Клапан запобіжний

1. Клапан запобіжний, що містить фланець (корпус) з організованим сідлом з прохідним отвором та в сідлі ущільнювальними тороїдальною, циліндричною з діаметром DH щонайменше однією конічною поверхнями, запірний орган, що складається з відбивної втулки, яка має внутрішню циліндричну проточку, циліндричну і відбивну поверхні, штока та золотника щонайменше однією конічною поверхнею, на штоці установлена пружина, котра підтискує золотник до сідла, у внутрішній проточці відбивної втулки підтиснено верхньою конусною поверхнею золотника до її циліндричної поверхні, паралельної до циліндричної поверхні сідла діаметром DH, установлене пружне кільце, при цьому конус поверхні золотника виконаний під кутом в межах 20°... 10°, а зовнішній діаметр сідла DH визначається з умови: Dcp>DH>Dcp-0,3dkj де D cp - середній діаметр пружного кільця в проточці, d k - діаметр перерізу кільця, який відрізняється влена на штоці з можливістю зменшення жорсткості пружини та демпфірування під час руху запірного органа на закриття клапана, демпфірування забезпечене збільшенням висоти циліндричної поверхні відбивної втулки, що паралельна зовнішній циліндричній поверхні сідла DH, І максимально можливим близьким розташуванням відбивної конічної поверхні відбивної втулки до відбивної конічної поверхні сідла, а зменшення жорсткості пружини забезпечене зменшенням взаємодіючих конічних поверхонь сідла та золотника та відповідним зменшення зовнішнього діаметра DH, при цьому взаємодіючі відбивна конічна поверхня сідла і відбивна конічна поверхня втулки (а відповідно і конічні поверхні сідла і золотника) установлені таким чином, що утворюють мінімальний зазор (кільцевий прохід) для робочого середовища (максимально можливо наближені між собою), а взаємодіючі конічні ущільнювальні поверхні сідла та золотника відповідно зменшені на 25-30 %. 2. Клапан запобіжний за п. 1, який відрізняється тим, що направляюча втулка встановлена у фланці в місці виконання кількох прохідних отворів, котрі переходять в один прохідний, а пружин встановлено одна чи більше. 3. Клапан запобіжний за п. 1, який відрізняється тим, що до фланця з боку подачі середовища прикріплена циліндрична труба, на її кінці встановлені щонайменше два фланці, між якими розташований мембранний вузол, котрий складається з металевої мембрани і двох прокладок з більш м'якого матеріалу. СО 00 CM со тим, що клапан оснащений додатковою направляючою для штока втулкою, відбивна втулка устано Корисна модель відноситься до трубопровідного арматуробудування, може бути використана в енергетичній, хімічній і іншій галузях промисловості для захисту систем від підвищення в них тиску понад припустимий, зокрема в запобіжних клапанах, які установлюються на залізничних вагонахцистернах, на контейнерах-цистернах (залізничний, автомобільний, водяний транспорт), що транспортують зріджені вуглеводні гази чи аміак, з метою захисту від неприпустимого підвищення (перевищення) тиску й автоматичного випуску робочого середовища під час перевищення тиску відносно встановленого (заданого). Відомий клапан запобіжний DN80 англоамериканонідерландської фірми «FORT VALE» креслення 006/2***5 і 005/2***5. В фланці (корпусі) клапана виконані прохідні отвори, які переходять в один прохідний отвір, і сідло у верхній частині, що має о> 6283 конічну ущільнювальну поверхню, шток з конічним золотником, який піджимається до сідла пружиною (пружинами), закріпленою на штоку відбивною втулкою з конічною поверхнею, яка є продовженням конічної поверхні золотника, і пружний кільцевий елемент, установлений між золотником і втулкою, котрий забезпечує ущільнення. Пружини відповідають пружинам III класу розряду 2 за ГОСТ 13775 і розряду 3 за ГОСТ 13776 (стандарти Російської Федерації). В окремому випадку (чорт.005/2***5) до фланця приварена циліндрична труба з закріпленим на кінці між двома фланцями мембранним вузлом, що складається з мембрани, виконаної з нержавіючого матеріалу, і двох прокладок. При малих тисках (до 50-60% від тиску настроювання) працює ущільнення «метал по металу» при подальшому підвищенні тиску середовище проникає через металеве ущільнення і затримується пружним кільцевим ущільнювальним елементом, забезпечується герметичне «безбульбашкове» ущільнення до 90-95% установленого тиску. Відрив клапана відбувається по умовному діаметру відриву, розташованому між конічними поверхнями золотника і конічною поверхнею відбивної втулки, і залежить від температури, сили тертя, складу і властивостей середовища, що загалом впливає на роботу клапана, знижує точність спрацьовування. Використовувані (для зменшення розмірів) пружини III класу в умовах транспортування по російських дорогах, низьких негативних температур, мають малу довговічність. Тиск, який необхідний для зворотної посадки (закриття) клапана, складає не менш 90% установленого. Недоліками клапана є негерметичність при тиску рівному 100% установленого, що визначається підвищеними вимогами, які установлені для вагонів-цистерн, контейнерів-цистерн під час перевезення вантажів для додержання вимог забезпечення охорони навколишнього середовища, недостатня точність спрацьовування, малий тиск зворотної посадки, що викликає значний викид середовища в атмосферу при спрацьовуванні, низька довговічність пружин, відносно великі габаритні розміри, маса і вартість. Найближчим аналогом є клапан запобіжний [Свідоцтво на корисну модель RU №23942 U1 7 F 16 К 17/04 від 20.07.2002], що має фланець, у якому виконаний прохідний отвір із сідлом у верхній частині, що має конічну і тороїдальну ущільнювальні поверхні, шток з конічним золотником, що притискається до сідла пружиною, закріплену на штоці відбивну втулку, у внутрішній проточці якої розташоване пружне кільце, підтиснене до втулки верхньою конічною поверхнею золотника, зовнішній діаметр сідла D H вибирається з умови Dcp>DH>Dcp-0,3dk, де D cp - середній діаметр пружного кільця в проточці, підтисненого золотником; dk - діаметр перетину кільця, при цьому верхня конічна поверхня золотника виконана під кутом 20°.. .10°. Даний клапан має велику точність спрацьовування, обумовлену (визначеною) точністю виготовлення зовнішнього діаметра сідла DH, забезпечує герметичне «безбульбашкове» ущільнення при 100% установленого тиску, обумовлене (визначене) самоущільненням даної конструкції, тиск закриття - не менш 0,95 установленого, - тиск повного відкриття - не більш 1,15 установленого. Однак, для контейнерів-цистерн по міжнародних нормах вимагаються (потрібні) клапани з тиском повного відкриття - не більш 1,1 від установленого, а клапан по Свідоцтву №23942 не в повній мірі забезпечує і не з достатньою надійністю необхідний (заданий) тиск повного відкриття. Технічною задачею заявленої конструкції корисної моделі є розробка нової конструкції клапана запобіжного, який забезпечує збільшення нижньої межі тиску закриття клапана, зменшення верхньої межі тиску повного відкриття, підвищення надійності роботи при одночасному зниженні вартості і зменшенні маси і розмірів клапана за рахунок удосконалення конструкції відбивної втулки та поверхонь ущільнення сідла та золотника; також за рахунок установки центральної направляючої втулки; також за рахунок установки циліндричної трубки та мембранного вузла. Відповідно до корисної моделі поставлена задача досягається тим, що клапан запобіжний, який має фланець (корпус) з організованим сідлом з прохідним отвором та в сідлі ущільнювальними тороїдальною, циліндричною з діаметром D H та, по меншій мірі однією, конічною поверхнями, запірний орган, що складається з відбивної втулки, яка має внутрішню циліндричну проточку, циліндричну і відбивну поверхні, штока та золотника з по меншій мірі однією конічною поверхнею, на штоці установлена пружина, котра підтискує золотник до сідла, у внутрішній проточці відбивної втулки підтиснено верхньою конусною поверхнею золотника до її циліндричної поверхні, паралельної до циліндричної поверхні сідла діаметром DH установлене пружне кільце, при цьому конус поверхні золотника виконаний під кутом в межах 20°... 10°, а зовнішній діаметр сідла DH визначається за умови Dcp>DH>Dcp-0,3dk, де DCp - середній діаметр пружного кільця в проточці, dk - діаметр перетину кільця, оснащений додатковою направляючою для штока втулкою, відбивна втулка установлена на штоці з можливістю зменшення жорсткості пружини та демпфірування під час руху запірного органу на закриття клапана, демпфірування забезпечене збільшенням висоти циліндричної поверхні відбивної втулки, що паралельна зовнішній циліндричній поверхні сідла DH І максимально можливим близьким розташуванням відбивної конічної поверхні відбивної втулки до відбивної конічної поверхні сідла, а зменшення жорсткості пружини забезпечене зменшенням взаємодіючих конічних поверхонь сідла та золотника та відповідним зменшення зовнішнього діаметра DH, при цьому взаємодіючі відбивна конічна поверхня сідла і відбивна конічна поверхня втулки (а, відповідно, і конічні поверхні сідла і золотника) установлені таким чином, що утворюють мінімальний зазор (кільцевий прохід) для робочого середовища (максимально можливо наближені між собою), а взаємодіючі конічні ущільнювальні поверхні сідла та золотника 6283 відповідно зменшені на 25-30%. Крім того, направляюча втулка встановлена у фланці в місці виконання кількох прохідних отворів, котрі переходять в один прохідний, а пружин встановлено одна чи більше. Крім того, до фланця з боку подачі середовища прикріплена циліндрична труба, на її кінці встановлені щонайменше два фланці, між якими розташований мембранний вузол, котрий складається з металевої мембрани і двох прокладок з більш м'якого матеріалу. Загальні з прототипом суттєві ознаки: фланець (корпус) з організованим сідлом з прохідним отвором та в сідлі ущільнювальними тороїдальною, циліндричною з діаметром DH та, по меншій мірі однією, конічною поверхнями, запірний орган, що складається з відбивної втулки, яка має внутрішню циліндричну проточку,, циліндричну і відбивну поверхні, штока та золотника з по меншій мірі однією конічною поверхнею, на штоці установлена пружина, котра підтискує золотник до сідла, у внутрішній проточці відбивної втулки підтиснено верхньою конусною поверхнею золотника до її циліндричної поверхні, паралельної до циліндричної поверхні сідла діаметром DH, установлене пружне кільце, при цьому конус поверхні золотника виконаний під кутом в межах 20°... 10°, а зовнішній діаметр сідла DH визначається за умови Dcp>DH>Dcp-0,3dk, де D cp - середній діаметр пружного кільця в проточці, dk - діаметр перетину кільця. Відмінними суттєвими ознаками, що забезпечують отримання заданого результату є: клапан оснащений додатковою направляючою для штока втулкою, відбивна втулка установлена на штоці з можливістю зменшення жорсткості пружини та демпфірування під час руху запірного органу на закриття клапана, демпфірування забезпечене збільшенням висоти циліндричної поверхні відбивної втулки, що паралельна зовнішній циліндричній поверхні сідла DH, І максимально можливим близьким розташуванням відбивної конічної поверхні відбивної втулки до відбивної конічної поверхні сідла, а зменшення жорсткості пружини забезпечене зменшенням взаємодіючих конічних поверхонь сідла та золотника та відповідним зменшення зовнішнього діаметра DH, при цьому взаємодіючі відбивна конічна поверхня сідла і відбивна конічна поверхня втулки (а, відповідно, і конічні поверхні сідла і золотника) установлені таким чином, що утворюють мінімальний зазор (кільцевий прохід) для робочого середовища (максимально можливо наближені між собою), а взаємодіючі конічні ущільнювальні поверхні сідла та золотника відповідно зменшені на 25-30%. Розширювальними ознаками є: направляюча втулка встановлена у фланці в місці виконання кількох прохідних отворів, котрі переходять в один прохідний, а пружин встановлено одна чи більше. Як додаткові ознаки, котрі забезпечують отримання варіанту клапана запобіжного, є те, що до фланця з боку подачі середовища прикріплена циліндрична труба, на її кінці встановлені щонайменше два фланці, між якими розташований мембранний вузол, котрий складається з металевої мембрани і двох прокладок з більш м'якого матеріалу. Відмінні суттєві ознаки технічного рішення, що заявляється, разом із спільними з прототипом ознаками, забезпечують досягнення технічного результату, а саме: удосконалення конструкції клапана, його відбивної втулки та поверхонь ущільнення сідла та золотника, що забезпечило збільшення нижньої межі тиску закриття клапана, зменшення верхньої межі тиску повного відкриття, підвищення надійності роботи при одночасному зниженні вартості і зменшенні маси і розмірів клапана. На Фіг. 1 зображений загальний вид клапана запобіжного з направляючою втулкою, на Фіг.2 - те ж саме, приведене виконання клапана з мембраною; на Фіг.З - те ж саме, показаний ущільнювальний вузол А в момент початку відкриття клапана; на Фіг.4 - те ж саме, приведені характеристики залежності піднімальної сили від ходу запропонованого клапана запобіжного і прототипу; на Фіг.5 подано ущільнювальний вузол А в положенні, що відповідає першому максимуму підіймальної сили на Фіг.4; на Фіг.6, те ж саме, що на Фіг.5, але в положенні, що відповідає початку другого підйому; на Фіг.7 показано положення повного відкриття; на Фіг.8 показано положення початку збільшення підіймальної сили при зворотній посадці клапана. Клапан запобіжний складається з фланця 1 із прохідними отворами 2, які переходять в один прохідний отвір 3, сідла 4, що має конічну 5 і тороїдальну 6 ущільнювальні поверхні. В прохідному отворі 3 розташований шток 7 з конічним золотником 8, що притискається до сідла 4 пружинами 9 і 10 (чи однією пружиною) через втулку 11, регулювальною різьбовою втулкою 12 і контровочною гайкою 13. На штоці 7 закріплена відбивна втулка 14 за допомогою гайки 15. В внутрішній проточці (не позначена) відбивної втулки 14 розташоване пружне кільце 16, підтиснене до неї верхньою конічною поверхнею 17 золотника 8. Шток 7 переміщається в направляючій втулці 18, закріпленій у фланці 1. Фланець 1 має шість чи вісім приєднувальних отворів 19 для з'єднання з відповідним фланцем цистерни. Для запобігання протіків середовища на штоці 8 встановлене ущільнювальне кільце 20. Фланець 1 має циліндричний відбивний виступ 21, в окремому випадку з зовнішньою нарізаною різьбою 22. До штока 8 болтом 23 прикріплена кришка 24, котра захищає клапан від атмосферних опадів. Позицією 25 позначена зовнішня циліндрична поверхня відбивної втулки 14, а 27 і 28 - конічні відбивні поверхні сідла 4 і втулки 14, відповідно. При виконанні клапана запобіжного з мембраною (Фіг.2) до фланця 1 клапана прикріплена циліндрична труба 29 із закріпленим на кінці між фланцями ЗО і 31 мембранним вузлом, що складається з металевої мембрани 32, виготовленої в окремому випадку зі сталі 12Х18Н10Т і двох прокладок 33, виготовлених в окремому випадку з пороніту. Клапан запобіжний працює в такий спосіб. Газова фаза продукту, який перевозиться в цистерні, проходить через прохідні отвори 2 і 3 і впливає своїм тиском на золотник 8. При досяг 6283 ненні тиску 0,6 - 0,7 від номінального (Фіг.З) середовище починає проникати через ущільнення метал по металу, впливаючи на пружне кругле кільце 16. Кільце 16 деформується і втискається в зазор між зовнішньою поверхнею 25 сідла 4 і відбивною втулкою 14, відбувається самоущільнення. При досягненні тиску близькому до номінального починається підйом золотника 8 із відбивною втулкою 14 і кільцем 16, і при тиску початку відкривання, рівному 1,03 від номінального, відбувається віджим поверхні кільця 16 від зовнішньої поверхні 25 сідла 4, по діаметру якої точно розраховується тиск початку відкриття. При номінальному тиску за рахунок втиснення (вдавлювання) кільця 16 в зазор забезпечується герметичне «безбульбашкове» ущільнення. Після початку відкриття потік робочого середовища (газу) з швидкістю близькою до швидкості звуку протікає через щілину між кільцем 16 та тороїдальною поверхнею 6, повертається вертикально вниз, протікаючи вже з меншою швидкістю між циліндричними поверхнями 25 і 26, відбивається між конічними відбивними поверхнями 27 і 28, створюючи при цьому додаткову підіймальну силу. При подальшому підіймання золотника до величини щілини (зазору), до величини утворення зазору між кільцем 16 та тороїдальною поверхнею 6, рівному 2-3 величинам зазорів між циліндричними поверхнями 25 і 26 здійснюється збільшення швидкості потоку між циліндричними поверхнями 25 і 26 до швидкості близької швидкості звуку, і підіймальна сила різко збільшується. Потім, при підйомі золотника, величина потоку середовища (витрата), яка визначається величиною зазору між циліндричними поверхнями 25 і 26, залишається сталою, і зазор між відбивними поверхнями 27 і 28 зростає, а підіймальна сила при цьому дещо спадає. Потім, коли лінія перетину конічної 28 і циліндричної 26 поверхонь втулки 14 піднімається вище тороїдальною поверхні 6, зазор між ними збільшується, при цьому здійснюється збільшення потоку (витрата) робочого середовища, що рухається з швидкістю близькою до швидкості звуку, здійснюється відбивання його від конічної відбивної поверхні 28, здійснюється збільшення підіймальної сили. При подальшому підіймання золотника величина потоку збільшується, швидкість потоку в проточній частині сідла діаметром D cp збільшується до швидкості близької до швидкості звуку і спостерігається подальше збільшення підіймальної сили. Після досягнення максимальної швидкості в проточній частині сідла, при підіймання золотника, швидкість і величина потоку, що відбивається від конічної поверхні 28 зменшуються, і підіймальна сила поступово зменшується. На Фіг.4 наведені характеристики для клапанів по свідоцтву на корисну модель RU №23942 U1 7 F 16 К 17/04 від 20.07.2002 і за цією заявкою (для клапанів запобіжних DN32). Суцільними лініями зображені характеристики за цією заявкою, пунктирними - для прототипу. Різниця на початку характеристик пояснюється зменшенням зовнішнього діаметра сідла клапана. Характеристики мають проміжні явно виражені максимуми, величина пологої ділянки після них визначається висотою циліндричної поверхні відбивної втулки. Найбільша 8 висота підйому першого максимуму за заявленою корисною моделлю пояснюється наближенням конічних відбивних поверхонь сідла і втулки. Прямими лініями показані залежності зусиль пружин від ходу золотника, перераховані відносно підйомної сили при зазначеному тиску. Збільшення висоти циліндричної поверхні відбивної втулки, зсуває другий максимум на характеристиці заявленої корисної моделі вправо. Енергія удару під час закриття клапана (зворотній посадці) пропорційна площі між прямою зусилля пружини і характеристикою підйомної сили при тиску закриття Р3. Зовнішня циліндрична поверхня сідла разом з паралельно розташованою до неї збільшеною циліндричною поверхнею втулки утворюють зазор (щілину), і разом з конічними поверхнями сідла і втулки забезпечується демпфірування руху запірного органу під час закриття клапана. З порівняння характеристик видно, що енергія удару при зворотній посадці заявленого клапана запобіжного набагато нижче, і перший проміжний виступ здійснює начебто зм'якшення (демпфірування). Це дозволило зменшити величину конічних ущільнювальних поверхонь сідла і відбивної втулки, зменшити розрахунковий зовнішній діаметр сідла D H і понизити розрахункові значення зусиль пружин. Одночасно зсув другого максимуму на характеристиці заявленої корисної моделі вправо дозволив збільшити нижню межу тиску закриття клапана. В динаміці при зворотній посадці клапана, враховуючи інерційність потоку робочого середовища, збільшення підіймальної сили почнеться раніш: при перетині поверхнями сідла потоку робочого середовища і зміні напрямків його руху (див. Фіг.8), і демпфірування буде більшим (показано штрих пунктирною лінією з стрілками на Фіг.4). Зниження розрахункових значень зусиль пружин дозволило застосувати пружини І) класу, що в десятки-сотні разів збільшує довговічність пружин під час їх експлуатації на вагонах-цистернах і контейнерах-цистернах, особливо в зимовий час при низьких мінусових температурах, а також, виготовити пружини з дроту меншого діаметру, з меншою твердістю і більшою стійкістю, що загалом дозволило зменшити верхню межу тиску повного ВІДКРИТТЯ Рпо При умовному діаметрі DN 65 заявлений клапан запобіжний забезпечує 90% витрат від аналога DN 80, що достатньо для існуючих вагонівцистерн і контейнерів-цистерн. Клапан має тиск закриття Р3=0,97-1,02 PN від номінального, герметичний при PN, має тиск повного відкриття Рпо