Система підвищеної надійності для захисту від перевищення тиску (hipps) для лінії подачі текучого середовища

Реферат: Винахід стосується системи підвищеної надійності для захисту від перевищення тиску (HIPPS) (1), що містить двопозиційний клапан (2), оснащений корпусом (10), що має впуск (11) і випуск (12), а також канал (13) для проходження текучого середовища від впуску до випуску, і UA 116180 C2 (12) UA 116180 C2 оснащений закривним елементом (14); гідравлічний виконавчий механізм (3), який має керувальний елемент (23), який кінематично зв'язаний із закривним елементом (14); перемикальний блок (4) подачі гідравлічного середовища, що в активному стані утворює керувальний тиск на керувальній поверхні (25) керувального елемента (23), а в пасивному стані скидає керувальний тиск на керувальній поверхні (25); датчик, який вимірює тиск текучого середовища за потоком нижче випуску (12); і логічний пристрій, який порівнює тиск нижче по потоку з критичним значенням, перемикає блок подачі гідравлічного середовища в активний стан, щоб закривний елемент залишався в положенні відкривання, у будь-який момент часу, коли згаданий тиск менший критичного значення, і перемикає блок подачі гідравлічного середовища в пасивний стан, щоб перемістити закривний елемент у положення закривання, чи щоб він залишався в цьому положенні, у будь-який момент часу, коли згаданий тиск перевищує критичне значення. Винаходом пропонується, щоб на поверхню керувального елемента, протилежну керувальній поверхні, впливав тиск текучого середовища, що знаходиться нижче по потоку, у результаті чого цей тиск штовхає закривний елемент у положення закривання. UA 116180 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь техніки Винахід загалом стосується систем підвищеної надійності для захисту від перевищення тиску (HIPPS) і, зокрема, таких систем HIPPS, що мають двопозиційний клапан, оснащений корпусом, що має впуск і випуск, а також канал для проходження текучого середовища від впуску до випуску, і оснащений закривним елементом, виконаним з можливістю осьового переміщення в напрямку від впуску до випуску з положення відкривання в положення закривання, причому в положенні відкривання закривний елемент відкриває канал для згаданого проходження, і в положенні закривання закривний елемент закриває канал, щоб не допустити згаданого проходження; гідравлічний виконавчий механізм, який має керувальний елемент, який кінематично зв'язаний із закривним елементом; блок подачі, який переключається, гідравлічного середовища, що в активному стані утворює керувальний тиск на керувальній поверхні керувального елемента, а в пасивному стані скидає керувальний тиск на цій керувальній поверхні; датчик, що вимірює тиск текучого середовища за потоком нижче випуску; і логічно пристрій, який порівнює тиск нижче по потоку з критичним значенням, перемикає блок подачі гідравлічного середовища в активний стан, щоб закривний елемент залишався в положенні відкривання, у будь-який момент часу, коли тиск нижче по потоку менший критичного значення, і перемикає блок подачі гідравлічного середовища в пасивний стан, щоб перемістити закривний елемент у положення закривання, чи щоб він залишався в цьому положенні, у будь-який момент часу, коли тиск нижче по потоку перевищує критичне значення. З міркувань безпеки в системах HIPPS завжди потрібне відкривання вручну. Рівень техніки Системи підвищеної надійності для захисту від перевищення тиску (HIPPS) являють собою загальновідомі Автоматизовані системи безпеки (SIS), призначені для запобігання виникненню небезпечних умов, викликаного збільшенням тиску в трубопроводі нижче по потоку. Від клапанів систем HIPPS потрібна висока надійність, і вони повинні бути виконані з можливістю перекривання трубопроводу в будь-яких умовах, коли це потрібно. Коли виявлений критичний тиск нижче по потоку, крайній елемент (клапан) закривається, щоб запобігти подальшому підвищенню тиску в трубопроводі, що розташований нижче по потоку. Відомі клапани систем HIPPS мають зовнішній виконавчий механізм, у цих виконавчих механізмах часто використовуються пружини/гідравлічні елементи, і вони є занадто великими, щоб забезпечити достатню безпеку, маючи на увазі можливість закривання клапана в будь-яких умовах. Ці зовнішні виконавчі механізми можуть відмовити, що приведе до недостатності сили для приведення в дію. Якщо розглядати технічні передумови створення винаходу, у документі DE 25 17 730 А1 пропонується двопозиційний клапан, що закривається за допомогою тиску вище за потоком. Однак цей відомий клапан не можна застосувати в системах HIPPS без істотних модифікацій, зокрема, посадкового місця клапана й ущільнювального елемента, щоб пристосувати його для високих рівнів тиску, які, як правило, є в трубопроводі. Рішення проблеми Задачею винаходу є запропонувати клапан, в якому, якщо клапан необхідно закрити, завжди є сила приведення в дію. Суть винаходу Винаходом пропонується, щоб на поверхню керувального елемента, протилежну його керувальній поверхні, впливав тиск текучого середовища, що знаходиться нижче по потоку, у результаті чого цей тиск штовхає закривний елемент у положення закривання. У системі HIPPS, що відповідає винаходу, засобом приведення в дію, що закриває двопозиційний клапан, є збільшення тиску самого текучого середовища, що знаходиться нижче за його потоком. У переважній системі HIPPS, що відповідає винаходу, виконавчий механізм встановлений усередині корпуса. У такій системі HIPPS виконавчий механізм захищений від тиску й іншого впливу зовнішнього середовища, зокрема, в сферах застосування під водою і на морському дні. Як альтернатива, наприклад, у поплавцевих клапанах, виконавчий механізм може бути встановлений зовні корпуса. У такій системі HIPPS канал у переважному випадку оточує виконавчий механізм. У двопозиційному клапані, якщо канал оточує виконавчий механізм, то у внутрішньому корпусі тиск, по суті, збалансований. Як альтернатива, канал може бути утворений поруч з виконавчим механізмом, щоб уникнути спрацювання внутрішнього корпуса. У ще одній переважній системі HIPPS, що відповідає винаходу, керувальний елемент являє собою поршень гідравлічного виконавчого механізму. Така система HIPPS є переважною, зокрема, при великих діаметрах. 1 UA 116180 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В альтернативній переважній системі HIPPS, що відповідає винаходу, керувальний елемент являє собою циліндричний стакан гідравлічного виконавчого механізму. Така система HIPPS є переважною, зокрема, при менших діаметрах. У ще одній переважній системі HIPPS, що відповідає винаходу, у положення закривання закривний елемент штовхає пружина. Такі додаткові пружини передбачені звичайними стандартами для систем HIPPS, щоб сприяти закриванню клапана. У ще одній переважній системі HIPPS, що відповідає винаходу щонайменше один датчик визначає положення закривного елемента. Включення датчика до складу двопозиційного клапана забезпечує відстеження стану системи HIPPS. У ще одній переважній системі HIPPS, що відповідає винаходу, закривний елемент має отвір, що забезпечує проходження текучого середовища від випускання через закривний елемент до задньої поверхні керувального елемента. Отвір, утворений у закривному елементі, забезпечує найбільш простий зв'язок випуску клапана з простором у внутрішньому корпусі. Винаходом також пропонується спосіб роботи такої системи HIPPS у лінії подачі текучого середовища, у якому впливають тиском на поверхню керувального елемента, протилежну керувальній поверхні, таким чином, щоб тиск текучого середовища нижче по потоку штовхав закривний елемент у положення закривання. Спосіб, що відповідає винаходу, можна виконувати з використанням раніше описаної системи HIPPS, і він має ті ж переваги. Переважні варіанти реалізації винаходу Далі пристрій, що відповідає винаходу, і зв'язаний з ним спосіб будуть описані більш детально зі звертанням до переважних варіантів його реалізації, проілюстрованим на кресленнях. На Фіг. 1 схематично показана перша система HIPPS, що відповідає винаходу, на Фіг. 2 схематично показаний двопозиційний клапан цієї системи HIPPS, на Фіг. 3а, 3b двопозиційний клапан схематично показаний у відкритому і закритому положеннях, на Фіг. 4а, 4b у зазначених положеннях показаний двопозиційний клапан другої системи HIPPS, що відповідає винаходу, на Фіг. 5 показані конструктивні елементи цього двопозиційного клапана, на Фіг. 6а, 6b у зазначених положеннях показаний двопозиційний клапан третьої системи HIPPS, що відповідає винаходу, і на Фіг. 7 показані конструктивні елементи цього двопозиційного клапана. На Фіг. 1 показана перша система HIPPS 1, що відповідає винаходу: перша система HIPPS 1 має двопозиційний клапан 2 для встановлення в лінії подачі текучого середовища, гідравлічний виконавчий механізм 3, убудований у двопозиційний клапан 2, і блок 4 подачі гідравлічного середовища. Інші загальновідомі елементи першої системи HIPPS 1, а саме, датчик, що вимірює тиск текучого середовища, що протікає через двопозиційний клапан 2, нижче по потоку, і логічний пристрій, призначений для інтерпретації даних, що надійшли від датчика, не показані. Блок 4 подачі гідравлічного середовища має резервуар 5 низького тиску і резервуар 6 високого тиску для гідравлічного текучого середовища, насос 7 для гідравлічного текучого середовища, розташований між резервуаром 5 низького тиску і резервуаром 6 високого тиску, клапан 8 з конструкцією 3/2, що з'єднує або резервуар 5 низького тиску, або резервуар 6 високого тиску з гідравлічним виконавчим механізмом 3 через гідравлічну лінію 9. Клапан 8 з конструкцією 3/2 приводиться в дію логічним пристроєм. Двопозиційний клапан 2, детально показаний на Фіг. 1, має корпус 10, що має впуск 11 і випуск 12, а також канал 13 для проходження текучого середовища від впуску 11 до випуску 12. Також двопозиційний клапан 2 має закривний елемент 14 у формі чаші, що виконаний з можливістю осьового переміщення в напрямку від впуску 11 до випуску 12, з положення відкривання в положення закривання. Закривний елемент 14 є частиною внутрішнього корпуса 15, що розташований у корпусі 10, усередині якого встановлений гідравлічний виконавчий механізм 3, і який оточений каналом 13. Між циліндричною бічною стінкою 16 закривного елемента 14 і опорними областями 17 на внутрішньому корпусі 15 і корпусі 10 забезпечене ущільнення, що допускає переміщення без утрати герметичності. Основа 18 закривного елемента 14 має отвір 19, що забезпечує проходження текучого середовища від випуску 12 через закривний елемент 14 до задньої поверхні 20 керувального елемента. Циліндричний стакан 21 гідравлічного виконавчого механізму 3 прикріплений до внутрішнього корпуса 15, у той час як рухомий поршень 22, який утворює керувальний елемент 23, усередині циліндричного стакана 21 з'єднаний із закривним елементом 14 з'єднувальним 2 UA 116180 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стрижнем 24. Керувальний елемент 23 має керувальну поверхню 25, яка повернута до циліндричної кришки 26 гідравлічного виконавчого механізму 3. Двопозиційний клапан 2 додатково має пружину 27, установлену між циліндричною кришкою 26 гідравлічного виконавчого механізму 3 і закривним елементом 14, що служать їй опорами. В активному стані блока 4 подачі гідравлічного середовища усередині гідравлічного виконавчого механізму 3 виникає керувальний тиск, який утворює керувальну силу, що діє на керувальну поверхню 25, що тягне закривний елемент 14 у положення відкривання, як показано на Фіг. 3а: канал 13 стає відкритим від впуску 11 до випуску 12, дозволяючи текучому середовищу проходити по лінії подачі текучого середовища. У внутрішньому корпусі 15 тиск текучого середовища за потоком нижче випуску 12 утворює закривну силу, що діє на задню поверхню 20 керувального елемента 23. Якщо говорити точніше, закривна сила пропорційна перевищенню площі видимих поверхонь рухомих частин, тобто, керувальний елемента 23 і закривний елемента, якщо дивитися з боку впуску 11, над площею їхніх же видимих поверхонь, якщо дивитися з боку випуску 12. У будь-який момент часу, коли сума закривної сили і сили пружини починає перевищувати керувальну силу, закривна сила штовхає закривний елемент у положення закривання, як показано на Фіг. 3b: керувальний елемент 23 закриває канал 13 і перешкоджає проходженню текучого середовища по лінії подачі текучого середовища. У пасивному стані блока 4 подачі гідравлічного середовища, коли керувальний тиск скинутий на керувальній поверхні 25, закривний елемент 14, таким чином, штовхається в положення закривання. Крім того, закривний елемент 14 також штовхається в положення закривання при впливі на керувальну поверхню 25 керувального тиску в тому випадку, коли тиск нижче по потоку перевищує аварійний рівень закривання, заданий керувальним тиском блока 4 подачі гідравлічного середовища, а також силою пружини. На Фіг. 4а і 4b показаний другий двопозиційний клапан 28 іншої системи HIPPS, що відповідає винаходу. Другий двопозиційний клапан 28 має, по суті, ті ж особливості, що і перший двопозиційний клапан 2, описаний раніше, а також має розмір фланця 48 дюймів (1,22 м). Основа 29 закривного елемента 30 являє собою колесо зі спицями і пригвинчена до циліндричної бічної стінки 31. На Фіг. 4а другий двопозиційний клапан 28 показаний у відкритому положенні, а на Фіг. 4b - у закритому положенні. На Фіг. 5 детально показані гідравлічний виконавчий механізм 32 і закривний елемент 30 другого двопозиційного клапана 28. На Фіг. 6а і 6b показаний третій двопозиційний клапан 33 ще однієї системи HIPPS, що відповідає винаходу. Третій двопозиційний клапан 33, у принципі, схожий на другий двопозиційний клапан 28, але має розмір фланця усього лише 6 дюймів (152,4 мм). Зрозуміло, інші системи HIPPS, що відповідають винаходу, можуть мати двопозиційні клапани з будь-яким розміром фланця в діапазоні між цими двома крайніми значеннями. На Фіг. 6а третій двопозиційний клапан 33 показаний у відкритому положенні, а на Фіг. 6b - у закритому положенні. На Фіг. 7 детально показані гідравлічний виконавчий механізм 34 і закривний елемент 35 третього двопозиційного клапана 33. У третьому двопозиційному клапані 33 поршень 36 гідравлічного виконавчого механізму 34 прикріплений до внутрішнього корпуса 37, і гідравлічна лінія 38, таким чином, убудована в шток 39 поршня. Циліндричний стакан 40, який утворює керувальний елемент 41, є рухомим і пригвинчений до циліндричної бічної стінки 42 закривного елемента 35. Між штоком 39 поршня і закривним елементом 35, що служать їй опорами, установлена пружина 43. Третій двопозиційний клапан 33 додатково має постійний магніт 44, прикріплений до закривного елементу 35, і дві вимірювальні головки 45 для визначення положення постійного магніту 44 і, таким чином, закривного елемента 35. Креслення є спрощеними, і, зокрема, не показані ущільнення. На кресленнях: 1 - Система HIPPS 2 - Двопозиційний клапан 3 - Гідравлічний виконавчий механізм 4 - Блок подачі гідравлічного середовища 5 - Резервуар низького тиску 6 - Резервуар високого тиску 7 - Насос 8 - Клапан з конструкцією 3/2 9 - Гідравлічна лінія 10 - Корпус 11 - Впуск 3 UA 116180 C2 5 10 15 20 25 30 12 - Випуск 13 - Канал 14 - Закривний елемент 15 - Внутрішній корпус 16 - Бічна стінка 17 - Опорна область 18 - Основа 19 - Отвір 20 - Задня поверхня 21 - Циліндричний стакан 22 - Поршень 23 - Керувальний елемент 24 - З'єднувальний стрижень 25 - Керувальна поверхня 26 - Циліндрична кришка 27 - Пружина 28 - Двопозиційний клапан 29 - Основа 30 - Закривний елемент 31 - Бічна стінка 32 - Гідравлічний виконавчий механізм 33 - Двопозиційний клапан 34 - Гідравлічний виконавчий механізм 35 - Закривний елемент 36 - Поршень 37 - Внутрішній корпус 38 - Гідравлічна лінія 39 - Шток поршня 40 - Циліндричний стакан 41 - Керувальний елемент 42 - Бічна стінка 43 - Пружина 44 - Постійний магніт 45 - Вимірювальна головка 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 60 1. Система підвищеної надійності для захисту від перевищення тиску (HIPPS) (1) для лінії подачі текучого середовища, яка містить: - двопозиційний клапан (2, 28, 33), оснащений корпусом (10), що має впуск (11) і випуск (12), а також канал (13) для проходження текучого середовища від впуску (11) до випуску (12), і оснащений закривним елементом (14, 30, 35), виконаним з можливістю осьового переміщення в напрямку від впуску (11) до випуску (12) з положення відкривання в положення закривання, причому в положенні відкривання закривний елемент (14, 30, 35) відкриває канал (13) для згаданого проходження, і в положенні закривання закривний елемент (14, 30, 35) закриває канал (13), щоб не допустити згаданого проходження; - гідравлічний виконавчий механізм (3, 32, 34), який має керувальний елемент (23, 41), який кінематично зв'язаний із закривним елементом (14, 30, 35); - перемикальний блок (4) подачі гідравлічного середовища, що в активному стані утворює керувальний тиск на керувальній поверхні (25) керувального елемента (23, 41), а в пасивному стані скидає керувальний тиск на керувальній поверхні (25); - датчик, який вимірює тиск текучого середовища за потоком нижче випуску (12); і - логічний пристрій, який: порівнює тиск, нижче по потоку, з критичним значенням, перемикає блок (4) подачі гідравлічного середовища в активний стан, щоб перемістити закривний елемент (14, 30, 35) у положення відкривання, чи щоб він залишався в цьому положенні, у будь-який момент часу, коли тиск, нижче по потоку, менший критичного значення, і перемикає блок (4) подачі гідравлічного середовища в пасивний стан, щоб закривний елемент (14, 30, 35) залишався в положенні закривання, у будь-який момент часу, коли тиск, нижчий потоку, перевищує критичне значення, 4 UA 116180 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 яка відрізняється тим, що на поверхню керувального елемента (23, 41), протилежну керувальній поверхні (25), впливає тиск текучого середовища, що знаходиться нижче по потоку, у результаті чого цей тиск штовхає закривний елемент (14, 30, 35) у положення закривання. 2. Система HIPPS (1) за попереднім пунктом, яка відрізняється тим, що виконавчий механізм встановлений усередині корпуса (10). 3. Система HIPPS (1) за попереднім пунктом, яка відрізняється тим, що канал (13) оточує виконавчий механізм. 4. Система HIPPS (1) за будь-яким з попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що керувальний елемент (23) являє собою поршень (22) гідравлічного виконавчого механізму (3, 32). 5. Система HIPPS (1) за будь-яким з пунктів 1-3, яка відрізняється тим, що керувальний елемент (41) являє собою циліндричний стакан (40) гідравлічного виконавчого механізму (3, 34). 6. Система HIPPS (1) за будь-яким з попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що наявна пружина (27, 43), що штовхає закривний елемент (14, 30, 35) у положення закривання. 7. Система HIPPS (1) за будь-яким з попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що наявний щонайменше один датчик для визначення положення закривного елемента (14, 30, 35). 8. Система HIPPS (1) за будь-яким з попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що закривний елемент (14, 30, 35) має отвір (19), що забезпечує проходження текучого середовища від випуску (12) через закривний елемент (14, 30, 35) до задньої поверхні (20) керувального елемента (23, 41). 9. Спосіб роботи системи підвищеної надійності для захисту від перевищення тиску (HIPPS) (1) у лінії подачі текучого середовища, причому система HIPPS (1) містить двопозиційний клапан (2, 28, 33), оснащений корпусом (10), що має впуск (11) і випуск (12), а також канал (13) для проходження текучого середовища від впуску (11) до випуску (12), і оснащений закривним елементом (14, 30, 35), виконаним з можливістю осьового переміщення від впуску (11) до випуску (12) з положення відкривання в положення закривання, причому в положенні відкривання закривний елемент (14, 30, 35) відкриває канал (13) для згаданого проходження, і в положенні закривання закривний елемент (14, 30, 35) закриває канал (13), щоб не допустити згаданого проходження, а також містить гідравлічний виконавчий механізм (3, 32, 34), що має керувальний елемент (23, 41), який кінематично зв'язаний із закривним елементом (14, 30, 35), і цей спосіб включає наступні етапи: - в активному стані утворюють керувальний тиск на керувальній поверхні (25) керувального елемента (23, 41), а в пасивному стані скидають керувальний тиск на керувальній поверхні (25); - вимірюють тиск текучого середовища по потоку нижче випуску (12); - порівнюють тиск нижче по потоку з критичним значенням; - перемикають гідравлічний виконавчий механізм (3, 32, 34) в активний стан, щоб утримувати закривний елемент (14, 30, 35) у положенні відкривання, у будь-який момент часу, коли тиск нижче по потоку менший критичного значення; і - перемикають гідравлічний виконавчий механізм (3, 32, 34) у пасивний стан, щоб перемістити закривний елемент (14, 30, 35) у положення закривання або утримувати його в цьому положенні, у будь-який момент часу, коли тиск нижчий потоку перевищує критичне значення, який відрізняється тим, що впливають згаданим тиском, наявним нижче по потоку, на поверхню керувального елемента (23, 41), протилежну керувальній поверхні (25), у результаті чого цей тиск текучого середовища нижче по потоку штовхає закривний елемент (14, 30, 35) у положення закривання. 5 UA 116180 C2 6 UA 116180 C2 7 UA 116180 C2 8 UA 116180 C2 9 UA 116180 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10