки в натяг. Указанное техническое решение обеспечивает простоту сборки полуколец в хомут, натяг хомута и герметичное соединение фланцев двух секций, а также разъединение хомута в случае аварийной ситуации и освобождение фланцев секций.
Возможен вариант технического решения, где упор-кулачок, имеет степень подвижности вокруг своей оси, при этом открывающая тяга, упор-кулачок и полукольца при раскрытии хомута разъединяются перпендикулярно плоскости относительно рабочей оси запорного устройства поворотного типа и удерживаются тросиками. Указанное техническое решение обеспечивает раскрытие хомута в сторону от приводной муфты и трубопровода, а тросик обеспечивает удержание полуколец хомута от падений и соударений друг с другом или исполнительными механизмами.
Возможен вариант технического решения, где первый исполнительный механизм поступательным движением привода приводит в движение наконечник с отверстием, в который вставлен ролик коромысла первой секции, которое соединено параллельными тягами с коромыслом второй секции, при этом параллельные тяги имеют регулировку по длине, проушины крепления с коромыслом первой секции и «U» образный паз перевернутой формы крепления с коромыслом второй секции, обеспечивает одновременный поворот штока каждого запорного устройства поворотного типа, вставленного в подшипниковую опору, которая с одной стороны жестко закреплена на монтажной поверхности бугельного узла запорного устройства поворотного типа, а с другой соединена со своим коромыслом, на котором расположен указатель положения запорного устройства поворотного типа открыто или закрыто. Указанное техническое решение обеспечивает сблокированное одинаковое положение запорных устройств: открыто или закрыто, обеспечивает одновременное закрытие запорных устройств, снимает нагрузку со штока запорного устройства, имеет визуальные указатели положений запорных устройств, а «U» образный паз обеспечивает беспрепятственное отсоединение исполнительного механизма первой и второй секции.
Возможен вариант технического решения, где как минимум одно коромысло может иметь поверхности считывания датчиков положений запорного устройства поворотного типа открыто или закрыто и, как минимум одно коромысло может иметь блокиратор самопроизвольного поворота, при этом датчики установлены на кронштейн с креплением к запорному устройству поворотного типа, а блокиратор самопроизвольного поворота имеет два паза на подшипниковой опоре, соответствующих положению запорного устройства поворотного типа открыто или закрыто. Указанное техническое решение обеспечивает не только визуальный, но и удаленный электронный контроль положений запорных устройств с помощью датчиков, подавая также сигнал о возможности работы второго исполнительного механизма, при этом блокиратор не дает запорным устройствам провернуться в другую сторону под действием потока транспортируемого продукта или открыться при аварийном разъединении.
Возможен вариант технического решения, где второй исполнительный механизм, движением на себя привода тянет по первой и второй упор-направляющей разъединительный кулачок, конусообразный выступ которого выталкивает открывающую тягу из вилки, срезая предохранительный штифт и разъединяя замок хомута, при этом датчик, закрепленный на кронштейне крепления указывает положение хомута открыто или закрыто. Указанное техническое решение обеспечивает основное разъединение хомута с раздвижением полуколец в сторону и освобождением фланцев первой и второй секции, при этом датчик подает сигнал о положении хомута.
Возможен вариант технического решения, где кронштейн крепления, характеристики которого, включая, но не ограничиваясь: количество кронштейнов их форма, ребра жесткости, консоли, отверстия, размеры, количество креплений и опор, место установки - определяются и рассчитывается индивидуально исходя из нагрузок, возникающих при работе исполнительных механизмов, диаметра запорного устройства поворотного типа и действующих нормативно-технических требований. Указанное техническое решение обеспечивает надежное закрепление исполнительных механизмов, хомута на секциях муфты и обеспечивает работоспособность всей приводной муфты. При этом в зависимости от характеристик, условий эксплуатации и удобства, кронштейн крепления может быть изменен.
Возможен вариант технического решения, где вторая упор-направляющая крепится на второй секции в одной плоскости и соосно с первой упор-направляющей. Указанное техническое решение обеспечивает нормальную работу разъединительного кулачка, распределяя возникающие нагрузки на секции и соответственно беспрепятственное отсоединение одной секции от другой.
Возможен вариант технического решения, где привод может быть гидравлическим или пневматическим, или электрическим. Указанное техническое решение обеспечивает возможность применения альтернативных приводов исполнительных механизмов в зависимости от ситуации.
Краткий перечень чертежей
На фиг.1. изображена приводная муфта аварийного разъединения (далее ПМАР) с двумя шаровыми (вариант 1) запорными устройствами поворотного типа огнестойкого исполнения;
На фиг.2. изображена ПМАР с двумя дисковыми (вариант 2) запорными устройствами поворотного типа огнестойкого исполнения;
На фиг. 3 изображен пример установки кронштейнов крепления и исполнительных механизмов на первой секции ПМАР;
На фиг. 4. изображен разрез бугельного узла и штока с установленной подшипниковой опорой первой секции ПМАР;
На фиг. 5. изображен блокиратор самопроизвольного поворота второй секции ПМАР;
На фиг. 6. изображен разрез разъединительного кулачка и узла соединения первой и второй секции ПМАР;
На фиг. 7. изображен хомут с разрывным замком в сборе;
На фиг. 8. изображен разрез с видом профиля корпуса хомута;
На фиг. 9. изображен фланцевый патрубок с скошенным краем фланца под установку хомута;
На фиг. 10. изображен фланцевый патрубок.
Поз. 1. – шаровое запорное устройство поворотного типа первой секции ПМАР;
Поз. 2. – шаровое запорное устройство поворотного типа второй секции ПМАР;
Поз. 3. –дисковое запорное устройство поворотного типа первой секции ПМАР;
Поз. 4. - дисковое запорное устройство поворотного типа второй секции ПМАР;
Поз. 5. – первая секция ПМАР;
Поз. 6. – вторая секция ПМАР;
Поз. 7. – разборный корпус шарового запорного устройства поворотного типа;
Поз. 8. – ролик;
Поз. 15. – привод (гидроцилиндр) первого исполнительного механизма;
Поз. 16. - привод (гидроцилиндр) второго исполнительного механизма;
Поз. 17. – коромысло первой секции;
Поз. 18. – коромысло второй секции;
Поз. 19. – параллельная тяга (первая);
Поз. 20. - параллельная тяга (вторая);
Поз. 21. –кронштейн крепления;
Поз. 21.1. – часть кронштейна крепления с направляющей скольжения и других устройств;
Поз. 21.2. – кронштейн крепления тросиков хомута и других устройств;
Поз. 22. – наконечник с отверстием;
Поз. 23. – шток запорного устройства поворотного типа;
Поз. 24. – подшипниковая опора;
Поз. 25. –паз блокиратора, в частности:
Поз. 25.А. – паз блокиратора позиция открыто запорное устройство поворотного типа;
Поз. 25.Б. - паз блокиратора позиция закрыто запорное устройство поворотного типа;
Поз. 26. – кронштейн крепления датчиков положения запорных устройств;
Поз. 26.1. – кронштейн крепления датчиков положения хомута;
Поз. 27. – блокиратор;
Поз. 28. – разъединительный кулачок;
Поз. 29.1. – первая упор-направляющая;
Поз. 29.2. – вторая упор-направляющая;
Поз. 30. – скошенный край фланца первой секции ПМАР;
Поз. 31. – скошенный край фланца второй секции ПМАР;
Поз. 32. – открывающая тяга;
Поз. 33. – хомут;
Поз. 34. – разрывной замок в сборе;
Поз. 35.1. – второе полукольцо;
Поз. 35.2. – первое полукольцо;
Поз. 36. – тяга с отверстием;
Поз. 37.1. – натяжной кулачок;
Поз. 37.2. – натяжной кулачок;
Поз. 38. – вилка с предохранительным штифтом;
Поз. 39. – упор-кулачок;
Поз. 40. – ось (штифт);
Поз. 41. – штифт крепления пластинчатой пружины;
Поз. 42. – прокладка;
Поз. 43. – пластинчатая пружина;
Поз. 44. – фланцевый патрубок с скошенным краем фланца под установку хомута;
Поз. 45. – фланцевый патрубок;
Поз. 46. – резьбовая стяжка;
Поз. 47. – удлинитель с крепежным наконечником;
Поз. 48. – пластина;
Поз. 49. – штифт крепления пластин хомута;
Поз. 50. – указатель положения запорных устройств поворотного типа: открыто / закрыто;
Поз. 51. - бугельный узел запорного устройства поворотного типа с монтажной поверхностью;
Поз. 52. – тросик;
Поз. 53. – датчик положений хомута: открыто / закрыто;
Поз. 54. – датчики положения запорного устройства: открыто / закрыто.
Поз. 55. – направляющая скольжения;
Поз. 56 – рабочая ось запорных устройств поворотного типа и трубопровода.
Осуществление технического решения
В заявляемом техническом решение используются следующие термины и определения:
Приводная муфта аварийного разъединения (ПМАР, другие встречающиеся в литературе названия: муфта ERC –Emergency Release Coupling): Устройство с приводом, предназначенное для герметизированного разъединения стендера с судном в процессе перевалки рабочей среды при аварии или если судно вышло за пределы рабочей зоны стендера, имеющее встроенные в верхнюю и нижнюю часть муфты механически или гидравлически сблокированные запорные устройства, перекрывающие поток жидкости при разъединении частей муфты и приводной механический разъединитель.
Стендер (другие встречающиеся в литературе названия: стендер морской/речной, загрузочный, погрузочный рукав (рычаг), marine loading arms, MLA) – это шарнирно-сочлененный металлический трубопровод с необходимыми для его функционирования компонентами, обеспечивающий компенсацию колебаний судна, вызванных приливно-отливными характеристиками акватории, ветровыми и волновыми нагрузками, изменением осадки судна в процессе погрузо-разгрузочных операций, а также предназначенный для слива - налива нефти и нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженных природных газов (СПГ), масел в судно - танкер и/или отвода паровоздушных смесей при выполнении погрузочно-разгрузочных операций.
Система аварийного разъединения (САР, другие встречающиеся в литературе названия: ERS - Emergency Release Systems): Система, предназначенная для быстрого и безопасного отсоединения стендера от судна с минимальной утечкой продукта.
Хомут – механический разъединитель с приводом, обеспечивающий соединение или разъединение в случае аварийной ситуации верхней и нижней частей (первой и второй секции) приводной муфты аварийного разъединения.
Запорное устройство поворотного типа – это устройство обеспечивающее перекрытие потока транспортируемого продукта за счет поворота запирающего элемента и при необходимости поджатия его к седлам. Имеет два положения: открыто или закрыто. В составе приводной муфты аварийного разъединения используется только для целей перекрытия трубопровода при аварийном разъединении.
Заявляемое техническом решение приводной аварийной муфты имеет в своем составе два сблокированных запорных устройства поворотного типа огнестойкого исполнения в соответствии с ГОСТ 33856 – 2016 (ISO 10497) и классом герметичности «А» в обе стороны потока в соответствии с ГОСТ 9544-2015. В качестве запорных устройств поворотного типа могут применяться любые серийные или индивидуальные, выпускаемые в ограниченном количестве дисковые или шаровые запорные устройства поворотного типа, удовлетворяющие вышеуказанным требования. В частности, но не ограничиваясь, в изображенной на фиг. 1. ПМАР применены шаровые 1 и 2 запорные устройства поворотного типа серийного производства, а в изображенной на фиг. 2. ПМАР применены дисковые устройства поворотного типа серийного производства - эксцентриковые затворы 3 и 4. При этом шаровые 1 и 2 запорные устройства имеют разборный корпус с фланцевым соединением, а дисковые поворотные затворы 3, 4 устанавливаются между фланцевых патрубков 44 и 45 фиг.9, 10 и стягиваются резьбовыми стяжками 46 под гайку, как показано на фиг.2. Соответственно первую секцию 5 ПМАР образует корпус шарового запорного устройства 1 или дисковое запорное устройство 3 установленное между фланцевых патрубков 45 и 44, а вторую секцию 6 ПМАР образует корпус шарового запорного устройства 2 или дисковое запорное устройство 4 установленное между фланцевых патрубков 44 и 45.
Фланцевые соединения корпусов разборных шаровых 1 и 2 или фланцевые патрубки 44, 45 дисковых запорных устройства поворотного типа используются для установки кронштейна крепления исполнительных механизмов. В частности, на фиг. 1, 2 и 3 показан усиленный кронштейн 21, закрепленный болтовым соединением на фланце запорного устройства первой секции. Кронштейн может иметь опору на нижних фланцах запорного устройства первой секции ПМАР, имеет ребра жесткости и предназначен для установки приводов 15 и 16, входящих в состав исполнительных механизмов ПМАР. В зависимости от диаметра ПМАР, условий эксплуатации, назначения и других характеристик, конструкция кронштейна крепления может быть изменена, разделена на две части или может иметь дополнительный, как показано на фиг. 1. кронштейн крепления 21.1, на котором с внутренней стороны размещена направляющая скольжения 55 для упора наконечника с отверстием 22, а с наружной стороны может быть размещен управляющий блок, необходимого функционала или иное устройство. Кроме того, на фланец запорного устройства первой секции устанавливается кронштейн крепления 21.2 для тросиков 52 удержания хомута 33 после его аварийного разъединения, а также кронштейн крепления 26.1 с датчиком 53 положений хомута: открыто / закрыто. На монтажную поверхность бугельного узла 51 выхода штока (шпинделя) 23 запорного устройства поворотного типа устанавливается кронштейн 26 с датчиками 54 положений запорного устройства: открыто / закрыто, а также устанавливается подшипниковая опора 24 с коромыслами 17 и 18. Все устанавливаемые кронштейны крепления 21, 21.1, 21.2, 26, 26.1, но не ограничиваясь только указанными, могут быть любой формы и любого необходимого количества, при этом кронштейны, выполняющие несущую функцию исполнительных механизмов ПМАР должны рассчитываться в соответствии с нормативно – техническими требованиями*.
Приводы ПМАР 15 и 16. должны быть огнестойкого исполнения и могут быть гидравлического, пневматического или электрического (взрывозащищенного) исполнения. Приводы имеют возможность реверсивной работы в обе стороны: втягивая или вытягивая шток. В частности, на изображенных на фиг.1. и фиг.2. ПМАР применены гидравлические приводы – гидроцилиндры огнестойкого исполнения 15 и 16.
Привод 15, наконечник с отверстием 22, ролик 8, две параллельные тяги 19 и 20, блокиратор 27, датчики 54, два коромысла 17 и 18, два указателя положения 50, две подшипниковые опоры 24 с пазами блокиратора 25.А, 25.Б образуют первый исполнительный механизм.
Второй исполнительный механизм состоит из первой 29.1 и второй 29.2 упор-направляющей, одного датчика 53, привода 16, разъединительного кулачка 28.
Привод 15, закреплен на усиленном кронштейне крепления 21 так, чтобы шток привода двигался параллельно двум тягам 19 и 20. На конце штока гидроцилиндра установлен специальный наконечник с отверстием 22 под ролик 8, закрепленный на конце коромысла 17 для обеспечения свободного хода по радиусу при вращении коромысла. Конец штока 23, как изображено на фиг. 4, каждого запорного устройства поворотного типа соединен через подшипниковую опору 24 с коромыслами 17 и 18. На коромысла установлены стрелки 50, указывающие: открыто или закрыто запорное устройство (на фиг.2. не показано).
Привод 15, выдвигая шток, соединенный с наконечником 22, который соединен через ролик 8 с коромыслом 17, поворачивает его по часовой стрелке. Через закрепленные на коромысле 17 параллельные тяги 19 и 20 обеспечивается параллельный поворот коромысла 18 и тем самым обеспечивается закрытие двух запорных устройств поворотного типа и перекрытие потока транспортируемого продукта. Для дополнительной блокировки запорных устройств поворотного типа на коромысле, в частности на коромысле 18, как показано на фиг.5. устанавливается блокиратор самопроизвольного поворота 27. В режиме ожидания или отгрузки транспортируемого продукта оборудованием, в состав которого находится ПМАР, оба запорных устройства находятся в положении открыто «А», блокиратор 27 упирается в паз 25.А на корпусе подшипниковой опоры 24 и не дает прокручиваться запорным устройствам ПМАР под воздействием потока транспортируемого продукта. В случае экстренного разъединения ПМАР, после перекрытия запорных устройств блокиратор 27 устанавливается в положение «Б» - закрыто и упирается в паз 25.Б (не показано на фиг. 5.) на корпусе подшипниковой опоры и препятствует произвольному открытию запорного устройства, предотвращая разлив транспортируемого продукта.
Тяги 19 и 20 закреплены на коромысле 17 и имеют степень свободы в одной плоскости, могут качаться в сторону. В нижней части каждой тяги имеется U – образный паз перевернутой формы для крепления с нижним коромыслом 18 и в случае экстренного разъединения ПМАР обе тяги выходят из места крепления U – паза и освобождают первую секцию 5 от второй секции 6 ПМАР.
Привод 16 закреплен, как показано на фиг. 1 и фиг. 2 и фиг.3., на усиленном кронштейне крепления 21. Шток привода через удлинитель с крепежным наконечником 47 соединен с разъединительным кулачком 28, который удерживает тягу 32, как показано на фиг. 6., в рабочем режиме ожидания ПМАР или в экстренных, аварийных ситуациях, благодаря действию привода 16, привод втягивает шток и тянет на себя разъединительный кулачок 28 по упор-направляющей 29.1 и 29.2. Благодаря конусообразному выступу разъединительного кулачка, происходит выталкивание открывающей тяги 32 из разрывного замка 34 хомута 33 ПМАР. Разъединительный кулачок 28 имеет поверхность скольжения по упор-направляющей 29.1 и 29.2, основной конусообразный выступ, обеспечивающий выталкивания открывающей тяги 32 и, как минимум два дополнительных вспомогательных конусообразных выступа (не указано на фиг.), расталкивающих полукольца 35.1 и 35.2 хомута 33. При этом вспомогательные конусообразные выступы расположены на разъединительном кулачке таким образом, что они вступают в работу только после выхода открывающей тяги 32 из вилки 38 разрывного замка 34.
Хомут 33, как показано на фиг. 7, конструкционно состоит из разрывного замка 34, двух полуколец 35.1 и 35.2 и второй тяги 36 с отверстием под ось. Каждое полукольцо хомута состоит из полуколец, профиль которых изображен в разрезе на фиг. 8., а также пластин 48, имеющих выступ, закрепленных на полукольце штифтами 49.
Разрывной замок 34 конструкционно состоит из вилки 38 с предохранительным штифтом от случайного открытия замка. Вилка 38 имеет специальные пазы и выступы, которые удерживают полукольцо хомута 35.2. В вилку вставляется открывающая тяга 32 с закрепленным на конце упор-кулачком, который устанавливается в натяг в пазе вилки. Упор-кулачок 39 имеет степень подвижности вокруг своей оси и находится в перпендикулярной плоскости относительно рабочей оси запорных устройств поворотного типа (1, 2 и 3, 4).
В режиме ожидания и при работе оборудования, в составе которого находится ПМАР, конец кулачка 39 установлен в паз вилки 38 в натяг таким образом, как показано на фиг.7, чтобы ось тяги 32, находящийся в вилке была немного смещена к центру хомута, тем самым обеспечивается фиксация и натяг тяги 32, а также герметичное соединение фланцев с скошенными краями 30 и 31 первой и второй секций ПМАР. С другой стороны полукольца хомута 35.1 и 35.2. соединены второй тягой 36 с шайбой и двумя гайками (натягивающая и фиксирующая), которые обеспечивают затяжку и натяжение полуколец хомута 35.1 и 35.2 относительно неподвижного упорного кулачка 37.2 с отверстием для свободного хода тяги 36 и неподвижным креплением его к полукольцу хомута 35.2. с одной стороны. Другой конец тяги 36 соединен с полукольцом хомута 35.1. с помощью оси 40, которая обеспечивает подвижность полуколец 35.1. и 35.2. относительно друг друга в одной плоскости.
Внутренняя часть полуколец 35.1 и 35.2., как указано на фиг. 8, имеет три плоскости: «В; Г; Д». В вертикальной плоскости «В» находится изогнутая в полукольцо пластинчатая пружина 43. Между пружиной и корпусом хомута установлена прокладка 42 из фторопласта или иного антиэкструзионного материала, соответствующего параметрам эксплуатации. Пластинчатая пружина 43 крепится к корпусу полуколец 35.1 и 35.2. штифтом 41. Плоскости «Г и Д» имеют скошенные поверхности для захвата и герметичного сжатия двух ответных фланцев с скошенными краями 30 и 31 на первой и второй секций ПМАР для обеспечения герметичности. В случае применения в ПМАР шаровых 1, 2 запорных устройств поворотного типа серийного производства, как показано на фиг. 1, один фланец 44 каждого запорного устройства подлежит доработке с целью получения скошенного края 30 или 31. Сделать это можно при серийном изготовлении запорных устройств с предварительным указанием в заказе способа крепления конкретного фланца запорного устройства или непосредственно доработкой фланца 44 при производстве и сборке ПМАР, при этом корпус таких запорных устройств должен быть разборным. В случае применения в ПМАР дисковых 3 и 4 запорных устройств поворотного типа, как показано на фиг. 2, ПМАР комплектуется вставками из фланцевых патрубков 44 и 45, фиг.9, 10, где дисковые запорные устройства стягиваются между фланцев резьбовыми стяжками 46 под гайку, а фланцы 44 соединения первой и второй секций ПМАР имеют скошенные края 30, 31 для установки хомута 33. Для предотвращения соударений частей хомута 33 с запорными устройствами и другими частями оборудования, а также для удержания хомута после аварийного разъединения, хомут закреплен тросиками 52 к кронштейнам крепления 21.2 первой секции ПМАР.
Заявленное техническое решение приводной муфты аварийного разъединения позволяет применять ее в конструкции стендеров, загрузочных, погрузочных, перегрузочных рукавов (рычагов), шарнирно-сочленённых трубопроводов, манипуляторов и других сливо-наливных установках для безопасной и экологически ответственной отгрузки нефти, нефтепродуктов, жидких химических продуктов, сжиженного природного газа (СПГ), газового конденсата и других жидких и газообразных (в том числе отпарного газа) продуктов. ПМАР удовлетворяет нормативно – техническим требованиям* в том числе по огнестойкости, за счет применения в конструкции ПМАР стандартного серийного оборудования, прошедшего соответствующие испытания и обеспечивает муфте простую эксплуатацию с возможностью замены изношенных элементов. Запорные устройства муфты гидравлически или механически сблокированы, а также имеют блокировку от самопроизвольного перекрытия или открытия запорных устройств. Хомут, обеспечивает герметичное соединение аварийной муфты в рабочем режиме с возможностью регулирования силы затяжки хомута, имеет основной и вспомогательный разъединительный механизм, гарантированно обеспечивающий разъединение трубопроводов оборудования в экстренных аварийных ситуациях, независимо от высоких и низких температур эксплуатации, обледенения и криогенных температурах продукта (СПГ). ПМАР имеет визуальные указатели положения запорных устройств, дублируемые датчиками, а также датчики положений хомута. Имеет минимальный рабочий размер в оси, минимальную трудоемкость при производстве и эксплуатации, что влияет на себестоимость всего оборудования, частью которого ПМАР является.
- Нормативно – технические требования к ПМАР приведены в следующих документах:
- OSIMF «Международный морской форум нефтяных компаний» «Проектная и конструкторская спецификация МОРСКИЕ СТЕНДЕРЫ»;
- ISO 16904:2016 «Нефтяная и газовая промышленность - Проектирование и испытания морских перегрузочных рукавов СПГ для обычных береговых терминалов»;
- СТО Газпром 2-3.4-1255-2021 «Инфраструктура для производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа. Стендерное оборудование. Общие технические условия».