Результат интеллектуальной деятельности: ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНАЯ ЦИСТЕРНА

Изобретение относится к железнодорожному подвижному составу и касается цистерн для транспортировки застывающих и кристаллизующихся продуктов, в частности для перевозки карбамидоформальдегидной смолы, карбамидоформальдегидного концентрата, а также для перевозки легко воспламеняющихся, токсичных и едких жидкостей.

Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является железнодорожная цистерна (патент РФ №2581115 - прототип), содержащая котел, выполненный из цилиндрической обечайки и двух торцевых днищ, люк, предохранительно-впускной клапан, сливное устройство, расположенное в нижней части цилиндрической обечайки, подогревательный кожух, расположенный в нижней части котла, которая отличается тем, что цилиндрическая обечайка котла снабжена теневой защитой, которая расположена и жестко закреплена по обе стороны от люка, а угол охвата теневой защитой цилиндрической обечайки котла составляет 150-160°, а зазор между ними выполнен равным 50-60 мм, при этом теневая защита выполнена съемной.

Недостатком прототипа является отсутствие системы взрывобезопасности на железнодорожной цистерне.

Технически достижимый результат - повышение взрывобезопасности железнодорожной цистерны при перевозках легковоспламеняющихся, взрывоопасных жидкостей.

Это достигается тем, что железнодорожная взрывобезопасная цистерна содержащая котел, выполненный из цилиндрической обечайки и двух торцевых днищ, люк, предохранительно-впускной клапан, сливное устройство, расположенное в нижней части цилиндрической обечайки, подогревательный кожух, расположенный в нижней части котла, отличается тем, что цилиндрическая обечайка котла снабжена теневой защитой, которая расположена и жестко закреплена по обе стороны от люка, угол охвата теневой защитой цилиндрической обечайки котла составляет 150-160°, а зазор между ними выполнен равным 50-60 мм, при этом теневая защита выполнена съемной, цистерна дополнительно снабжена взрывозащитным устройством, выполненным в виде взрывозащитного клапана, содержащего корпус клапана, теплоизолирующий и разрывной элементы, футерованный грузовой затвор, подвижно соединенный с корпусом клапана, 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 теплоизоляционный элемент и герметизирующая мембрана, прижимаемая к корпусу клапана посредством крышки, шарнирно соединенной с рычагом, взаимодействующим с отбойником, а узел крепления разрывного элемента крепится своей верхней частью на рычаге, а нижней - к верхней цилиндрической части корпуса клапана, при этом узел крепления разрывного элемента состоит из проволоки, стопорного болта, вилки, рычага крышки клапана, гайки, двух барабанов, расположенных соответственно в вилке рычага крышки клапана, и в вилке верхней цилиндрической части корпуса клапана, при этом концы проволоки вставляются в отверстия барабанов и затем наматываются на них, а зазор h между вилками составляет порядка (1,5÷3) от диаметра проволоки, а параметры клапана находятся в следующих оптимальных интервалах величин: а=D/Dy=1,5÷2,0; b=H/L=1,3÷1,8; с=H/Dy=2,5÷3,0, где Dy - диаметр верхней цилиндрической части корпуса 3 клапана, равный максимальному размеру отверстия корпуса 1 защищаемого объекта; D - диаметр нижней цилиндрической части корпуса 3 клапана; Н - высота клапана в сборе; L - максимальный габаритный размер клапана в плане, а подвижное соединение футерованного грузового затвора с основанием корпуса клапана выполнено в виде трех вертикально установленных стержней в отверстиях, выполненных в периферийной части корпуса футерованного грузового затвора, при этом нижней частью стержни закреплены в основании корпуса клапана, а в верхней части имеют демпфирующее устройство, закрепленное на горизонтальных перемычках стержней и обращенное в сторону грузового затвора, при этом каждое из трех демпфирующих устройств закреплено на горизонтальной перемычке, жестко соединенной со стержнем и выполненной в виде круглого диска, на котором закреплено посредством винтов основание демпфирующего устройства, выполненного из жесткого вибродемпфирующего материала типа «Агат», которое соединено со втулкой из эластомера, имеющей центральное отверстие, через которое проходит стержень, а втулка имеет по крайней мере три отверстия, соосных со стержнем, в которых расположены упругие элементы, цилиндрические винтовые пружины, верхний торец которых посредством крепежных элементов соединен с основанием демпфирующего устройства, а нижний находится в свободном состоянии и выступает за нижнюю плоскость втулки на расстояние, определяемое усилием, развиваемым ударной взрывной волной, а к торцевой поверхности втулки со стороны свободного торца упругих элементов, расположенных в ее отверстиях, соосных со стержнем, жестко прикреплен предохранительный элемент, выполненный в виде конической поверхности, причем нижнее основание конуса опирается на втулку, а вершина выполнена с отверстием, в которое входит стержень.

На фиг. 1 представлен общий вид железнодорожной взрывобезопасной цистерны, на фиг. 2 изображен фронтальный разрез взрывозащитного устройства в виде клапана, на фиг. 3 - узел крепления разрывного элемента, на фиг. 4 - схема демпфирующего устройства, на фиг. 5 - вариант предохранительного элемента 37, предназначенного для демпфирования ударной волны в начальной стадии взрыва.

Железнодорожная взрывобезопасная цистерна (фиг. 1), установленная на платформе 1, содержит котел 2, который выполнен из цилиндрической обечайки 3 и двух закрытых торцевых днищ 4, люк-лаз 5, предохранительно-впускной клапан 6, сливное устройство 7, расположенное в нижней части цилиндрической обечайки 3 между торцевыми днищами 4. Цилиндрическая обечайка 3 котла снабжена теневой защитой 8, которая расположена и жестко закреплена по обе стороны от люка-лаза 5, при этом угол охвата теневой защитой 8 цилиндрической обечайки 3 котла 2 составляет 150°-160°. Причем зазор между теневой защитой 8 и цилиндрической обечайкой 3 котла 2 выполнен равным 50-60 мм. Теневая защита 8 выполнена съемной, что обеспечивается за счет крепления уголков через платик 10 к цилиндрической обечайке 3. Вокруг люка-лаза 5 установлены помосты и наружная лестница 9 по обе стороны котла 2.

Для повышения безопасности перевозок она снабжена взрывозащитным устройством в виде взрывозащитного клапана (фиг. 2-5), который размещается в люке-лазе 5 цистерны.

Взрывозащитное устройство устанавливается на корпус 11 (фиг. 2) защищаемого объекта (цистерны). На фиг. 2 изображен фронтальный разрез взрывозащитного клапана, на фиг. 3 - узел крепления разрывного элемента, на фиг. 4 - схема демпфирующего устройства, на фиг. 5 - вариант предохранительного элемента 37, предназначенного для демпфирования ударной волны в начальной стадии взрыва.

Взрывозащитный клапан устанавливается на корпус 29 защищаемого объекта посредством крепежных элементов 30 и содержит футерованный грузовой затвор 12, подвижно соединенный с основанием 11 корпуса 13 клапана (фиг. 2, 3).

Подвижное соединение футерованного грузового затвора 12 с основанием 11 корпуса клапана выполнено в виде трех вертикально установленных стержней 20 в отверстиях, выполненных в периферийной части корпуса футерованного грузового затвора 12. При этом нижней частью стержни 20 закреплены в основании 11 корпуса клапана, а в верхней части имеют демпфирующее устройство 21, закрепленное на горизонтальных перемычках 22 стержней 20 и обращенное в сторону грузового затвора 12.

Каждое из трех демпфирующих устройств 21 (фиг. 4) закреплено на горизонтальной перемычке 22, жестко соединенной со стержнем 20 и выполненной в виде круглого диска, на котором закреплено посредством винтов 32 основание 31 демпфирующего устройства, выполненного из жесткого вибродемпфирующего материала типа «Агат», которое соединено со втулкой 33 из эластомера, имеющей центральное отверстие, через которое проходит стержень 20. Втулка имеет по крайней мере три отверстия 34, соосных со стержнем 20, в которых расположены упругие элементы 35, например цилиндрические винтовые пружины, верхний торец которых посредством крепежных элементов 36 соединен с основанием 31 демпфирующего устройства, а нижний находится в свободном (неподжатом) состоянии и выступает за нижнюю плоскость втулки 33 на расстояние, определяемое усилием, развиваемым ударной взрывной волной.

Возможен вариант (фиг. 5), когда к торцевой поверхности втулки 33 со стороны свободного (неподжатого) торца упругих элементов 35, расположенных в ее отверстиях 34, соосных со стержнем 20, жестко прикреплен предохранительный элемент 37, выполненный в виде конической поверхности, причем нижнее основание конуса опирается на втулку 33, а вершина выполнена с отверстием, в которое входит стержень 20.

Предохранительный элемент 37 предназначен для демпфирования ударной волны в начальной стадии взрыва.

Корпус клапана 13 выполнен в виде нижней цилиндрической, средней конической и верхней цилиндрической частей, причем в нижней цилиндрической части размещен футерованный грузовой затвор 12, перекрывающий отверстие диаметром Dy в корпусе 11 защищаемого объекта. В верхней цилиндрической части корпуса 13 клапана размещены теплоизоляционный элемент 14 и герметизирующая мембрана 15, прижимаемая к корпусу клапана посредством крышки 16, шарнирно соединенной с рычагом 18, взаимодействующим с отбойником 17. Узел 19 крепления разрывного элемента, проволоки 28, крепится своей верхней частью на рычаге 18, а нижней - к верхней цилиндрической части корпуса 13 клапана. Узел крепления разрывного элемента состоит из проволоки 28, стопорного болта 23, вилки 24, рычага 25 крышки клапана, гайки 26 и двух барабанов 27, расположенных соответственно в вилке 24 рычага 25 крышки клапана и в вилке верхней цилиндрической части корпуса 13 клапана. Концы проволоки 28 вставляются в отверстия барабанов 27 и затем наматываются на них при их вращении обычным гаечным ключом. После достаточного натяжения проволоки барабаны 27 фиксируются стопорными болтами 23. Важно заметить, что давление срабатывания клапана зависит только от прочности проволоки 28 и не зависит от силы ее натяжения. Чтобы срабатыванию клапана не предшествовали большие пластические деформации проволоки, ее длина, а следовательно, и зазор h должны быть минимальными. Зазор h должен быть порядка (1,5÷3)d, где d - диаметр проволоки. Чтобы крепление концов проволоки было надежным и не допускало их вытягивания из отверстий в барабане, на него должно быть намотано не менее трех витков. Откидная крышка 16 через рычаг 18 удерживается в закрытом положении при разрывном элементе 19, роль которого выполняет проволока калиброванного сечения. Для полной герметизации клапана используется мембрана 15 из алюминиевой фольги или из полимерного материала. Под действием давления в защищаемом аппарате мембрана прижимается к крышке и таким образом через рычаг 18 все усилие от давления передается на шарнир рычага и разрывную проволоку 19. Сама же мембрана при этом оказывается практически полностью разгруженной и на давление срабатывания клапана существенного влияния не оказывает. В этом смысле мембрана не является расчетным элементом конструкции взрывного клапана.

Если в защищаемом аппарате 11 происходят технологические процессы при высоких температурах, то для тепловой защиты мембраны 15 и других деталей клапана предусмотрены два уровня теплоизоляции. Первый из них представляет собой грузовой затвор 12, футерованный огнеупорным материалом, а второй - минеральную вату, асбестовую крошку или другой термостойкий пористый материал 14, уложенный в корзину из металлических прутьев или полос. Затвор 12 не обеспечивает герметичного перекрытия сбросного отверстия защищаемого аппарата 11, он свободно лежит на нем, а стержни 20 служат для центровки затвора 12, т.е. для предотвращения его больших смещений относительно сбросного отверстия.

Футерованный грузовой затвор 12 защищает корпус 13 клапана от прогорания в случае высокой температуры в защищаемом аппарате, а засыпка 14 еще больше снижает температуру в зоне расположения мембраны 15.

Для получения наибольшей эффективности взврывозащиты производственного оборудования взрывозащитный клапан имеет параметры, которые находятся в следующих оптимальных интервалах величин: а=D/Dy=1,5÷2,0; b=H/L=1,3÷1,8; с=H/Dy=2,5÷3,0,

где Dy - диаметр верхней цилиндрической части корпуса 13 клапана, равный максимальному размеру отверстия корпуса 11 защищаемого объекта; D - диаметр нижней цилиндрической части корпуса 13 клапана; Н - высота клапана в сборе; L - максимальный габаритный размер клапана в плане (на виде сверху).

Взрывозащитный клапан работает следующим образом.

Давление в защищаемом аппарате воздействует на крышку 16, так как затвор 12 перекрывает входное отверстие негерметично и при быстром повышении давления он может приподниматься, а теплоизоляционный слой 14 порист. При срабатывании клапана крышка 16 отбрасывается до упора в отбойники 17, засыпка 14 потоком газа выбрасывается из полости клапана, а затвор 12 приподнимается вверх, насколько позволяет длина удерживающих его стержней 20, при этом частичное поглощение взрывной энергии приходится на демпфирующие устройства 21, закрепленные на горизонтальных перемычках 22. При этом сначала сжимаются упругие элементы 35, например цилиндрические винтовые пружины, нижние торцы которых находятся в свободном (неподжатом) состоянии, а затем энергию взрыва гасят втулки 33 из эластомера, например литьевого полиуретана совместно с упругими элементами 35, при этом имеет место, помимо демпфирования в материале втулок 33, еще и сухое трение упругих элементов 35 о боковые поверхности отверстий 34, расположенных во втулках 33 из эластомера.

После окончания сброса газов затвор 12 и крышка 17 опускаются вниз и закрывают сбросное отверстие клапана. При этом герметичность клапана полностью не восстанавливается, однако интенсивный подсос воздуха из атмосферы в полость защищаемого аппарата, который может вызвать вторичный взрыв в оборудовании, исключается.

После срабатывания клапана и устранения причин, вызвавших взрыв в оборудовании, клапан должен быть восстановлен, т.е. необходимо в корзину уложить теплоизоляционный слой.

Возможен вариант взрывозащитного клапана с системой оповещения начальной фазы возникновения чрезвычайной ситуации (ЧС) (на чертеже не показано).

На внутренней поверхности предохранительного элемента 37, предназначенного для демпфирования ударной волны в начальной стадии взрыва и выполненного в виде конической поверхности с отверстием в вершине, в которое входит стержень 20, закреплен тензометрический датчик измерения деформации, сигнал с которого по линии связи поступает на тензоусилитель, а с него по линии связи в блок системы оповещения об аварийном режиме работы взрывозащитного клапана, которая позволяет принять соответствующие меры для предотвращения начальной фазы возникновения чрезвычайной ситуации.

Предлагаемая конструкция цистерны с теневой защитой и подогревательным кожухом позволяет более эффективно использовать подвижной состав, сокращая время простоев при разгрузке цистерны и, соответственно, обеспечивает экономию тепла и энергоносителей за счет уменьшения времени разогрева перевозимых грузов, одним из важных моментов является сохранение качества груза при транспортировке в летний период.

Предложенная конструкция железнодорожной цистерны позволила решить основные проблемы, связанные с транспортировкой карбамидоформальдегидной смолы, карбамидоформальдегидного концентрата и сохранением их качества.