Тепловой предохранительный клапан для сосудов давления, изготовленных из композиционных материалов и герметизированных внутренней полимерной оболочкой

 

Использование: в области предохранительных устройств для сосудов, работающих под давлением. Сущность изобретения: клапан, устанавливаемый на металлические элементы композитной силовой оболочки сосуда, содержит трубчатую часть с каналом сброса давления, пропущенную через направляющее отверстие кожуха. Со стороны сосуда в кожухе выполнено второе отверстие с заостренными кромками, перекрытое внутренней полимерной оболочкой сосуда. Канал сброса давления и полость кожуха заполнены легкоплавким материалом, расплавляющимся при аварийном тепловом нагружении (пожаре). Торец трубчатой части, обращенный в сторону сосуда, выполнен в виде полуконуса. Предусмотрена возможность изменения расстояния от торца трубчатой части до заостренных кромок отверстия кожуха. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Заявляемое изобретение относится к области предохранительных устройств для сосудов, работающих под давлением, а более конкретно к устройствам для выпуска давления из композитного сосуда при повышении температуры окружающей среды выше температуры разрушения его материала, например при пожаре.

Известны клапаны, открывающиеся при повышении давления в сосуде при его нагревании. Такие устройства ставятся на металлические сосуды, хорошо проводящие тепло.

Недостатком таких клапанов является то, что их нельзя устанавливать на применяемых в последнее время сосудах давления из композиционных материалов, так как содержимое такого сосуда не прогревается достаточно для открытия клапана по превышению давления из-за плохой теплопроводности материала силовой оболочки при ее тепловом нагружении (например, в пожаре). В то же время материал оболочки разрушается (выгорает) и может произойти взрыв.

Известен клапан для разгерметизации сосуда, находящегося под давлением в условиях пожара, в котором открытие крышки клапана обеспечивается разрушением штифта с помощью уменьшающей при нагревании свою длину проволоки из нитенола [1] Недостатком указанного устройства является громоздкость конструкции, выходящей за габариты сосуда, и наличие рычажной системы запорного элемента, что затрудняют эксплуатацию сосуда, например, как баллона для сжатого газа на транспортных средствах, работающих на газовом топливе, так как уменьшается полезный объем, и отсутствует возможность оперативной замены баллона.

Известно устройство термически обусловленного выпуска давления, не содержащее механизмов и вписывающееся в габариты баллона [2] Это устройство (клапан), являющееся прототипом заявляемого изобретения, характеризуется следующими признаками: трубчатая часть клапана, установлена в металлический элемент, работающий совместно с оболочкой сосуда, а часть в виде головки под ключ снаружи оболочки; в деле клапана устроен T-образный канал такой, что продольная часть расположена в трубчатой части и связана с внутренностью сосуда, а поперечная часть в поперечном сечении головки и связана с атмосферой на противоположных ее сторонах; -канал заполняет легкоплавкий материал, который имеет точку плавления ниже температуры разрушения сосуда и выше рабочей температуры эксплуатации сосуда.

Указанные признаки совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Основным недостатком данного устройства является невозможность разгерметизации баллонов из композиционных материалов, герметизированных внутренней полимерной оболочкой.

Причина, препятствующая получению требуемого результата, заключается в том, что композиционный материал силовой оболочки сосуда, в частности стеклопластик, изолирует внутреннюю полимерную оболочку от повышенной температуры окружающей баллон среды, а материал этой оболочки, сохраняя свои герметизирующие свойства, перекрывает канал выпуска давления. В результате, газ остается в баллоне, а стеклопластиковая силовая оболочка начинает разрушаться при достижении температурой определенного уровня (температуры разрушения), и затем баллон взрывается.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении пожарной безопасности сосудов давления из композиционных материалов с внутренними полимерными оболочками за счет создания предохранительного клапана, открывающего канал в силовой оболочке для сброса давления с одновременной разгерметизацией внутренней полимерной оболочки при повышении температуры окружающей среды до температуры разрушения материала силовой оболочки, например, при пожаре.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении разрушения внутренней полимерной оболочки на локальном участке, прилегающем к каналу сброса давления, одновременно с расплавлением материала-заполнителя канала сброса давления.

Для обеспечения этого результата, в металлические элементы силовой оболочки сосуда встраивается клапан, который имеет кожух с отверстием в острой кромкой вовнутрь силовой оболочки, перекрытым полимерной внутренней оболочкой, и вторым отверстием для соединения полости кожуха с каналами сброса давления в окружающую сосуд среду.

При этом, во второе отверстие кожуха клапана пропущена трубчатая часть, заостренная на торце, обращенном в сторону сосуда, в виде полуконуса, отделенного плоскостью, проходящей через его вершину, а на противоположном конце имеющий головную часть. Трубчатая часть имеет внутренний канал, открытый вовнутрь полости кожуха клапана и вовне сосуда на противоположных сторонах его головной части. Отверстие с заостренными кромками, полость кожуха и канал трубчатой части образуют канал сброса давления из полости сосуда. В нормальном состоянии этот канал заполнен легкоплавким материалом с прочностными и адгезионными свойствами, достаточными, чтобы выдержать нагружение со стороны среды, находящейся под давлением в полости сосуда. При температуре разрушения материала силовой оболочки этот материал не имеет отмеченных свойств, он размягчен или находится в жидкой фазе.

Заявляемое изобретение характеризуют следующие существенные признаки: клапан установлен в металлический элемент, работающий совместно с силовой оболочкой сосуда; клапан снабжен кожухом с отверстием с заостренными кромками вовнутрь сосуда, которое перекрывается внутренней полимерной оболочкой, и со вторым отверстием, направляющей для трубчатой части, вовне сосуда; трубчатая часть клапана, установленная в направляющее отверстие кожуха, имеет заостренный в виде половины конуса торец, выходящий вовнутрь полости кожуха клапана, и другой торец (головная часть), находящийся вовне сосуда; трубчатая часть установлена с возможностью изменения расстояния заостренного торца внутри полости кожуха до кромок отверстия, перекрытого внутренней полимерной оболочкой; в теле трубчатой части устроен T-образный канал такой, что продольная часть его расположена в трубчатой части и связана с полостью кожуха, а поперечная часть связана с атмосферой на противоположных сторонах головки;
полость кожуха и T-образный канал заполнены легкоплавким материалом, который имеет точку плавления ниже температуры разрушения силовой оболочки сосуда и выше максимальной температуры окружающей среды при нормальной эксплуатации сосуда.

Указанные признаками в их совокупности обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемой объем правовой охраны.

На фиг. 1 изображена часть сосуда давления с установленным на нем тепловым предохранительным клапаном; на фиг.2 приведена иллюстрация работы клапана.

Клапан имеет кожух 1 с расширительной полостью 2, установленный в металлическую крышку 3 композитной силовой оболочки сосуда давления 4 отверстием с острыми кромками 5 в сторону внутренней полимерной оболочки 6 заподлицо с внутренней поверхностью крышки. В кожухе клапана подвижно (например, на резьбе) установлена трубчатая часть 7 заостренным торцем в виде половины конуса вовнутрь полости кожуха, а головной частью вовне сосуда. Полость кожуха и соединенные с ней каналы трубчатой части заполнены легкоплавким материалом 8.

При пожаре, нагревание клапана происходит пламенем 9. При этом температура крышки и клапана поднимается выше температуры плавления легкоплавкого материала. Расплавленный материал вытесняется через T-образный канал трубчатой части в атмосферу вдавливаемой в полость кожуха клапана частью внутренней полимерной оболочки, перекрывающей отверстие кожуха клапана. Участок полимерной оболочки растягивается в виде пузыря в полости кожуха клапана. Внутренняя полимерная оболочка в процессе раздувания пузыря облегает полуконус на торце трубчатой и дополнительно растягивается до разрушения ее материала. Среда, сжатая в полости сосуда, вытесняет расплавленный заполнитель из T-образного канала трубчатой части и происходит безопасный сброс давления.

Все детали клапана могут быть изготовлены на универсальном оборудовании по обычным технологиям металлообработки.

Для заполнения канала сброса давления можно использовать различные известные литейные сплавы в зависимости от температурных условий эксплуатации сосудов давления. Например, можно использовать сплавы на основе висмута (сплав Вуда) или олова, как в клапане-прототипе.

Диаметр отверстия и расстояние острия полуконуса от кромок этого отверстия (глубину установки трубчатой части) устанавливают из условия достижения в материале полимерной оболочки разрушающих напряжений. В частности, эти величины зависят от толщины h материала оболочки и могут составлять соответственно 4h и 1,5h.

Авторами проведены испытания по оценке возможности разрушения полимерной оболочки в заявляемом устройстве. Как материал оболочки использовалась резина ВК-7 толщиной h 2,5 мм. Диаметр полости кожуха и отверстия с заостренными кромками были соответственно 30 мм и 14 мм. Испытания проводились без заполнения канала выпуска давления и без нагревания клапана. При максимальном (в пределах расширительной полости) расстоянии острия полуконуса от кромок отверстия разрушение резины произошло при избыточном давлении со стороны полости сосуда равном 5,6 МПа. После установки острия полуконуса в 3,5 мм от кромок отверстия, разрушающее давление снизилось в полтора раза и составило 3,5 МПа.

Формула изобретения

1. Тепловой предохранительный клапан для сосудов давления, изготовленных из композиционных материалов и герметизированных внутренней полимерной оболочкой, размещенный на металлическом элементе силовой оболочки сосуда давления и содержащий трубчатую часть, установленную в силовой оболочке сосуда, и головку, размещенную снаружи оболочки, при этом в клапане выполнен Т-образный канал, продольная часть которого расположена в трубчатой части, а поперечная часть сообщена с атмосферой, и расположенные в головке с выходом канала на две противоположные ее стороны, причем канал заполнен легкоплавким материалом с температурой плавления ниже температуры разрушения материала силовой оболочки сосуда и выше максимальной температуры окружающей среды при нормальной эксплуатации, отличающийся тем, что клапан снабжен кожухом с двумя отверстиями, через одно из которых пропущена трубчатая часть клапана, а другое выполнено с заостренными кромками и перекрыто полимерной оболочкой сосуда, при этом полость кожуха, отделенная оболочкой от внутреннего объема сосуда, заполнена легкоплавким материалом и сообщена с продольным каналом трубчатой части клапана, торец которой, обращенный в сторону сосуда, выполнен в виде половины конуса, отделенной плоскостью, проходящей через его вершину.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что клапан выполнен металлическим и установлен в отверстии кожуха с возможностью изменения расстояния от торца его трубчатой части до заостренных кромок отверстия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2