Приводной разрушаемый элемент

 

Изобретение относится к предохранительной трубопроводной арматуре, используемой на промышленных трубопроводах, в системах аварийной защиты агрегатов и сосудов, содержащих избыточное давление или вакуум. Сущность изобретения: приводной разрушаемый элемент выполнен в виде купольной оболочки, образованной навивкой полосового профиля вокруг центральной шпули, и сообщен с источником внешнего разупрочняющего термосилового воздействия. Полосовой профиль выполнен из термоусадочного материала с "памятью формы", деформированного путем одноосной вытяжки вдоль полосы. Величина относительного удлинения определена соотношением (5,33...8,60) H/D_ф, где H - высота купольной оболочки, D_ф - опорный диаметр по нейтральному слою. 1 ил.

Изобретение относится к предохранительной трубопроводной арматуре, используемой на промышленных трубопроводах, в системах аварийной защиты агрегатов и сосудов, содержащих избыточное давление или вакуум.

Известны самосрабатывающие и приводные разрушаемые элементы в устройствах принудительной аварийной разгрузки, содержащие, например, разрезной нож, приводимый в действие пиропатроном и разрезающий купольную часть мембраны [1] Если внутреннее давление на момент срабатывания устройства отсутствует, то последующее его нарастание сопровождается истечением срабатываемой среды через узкий щелевой зазор во врезанной купольной части мембраны, то есть через местное гидравлическое сопротивление с показателем ζ в несколько сотен единиц. В некоторых условиях данный недостаток является практически неустранимым.

Наиболее близким к настоящему изобретению является разрушаемый приводной элемент, содержащий купольную оболочку, образованную навивкой полосового профиля вокруг центральной шпули, сообщенного с источником внешнего разупрочняющего термосилового воздействия [2] Данный разрушаемый элемент допускает режимы разрушения, связанные с одномоментным расплавлением витой оболочки и саморассеянием расплава от воздействия пондеромоторных сил, действующих от центра к периферии. Данный вид разрушения, близкий к разрушению мощных токовых катушек, является реальным физически.

Недостатком известного устройства является техническая неосуществимость физического принципа полного расплавления навивки, например, из-за появления температур, достаточных для воспламенения сбрасываемой среды, возможность засорения продуктами остывшего расплава сбросных сечений трубопровода по ходу сброса, локальные термические повреждения его сечений в особенности по месту установки разрушаемого элемента. Все упомянутое приводит к тому, что такое устройство рекомендуется к использованию в других режимах срабатывания, основанных на первоочередном использовании локальных перегрузок с последующим развитием процесса деструкции разрушаемого элемента под действием истекающей среды.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение диапазона использования устройства на случаи начально медленно нарастающих избыточных давлений и вакуума при последующем их быстром росте.

Техническим результатом является обеспечение гарантированного его раскрытия по подаче побудительного теплового вскрытия на любой стадии развития аварии, в том числе и на начальных.

Это достигается за счет того, что в приводном разрушаемом элементе выполненном в виде купольной оболочки, образованной навивкой полосового профиля вокруг центральной шпули и сообщенной с источником внешнего разупрочняющего термосилового воздействия, полосовой профиль выполнен из термоусадочного материала с "памятью формы", деформированного путем одноосной вытяжки вдоль полосы с величиной относительного удлинения, определяемой соотношением (5,33 8,60) Н/D_f, где Н высота оболочки, D_f - опорный размер по нейтральному слою.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен общий вид приводного разрушаемого элемента в примере использования в качестве источника внешнего разупрочняющего термосильного воздействия микроволновой энергии в схематическом разрезе.

В данном варианте приводной разрушаемый элемент содержит купольную оболочку 1, навитую вокруг центральной шпули 2 полосовым профилем 5, имеющим заданный уровень "замороженных" деформаций; оболочка имеет отбортовку - опорный корпус 4, выполненный зацело с купольной частью оболочки 1, со стороны входного патрубка 5, заполненного текучей средой с давлением P; оболочка герметизирована проводящей фольгой 6 и установлена в гнезде 7 корпусной детали 8 сбросной линии, в которую введен волновод 9, перекрытый радиопрозрачным окном 10; внутренний сетчатый экран 11 волн СВЧ закреплен в гнезде 7 совместно с проводящей фольгой 6, при этом окно 10 введено внутрь объема экранной сетки 11.

Устройство работает следующим образом.

В состоянии нормальной эксплуатации давление P, действующее со стороны входного патрубка 5 через герметизирующую фольгу 6 на оболочку 1, удерживается ею, фольга 6 плотно прилегает к поверхности купольной оболочки 1, распорные усилия в сечениях оболочки частично гасятся в витках и окончательно в опорном контуре, прорыва среды по стрелке P не происходит.

В режиме принудительного срабатывания через волновод 9 и окно 10 внутрь подается поток микроволновой энергии от внешнего источника по стрелке Е_w. Проходя через окно 10, поток замыкается во внутреннем объеме, образованном герметизирующей фольгой 6 и экранной сеткой 11, вызывая нагрев полосового профиля 3 оболочки 1. По достижении критической температуры материалом оболочки 1 происходит возврат "замороженных" деформаций, при этом длина навивки сокращается на заданную величину, что соответствует резкому поворачиванию навивки в основном за счет развития касательных напряжений между витками. Процесс разматывания навивки оболочки 1 и расстыковки ее витков имеет необратимый прогрессирующей характер как явление потери устойчивости при сдвиге, а потому происходит в течение короткого времени, измеряемого максимально десятыми долями секунды для всех известных материалов с "памятью формы". В результате оболочка 1 под действием собственных внутренних напряжений "прощелкивает" вниз, ее витки под действием инерциальных сил разматываются, фольга 6 рвется, и сбросное сечение корпусной детали 8 освобождается для пропуска среды, при этом экранная сетка 11 может быть использована либо в виде ловителя осколков "кисетного" типа, либо рассчитана на прорыв.

Заявленный приводной разрушаемый элемент, помимо описанного выше примера может быть использован в качестве разрушаемого элемента трубопроводных арматур с источниками нагрева различных типов, в том числе передача тепловой энергии теплоносителем, а для токопроводящих материалов омическим нагревом, в том числе как вторичная короткозамкнутая обмотка трансформатора. Предельные ограничения по относительной величине деформаций полосового профиля 3 термоусадочного материала с "памятью формы" вычислены исходя из следующих соображений. Процесс развития деформаций при нагреве материала сверх критической температуры имеет максимум по величине кинетической энергии при пересечении центра масс диаметральной плоскости по опорному диаметру (нейтральный слой), соответственно минимально допустимое сокращение длины навивки определяется чисто изометрическими параметрами устройства. По известной формуле Чебышева где S длина меридиана купола по нейтральному слою, D_f опорный размер, Н строительная высота оболочки по нейтральному слою, имеется где dS и dH приращения величин S и Н.

Переходя к конечно-малым, имеем
Приняв объем деформируемого материала постоянным, учитывая, что S -> D_f и при Н/D_f, < 0,1, имеем

Данное численное значение имеет место для резиноподобных материалов с коэффициентом Пуассона, равным 0,45, при малых модулях упругости с полным замыканием термических напряжений внутри объема деформируемой оболочки, для наиболее прочных материалов с модулями упругости до 0,1 ГПа, коэффициентом Пуассона 0,3 и с учетом используемой технологии изготовления навивок способом "вкладывания витков" (инволюции), вводимые поправки дают значение (максимально)

Данные численные пределы обеспечивают так называемое "сдвиговое телескопическое " разрушение навивок с необратимой потерей несущей способности данного вида конструкций, чем решается поставленная задача.

В качестве материалов для изготовления заявленных приводных разрушаемых элементов могут быть использованы пластические термоусадочные пленки из полимеров широкой номенклатуры (полипропилены, полиэтилентерефталевые, арамины). Из металлических материалов могут быть использованы нитинол и другие материалы с " памятью формы".

Формула изобретения

Приводной разрушаемый элемент, выполненный в виде купольной оболочки, образованной навивкой полосового профиля вокруг центральной шпули, сообщенный с источником внешнего разупрочняющего термосилового воздействия, отличающийся тем, что полосовой профиль выполнен из термоусадочного материала с "памятью формы", деформированного путем одноосной вытяжки вдоль полосы с величиной относительного удлинения, определяемой соотношением (5,33.8,60) H/D_ф, где Н высота купольной оболочки, D_ф опорный диаметр по нейтральному слою.

РИСУНКИ

Рисунок 1