Автомат аварийного закрытия крана на магистральных газопроводах

 

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано при транспортировке газов по магистральным газопроводам. Автомат аварийного закрытия клапана на магистральных газопроводах содержит распределитель с установленным в его корпусе золотником в виде поршня, первой и второй управляющими камерами, соединенными с газопроводом. В последнем установлен запорный орган, связанный с гидроприводом. Полость управления гидропривода связана с выходной камерой и мембраной. Поршень установлен в корпусе между первой и второй камерами на двух противоположно направленных верхнем и нижнем штоках. Указанные штоки закреплены с возможностью их осевого перемещения в уплотненных втулках, находящихся в нижней крышке корпуса и в перегородке между второй управляющей камерой. Вторая управляющая камера разделена на две полости металлической мембраной, зажатой между верхним торцом корпуса и крышкой, и соединена с полостью управления привода запорного органа. Верхний шток имеет конусообразную головку, диаметр основания которой больше диаметра цилиндрической части этого штока, и установлен в непосредственной близости к мембране для обеспечения разрыва мембраны. Первая и вторая управляющие камеры сообщены между собой через калиброванные сквозные отверстия в поршне. Первая управляющая камера соединена с балластной емкостью, связанной с газопроводом через обратный клапан. Подмембранная полость выходной камеры соединена с емкостью аварийного запаса газа и связана с газопроводом через обратный клапан. Верхняя и нижняя крышки корпуса снабжены отверстиями, сообщающими соответственно выходную камеру и полость под торцом нижнего штока с атмосферой. Изобретение позволяет исключить протечки газа в эксплуатационном режиме работы, предотвратить ложное срабатывание автомата в эксплуатационном режиме работы, повысить надежность и безопасность устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано при транспортировке газов по магистральным газопроводам. Автомат аварийного закрытия крана (АЗК) обеспечивает своевременное аварийное автоматическое перекрытие газопровода в случае возможных разрывов и утечек газа, что решает задачу повышения безопасности эксплуатации газопровода и уменьшения потерь газа при его повреждении. АЗК устанавливается в местах расположения шаровых кранов для перекрытия газопровода и обеспечивает автоматическое закрытие данных кранов, то есть блокирование аварийного участка газопровода.

Основными требованиями, предъявляемыми к АЗК, являются: 1. Высокая точность настройки для обеспечения своевременного срабатывания АЗК при авариях.

2. Полностью автоматический режим работы без применения электроники и дополнительных энергетических затрат приборов.

3. Универсальность настройки, включающей в себя возможность использования АЗК в широком диапазоне давлений газа 3,0-6,0 МПа, а также в широком диапазоне температур (-50)-(+50)^oС.

4. Защита от ложных срабатываний, то есть обеспечение несрабатывания АЗК в случае кратковременных перепадов давления, возникающих, например, при подключении или отключении крупных потребителей газа.

5. Технологичность конструкции АЗК в условиях серийного производства.

6. Длительный срок эксплуатации (10 лет) при высокой надежности АЗК.

7. Взрывобезопасность и пожаробезопасность АЗК.

Известны автоматы аварийного отключения газопровода при его повреждении, включающие в себя газораспределительное устройство для управления приводом запорного органа на газопроводе и датчики, реагирующие на изменение скорости падения давления, содержащие баллоны, связанные с газопроводом через отверстия малого сечения (см. Андреев Г.С. Запорная арматура магистральных газопроводов. - Л.: Недра, 1968, с. 73-76 и патент РФ 2138720, заявка 98114047/6, 1998 г.).

Известны также автоматы аварийного отключения газопровода при его повреждении, содержащие распределительные устройства, реагирующие на изменение скорости потока газа (см., например авт. св. СССР 189271, кл. F 16 K 17/34, 1961 и патент РФ 2101595, кл. F 16 K 17/04, 1998 г.).

Основными недостатками этих устройств является наличие подвижной пары (седло-клапан) в магистрали подачи газа на гидроцилиндр запорного органа (шарового крана) газопровода. Особенностью эксплуатации АЗК является то, что длительное время (порядка нескольких месяцев или лет) он находится во "взведенном" состоянии (клапан заперт). При этом возможно медленное протекание газа через запорный орган вследствие недостаточной его герметичности или вследствие образования микротрещин при длительной эксплуатации. Это может привести к ложному срабатыванию АЗК при перетекании "критического" объема газа. С другой стороны, если пара седло-клапан хорошо притерты, возможна диффузия материалов подвижной пары, что ведет к ее "спеканию" и потере подвижности, а следовательно, неработоспособности АЗК.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является автомат аварийного отключения газопровода при его повреждении (патент РФ 2029191, кл. F 16 K 17/34, G 05 D 16/10. Опубл. 1992 г.) - прототип, отличающийся тем, что золотник распределительного устройства выполнен в виде подпружиненного первого поршня, установленного в нижнем торце корпуса, на верхнем торце которого установлен второй поршень, связанный с размещенным в расточке корпуса поршнем гидродепфера, нагруженным пружиной, связанной через тарель с первым поршнем.

Первый поршень оперт на тонкую металлическую мембрану, зажатую между нижнем торцом корпуса и установленным на этом торце фланцем с обеспечением разрыва этой мембраны в нижнем положении первого поршня. Существенным преимуществом данного устройства является то, что распределительный золотник обеспечивает проход к приводу запорного органа только при разрыве мембраны, что исключает протечки газа к приводу запорного органа на газопроводе.

Основным недостатком данного автомата является сложность конструкции, включающей три поршня, несколько кольцевых уплотнений, сложную систему регулирования кольцевого канала гидродепфера, требующую разборки автомата для его настройки, а также дополнительное использование (наряду с пневмосистемой) гидросистемы с незамерзающей жидкостью. Это приводит к сложности технологии изготовления и настройки автомата, а также его эксплуатации, что, в конечном счете, отражается на основном показателе - надежности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности автомата за счет улучшения технологичности изготовления, уменьшения количества подвижных сочленений, требующих уплотнения, а также обеспечения простоты настройки и эксплуатации АЗК.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в известном автомате аварийного отключения газопровода, содержащем золотник в виде поршня, первую и вторую управляющие камеры, соединенные с газопроводом, в котором установлен запорный орган, связанный с гидроприводом, полость управления которого соединена с выходной камерой и мембраной, поршень установлен в корпусе между первой и второй управляющими камерами на двух соосных, противоположно направленных штоках, закрепленных в уплотненных втулках, с возможностью их перемещения по оси. Втулки располагаются в нижней крышке корпуса и в перегородке между второй управляющей камерой и выходной камерой. Выходная камера разделена на две полости металлической мембраной, зажатой между верхним торцом корпуса и верхней крышкой и соединена с полостью управления привода запорного органа. Верхний шток поршня имеет конусообразную головку, диаметр которой больше диаметра штока, и установлен в непосредственной близости к мембране для обеспечения ее разрыва. Поршень имеет калиброванные сквозные отверстия, которые сообщают между собой первую и вторую управляющие камеры. Верхние и нижние крышки корпуса снабжены дренажными отверстиями, которые сообщают с атмосферой соответственно выходную камеру и полость под торцом нижнего штока и нижней крышкой. Первая управляющая камера соединена через штуцер с балластной емкостью, связанной с газопроводом через обратный клапан, вторая управляющая камера соединена через штуцер с газопроводом, а нижняя полость выходной камеры через штуцер соединена с емкостью аварийного запаса газа и связана с газопроводом через обратный клапан. Дренажное отверстие, находящееся в верхней крышке корпуса, выполнено вертикально или с наклоном, имеет конусообразные вход и выход, в нем расположен шаровой запорный элемент с возможностью перекрытия этого отверстия при повышении давления в выходной камере.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, где показана схема АЗК.

Автомат состоит из распределителя, собранного в цилиндрическом корпусе 1, закрытом верхней 2 и нижней 3 крышками. Между верхним торцом корпуса 1 и верхней крышкой 2 зажата тонкая металлическая мембрана 12. В верхней крышке 2 выполнено вертикальное дренажное отверстие 13 с шаровым запорным элементом. Золотник в виде поршня 4 установлен в корпусе 1 между первой 14 и второй 15 управляющими камерами на двух противоположно направленных верхнем 6 и нижнем 7 штоках. В поршне выполнены калиброванные сквозные отверстия 5 диаметром D.

Золотник может перемещаться вдоль корпуса 1 в уплотненных втулках 8 и 9, расположенных соответственно в перегородке 10, расположенной внутри корпуса 1, и в нижней крышке 9. Верхний шток 6 имеет конусообразную головку 11, диаметр основания которой больше диаметра цилиндрической части штока 6, и установлен в непосредственной близости к мембране 12 для обеспечения разрыва мембраны.

В объеме распределителя образованы три камеры: первая управляющая камера 14 расположена между нижней крышкой 3 и нижним торцом поршня 4; вторая управляющая камера 15 расположена между верхним торцом поршня 4 и нижним торцом перегородки 10; выходная камера включает две полости - верхнюю 16, расположенную между верхним торцом мембраны 12 и верхней крышкой 2, и нижнюю полость 17, расположенную между нижним торцом мембраны 12 и верхним торцом перегородки 10.

Первая управляющая камера 14 через штуцер 18 соединена с балластной емкостью 19, которая через обратный клапан 20 связана с газопроводом 21. Вторая управляющая камера 15 через штуцер 22 связана с газопроводом 21. Предмембранная (нижняя) полость 17 выходной камеры через штуцер 23 соединена с емкостью аварийного запаса газа 24, которая через обратный клапан 25 соединена с газопроводом 21. Полость управления гидропривода 27 запорного органа (шарового крана) соединена с выходной камерой 16 и мембраной 12. В нижней крышке 3 выполнено дренажное отверстие 29, сообщающее полость под нижним торцом штока 7 с атмосферой.

Автомат аварийного закрытия крана работает следующим образом.

Приведение в рабочее состояние При подключении автомата к газопроводу 21 газ через обратные клапаны 20, 25 заполняет емкости 19, 24 и через штуцеры 18, 22, 23 поступает в управляющие камеры. При этом давление в камерах 14, 15, 17 выравнивается и равно давлению в газопроводе 21. Сила, действующая на поршень 4, направлена вниз и приводит золотник в исходное (нижнее) положение. Величина этой силы равна F=P_o(S₁-S₂), где Р_o - давление в газопроводе; S₁ - площадь поперечного сечения поршня 4; S₂ - площадь поперечного сечения штока 7.

Работа в эксплуатационном режиме.

При работе АЗК в эксплуатационном режиме, когда давление в газопроводе 21 постоянно или медленно изменяется (повышается или понижается за счет подключения потребителей газа или за счет неравномерности работы компрессорных станций). При этом в камерах 14, 15, 17 давление также постоянно или медленно изменяется, однако остается одинаковым для каждой из камер благодаря медленному перетоку газа через калиброванное отверстие 5 в поршень 4, разделяющий первую и вторую управляющие камеры.

При этом золотник находится в исходном состоянии (нижнем). При наличии медленного перетока газа в процессе длительной эксплуатации через уплотнение 9 газ стравливается в атмосферу через дренажное отверстие 29 в нижней крышке 3.

Для предотвращения накопления газа в верхней полости 16 выходной камеры вследствие перетока через мембранный узел (при возможном нарушении его герметичности вследствие коррозии, например) используется дренажное отверстие 13 в верхней крышке 2. Через это отверстие скопившийся газ, преодолевая силу тяжести шарикового запорного элемента, поднимает шарик и через образовавшийся кольцевой зазор стравливается в атмосферу.

Работа в аварийном режиме.

При повреждении (разрыве) газопровода 21 давление в нем начинает резко падать, причем градиент сброса в несколько раз выше, чем в случае колебаний давления в эксплуатационном режиме. При этом обратные клапаны 20, 25 закрываются, изолируя емкости 19, 24 от газопровода 21, обеспечивая тем самым сохранение постоянного давления Р₀, соответствующего давлению в газопроводе 21 перед аварией. Давление во второй управляющей камере 15, напрямую связанной через штуцер 22 с газопроводом 21 также начинает резко падать в соответствии с падением давления в газопроводе 21.

Гидравлическое сопротивление калиброванного отверстия 5 в поршне 4 препятствует быстрому падению давления в первой управляющей камере 14. В результате этого появляется сила F, действующая вверх и приводящая в движение поршень 4. Величина этой силы равна F₁ = P₁(S₁-2S₂)+ΔP(S₁-S₂), где ΔP = P₀-P₁ - перепад давлений на поршне 4; Р₁ - давление во второй управляющей камере 15 (Р₁<Р).

Под действием силы F₁ поршень 4 движется вверх; при этом конусообразная головка 11 прорывает мембрану 12. Газ из емкости 24 через штуцер 23 проходит в верхнюю полость выходной камеры 16 и через штуцер 26 поступает в полость управления гидропривода 27, обеспечивая закрытие запорного элемента 28 газопровода 21. Дренажное отверстие 29 препятствует образованию силы, препятствующей движению вверх поршня 4 вследствие образования разряжения в полости между нижней крышкой 3 и нижним торцом штока 7. Под воздействием давления Р₀ в верхней полости 16 выходной камеры шариковый запорный элемент перекрывает дренажное отверстие 13 в верхней крышке 2, предотвращая сброс газа в атмосферу.

Настройка АЗК осуществляется подбором диаметров калиброванных отверстий 5 в поршне 4 и величиной свободного объема балластной емкости 24.

Ожидаемый положительный эффект изобретения заключается в следующем:
1. Золотник распределителя обеспечивает газоприход к приводу крана только при разрыве мембраны, что исключает протечки газа в эксплуатационном режиме работы.

2. Наличие штока 7, нижний торец которого находится под воздействием атмосферного давления, обеспечивает перепад давлений на поршень, создающий силу F, препятствующую ложному срабатыванию автомата в эксплутационном режиме работы.

3. Наличие конусообразной головки 11, диаметр которой больше диаметра штока 6, повышает надежность работы АЗК, обеспечивая свободный проход газа из нижней полости 17 выходной камеры в ее верхнюю полость 16.

4. Наличие балластной емкости 24 и калиброванных отверстий 5 в поршне 4 позволяет варьированием диаметра этих отверстий и величиной свободного объема емкости 24 подобрать нужный режим срабатывания АЗК применительно к конкретным характеристикам газопровода (расход газа, рабочее давление, аварийное значение градиента сброса давления).

5. Наличие дренажного отверстия 13 с шариковым запорным элементом повышает надежность АЗК (в плане защиты от ложных срабатываний) путем стравливания газа в атмосферу при дефектах мембраны, возникающих при длительной эксплуатации.

6. Наличие пневматической связи между управляющими камерами 14, 15 и нижней полостью 17 выходной камеры, а также наличие дренажного отверстия 29 повышает надежность АЗК, обеспечивая его нормальное функционирование в эксплуатационном режиме даже при недостаточной обтюрации поршня и прокладок 8, 9, которая может быть нарушена при достаточно длительном периоде эксплуатационного режима.

Список литературы
1. Андреев Г. С. Запорная арматура магистральных газопроводов. - Л.: Недра, 1968, с. 73-76.

2. Патент РФ 2138720, кл. F 16 K 17/34. Опубл. БИ 27, 1999 г.

3. Патент РФ 2101595, кл. F 16 K 17/04. Опубл. БИ 1, 1998 г.

4. Авторское свидетельство. СССР 189271, кл. F 16 K 17/34, 1961.

5. Патент РФ 2029191, кл. F 16 K 17/34, G 05 D 16/10. Опубл. 1992 г.

Формула изобретения

1. Автомат аварийного закрытия крана на магистральных газопроводах, содержащий распределитель с установленным в его корпусе золотником в виде поршня, первой и второй управляющими камерами, соединенными с газопроводом, в котором установлен запорный орган, связанный с гидроприводом, полость управления которого связана с выходной камерой и мембраной, отличающийся тем, что поршень установлен в корпусе между первой и второй управляющими камерами на двух противоположно направленных верхнем и нижнем штоках, закрепленных с возможностью их осевого перемещения в уплотненных втулках, находящихся в нижней крышке корпуса и в перегородке между второй управляющей камерой, которая разделена на две полости металлической мембраной, зажатой между верхним торцом корпуса и крышкой, и соединена с полостью управления привода запорного органа, причем верхний шток имеет конусообразную головку, диаметр основания которой больше диаметра цилиндрической части этого штока, и установлен в непосредственной близости к мембране для обеспечения разрыва мембраны, а также первая и вторая управляющие камеры сообщены между собой через калиброванные сквозные отверстия в поршне, при этом первая управляющая камера соединена с балластной емкостью, связанной с газопроводом через обратный клапан, а подмембранная полость выходной камеры соединена с емкостью аварийного запаса газа и связана с газопроводом через обратный клапан, верхняя и нижняя крышки корпуса снабжены отверстиями, сообщающими соответственно выходную камеру и полость под торцом нижнего штока с атмосферой.

2. Автомат по п.1, отличающийся тем, что отверстие, выполненное в верхней крышке корпуса, расположено вертикально или с наклоном, имеет конусообразный вход и выход и в нем расположен шаровой запорный элемент с возможностью перекрытия этого отверстия при повышении давления в выходной камере.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2