Результат интеллектуальной деятельности: Предохранительный клапан

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где применяется защита от превышения допустимого давления, например в энергетике, газовой и нефтяной отраслях, в химической промышленности.

Известен предохранительный клапан, защищенный патентом US 4074695, МПК F16K 31/12, дата публикации - 21.02.1978. Предохранительный клапан включает корпус с входным и выходным патрубками, плавающее седло и запорный элемент, поджатый к седлу пружиной настройки. Плавающее седло выполнено на торце ступенчатой втулки, установленной меньшим диаметром во входном патрубке, а большим - в проточной части корпуса. В проточной части корпуса размещена пружина сжатия, обеспечивающая осевое возвратно-поступательное перемещение седла. Вверху проточной части корпуса установлена втулка, являющаяся фиксатором верхнего предельного положения седла и нижнего предельного положения запорного элемента. Упругая опора седла снижает удельные нагрузки на уплотнительные поверхности затвора.

Недостатком аналога является его низкая пропускная способность.

Прототипом заявляемого устройства является предохранительный клапан с разгруженным в нерабочем состоянии затвором, защищенный патентом на изобретение RU 2537478, МПК F16K 17/06, F16K 1/42, дата публикации - 10.01.2015. Клапан включает корпус с входным и выходным патрубками, седло в форме ступенчатой втулки, установленной во входном патрубке с возможностью осевого перемещения до торцевого упора, запорный элемент с юбочным отражателем потока рабочей среды и пружину настройки. Седло установлено упруго подвижно относительно торцевого упора и запорного элемента. По нижней кромке юбки отражателя выполнена торцевая поверхность для опоры в нерабочем состоянии клапана на корпус клапана в его проточной части под действием пружины настройки. Упругое поджатие седла к торцевому упору и запорному элементу может быть обеспечено сильфоном, соединенным одним концом с корпусом, а другим концом - с седлом.

Недостатком прототипа также является его низкая пропускная способность.

Заявляемое устройство решает техническую задачу увеличения пропускной способности предохранительного клапана при обеспечении щадящих удельных нагрузок на уплотнительные поверхности затвора как в рабочем, так и в нерабочем состоянии, например при транспортировании, хранении и резервировании.

Поставленная техническая задача решена в предохранительном клапане с разгруженным в нерабочем состоянии затвором, включающем корпус с входным и выходным патрубками, крышку корпуса, закрепленную между корпусом и крышкой направляющую обойму для штока, соединенный со штоком запорный элемент, установленное во входном патрубке упруго подвижно относительно торцевого упора и запорного элемента седло и пружину. В верхней части подвижного седла на резьбе установлено кольцо для регулирования давления посадки запорного элемента. Седло зафиксировано от поворота в корпусе, например, неподвижным штифтом, для которого на боковой стенке седла выполнен продольный паз. На направляющей обойме выполнен ограничитель распрямления пружины настройки, при опоре на который усилие пружины настройки передается на корпус, а между резьбовым регулировочным кольцом и корпусом клапана в его проточной части сохраняется зазор.

Существо заявляемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен заявляемый предохранительный клапан в нерабочем состоянии транспортирования, хранения и резервирования; на фиг. 2 - то же в рабочем состоянии при нормальной эксплуатации; на фиг. 3 - то же во время аварийного срабатывания; на фиг. 4 - то же, вариант с сильфоном.

Предохранительный клапан содержит корпус 1 с входным 2, выходным 3 патрубками, крышкой 4 и неподвижной направляющей обоймой 5 для штока 6 запорного элемента 7. Предохранительный клапан содержит также седло 8, установленное в патрубке 2 и поджатое упруго подвижно пружиной 9 либо сильфоном 10 к торцевому упору 11 и запорному элементу 7. Пружина 9 либо сильфон 10 установлены в патрубке 2 с опорой на кольцо 12. Пружина настройки 13 заключена в опоры 14 и 15, снабжена регулировочным винтом настройки 16 и контргайкой 17. В верхней части седла 8 на резьбе установлено кольцо 18 для регулирования давления посадки запорного элемента 7. Седло 8 зафиксировано от поворота в корпусе 1, например, неподвижным штифтом 19, для которого на боковой стенке седла 8 выполнен продольный паз 20. На направляющей обойме 5 выполнен ограничитель распрямления пружины настройки 13, при опоре на который усилие пружины настройки передается на корпус 1, а между резьбовым регулировочным кольцом 18 и корпусом клапана 1 в его проточной части сохраняется зазор «δ». Предохранительный клапан включает сальник 21, заглушки 22, колпак 23.

В тексте описания и на чертежах использованы обозначения: «Р_н» - давление настройки предохранительного клапана; «Р_р» - рабочее давление в предохранительном клапане; «S» - площадь уплотнительной поверхности запорного элемента 7; «S₁» - площадь поперечного сечения седла 8 в узком сечении проходного отверстия входного патрубка 2, «h» - полный ход запорного элемента 7 на открытие клапана.

Методом расчета параметров и характеристик предохранительного клапана обеспечивают его работоспособность в заданных потребителем условиях.

На заводе-изготовителе производят настройку предохранительного клапана на заданное потребителем рабочее давление среды Р_р при помощи регулировочного винта настройки 16. Усилие пружины настройки 13 передается на запорный элемент 7 через опоры 14, 15 и шток 6. Пружина 9 либо сильфон 10 рассчитаны таким образом, что сила упругого поджатия седла 8 к запорному элементу 7 не превышает нагрузки на запорный элемент 7 со стороны пружины настройки 13, при этом обеспечивается постоянный контакт седла 8 с запорным элементом 7, гарантирующий герметичность в затворе предохранительного клапана при его заправке рабочей средой и эксплуатации. Резьбовым кольцом 18 производят регулировку давления начала открытия клапана, давление полного открытия клапана и давления закрытия клапана. При подъеме кольца 18 все перечисленные показатели уменьшаются, при опускании - увеличиваются.

По окончании настройки предохранительного клапана и сбросе давления среды запорный элемент 7 и седло 8 под действием пружины настройки 13 перемещаются вниз до тех пор, пока нижняя опора 14 пружины настройки 13 не упрется в направляющую обойму 5. При этом усилие пружины 13 через направляющую обойму 5 передается на корпус 1. Между резьбовым регулировочным кольцом 18 и корпусом 1 в проточной части клапана сохраняется зазор δ, а на уплотнительные поверхности затвора действует лишь незначительное усилие от пружины 9 либо сильфона 10, достаточное для поддержания герметичности затвора клапана.

Настроенный предохранительный клапан пломбируют колпаком 23, заглушками 22 и направляют потребителю. Кольцо 12 предохраняет пружину 9, сильфон 10 и седло 8 от выпадения из входного патрубка 2 при транспортировании, хранении и резервировании клапана.

После монтажа предохранительного клапана на установке потребителя ее заполняют рабочей средой. При достижении в клапане рабочего давления Р_р=Р_н седло 8 под действием пружины 9 либо сильфона 10 преодолевает усилие пружины настройки 13, уменьшенное на величину Р_Р(Р_Н)×S₁, и занимает рабочее положение, определенное ему во время заводской настройки клапана. Очевидно, что площадь S₁ должна быть определена такой, чтобы усилие пружины 9 либо сильфона 10 гарантированно превосходило усилие от пружины настройки 13 также и при закрытии предохранительного клапана, с учетом возможного удара при контакте уплотнительных поверхностей в затворе.

Заявляемый предохранительный клапан работает следующим образом.

Усилие пружины настройки 13 уравновешено давлением рабочей среды и реакцией от уплотнения. Седло 8 в режиме эксплуатации надежно зафиксировано в своем предельном положении упором 11.

При превышении рабочего давления Р_р в защищаемой установке над давлением настройки Р_н клапана на 5-7% происходит разгерметизация затвора. При достижении давления Р_р в защищаемой установке значения, равного (1,1-1,15)Р_н, происходит полное открытие предохранительного клапана на ход «h» и сброс давления.

После сброса избыточной среды и достижения давления Р_р значения, равного (0,8-0,9)Р_н, происходит закрытие предохранительного клапана. Сила удара запорного элемента 7 о седло 8 при закрытии клапана определяется массой деталей подвижной группы и ее ускорением при посадке запорного элемента 7 на седло 8.

В предохранительном клапане заявляемой конструкции, притом что уплотнительные поверхности затвора воспринимают лишь малую долю от усилия пружины настройки 13, а при посадке запорного элемента 7 на седло 8 происходит амортизация удара, площадь уплотнительных поверхностей S в затворе может быть значительно уменьшена без потерь для работоспособности клапана. Это обстоятельство позволяет уменьшить размеры и массы деталей подвижной группы предохранительного клапана, сократить расход материалов и уменьшить силу удара запорного элемента о седло при посадке. Очевидно, что при этом размеры и массы других деталей предохранительного клапана (пружины, корпус и т.д.) также могут быть уменьшены.

Преимущества заявляемого предохранительного клапана возрастают с ростом давления, температуры и аварийного расхода в защищаемых объектах. Они также существенны при создании предохранительных клапанов для мобильных установок, где снижение габаритов и массы оборудования имеет особенно большое значение.