мембранный клапан и разрывная мембрана для клапана

Формула изобретения

1. Мембранный клапан, содержащий кольцеобразной формы корпус с выбранным со стороны торца по внутренней поверхности углублением, в котором установлен шибер с возможностью одностороннего выхода из углубления под воздействием перепада давлений рабочих смесей, действующих на шибер с двух сторон, и закрепленная на кольце разрывная мембрана, герметично изолирующая в исходном состоянии рабочие смеси друг от друга, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен ножом с внутренней кромкой, режущей мембрану при движении шибера, который выполнен со смещенными относительно оси симметрии полуосями, входящими в выполненные в корпусе ответные пазы, при этом дно углубления в кольце выбрано от одного паза до другого по меньшей образующей внутренней части поверхности кольца.

2. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что нож выполнен в виде кольца с внутренней режущей кромкой в виде заостренных зубьев.

3. Разрывная мембрана клапана с шибером, содержащая разрывную пленку, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена эластичной уплотнительной прокладкой с разрезом по контуру шибера, выполненным так, что в исходном состоянии разрезанные части плотно прилегают друг к другу.

4. Мембрана по п.3, отличающаяся тем, что разрез уплотнительной прокладки смещен относительно наружного контура шибера на величину большую, чем зазор между корпусом и шибером.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к области устройств для трубопроводной арматуры, а именно к предохранительным клапанам с разрушаемым элементом, которые могут быть использованы в системах подслойного пожаротушения в резервуарах с легко воспламеняющейся жидкостью (ЛВЖ), например с нефтью.

Известно мембранное предохранительное устройство (Описание к авторскому свидетельству СССР N 1758327, МКИ⁶: F 16 K 17/16, опубл. 30.06.92, Бюл. N 32), содержащее установленную в гнездо хлопающую мембрану, снабженную герметизирующей коррозионно-стойкой пленкой, резьбовое кольцо и размещенную в корпусе опорную втулку, ограничивающую перемещение мембраны.

Мембранное предохранительное устройство срабатывает при избыточном давлении рабочей смеси. При повышении давления рабочей смеси до давления срабатывания мембраны она теряет устойчивость и потоком рабочей среды уносится в трубопровод. Недостатком такой конструкции, затрудняющей использование ее в качестве клапана для трубопроводной арматуры в системах пожаротушения, является то, что оторванная мембрана, перекрыв сечение трубопровода, может послужить причиной отказа системы пожаротушения.

Известен мембранный клапан (Рекламный проспект на разрывную мембрану фирмы "SES-ENSER Engineering" (Италия), содержащий корпус из двух колец, между которыми закреплена разрывная мембрана; мембрана выполнена трехслойной и состоит из двух слоев металлической фольги в виде купола, по периметру каждого из которых выполнены просечки с чередующимися перемычками, за счет которых она прикрепляется к корпусу, между слоями фольги расположена тефлоновая прокладка.

Мембрана устанавливается в трубопроводе, подключенном к резервуару, так, что ее выпуклая часть обращена к резервуару. В исходном состоянии за счет куполообразной формы клапан выдерживает давление, создаваемое объемом нефти в резервуаре. В рабочем состоянии, когда в трубопровод закачивается рабочая смесь, например пена, под давлением, превосходящим давление в резервуаре, перемычки в фольге и прокладка мембраны разрываются и пена поступает в резервуар. Увлекаемые потоком пены куполообразные элементы, отрываясь, могут перекрыть проходное сечение трубопровода, препятствуя поступлению пены в резервуар.

Клапан достаточно сложен в изготовлении, так как требует специальных вытяжных и просечных штампов для изготовления купола и просечек по периметру.

Клапан не обладает достаточной надежностью. В исходном состоянии прокладка под действием изменяющегося давления жидкости в резервуаре начинает колебаться, приходит в движение и от соприкосновения с острыми краями просечки может прорваться, что приведет к вытеканию нефти из резервуара и возникновению пожароопасной ситуации.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является клапан пеноблокирующий мембранный FSM (Рекламный проспект на клапаны пеноблокирующие мембранные FSM-50/300 фирмы "Svenska Skum AB, опубл. февр. 1993"), который содержит корпус, выполненный в виде металлического кольца, в торцевой поверхности которого выполнено углубление по всей внутренней поверхности. В это углубление установлен шибер, представляющий собой металлический круг, разрезанный по параллельным секущим линиям сквозными прорезями на три примерно равновеликие площади. Образовавшееся дно углубления обеспечивает движение шибера только в одну сторону. На торцевые поверхности кольца и шибера приклеена разрывная мембрана, состоящая из слоя полимерного материала с кордом и тефлоновой пленки, при этом полимерный материал имеет не замкнутую по контуру шибера прорезь. Клапан FSM может быть смонтирован внутри или снаружи резервуара на конечном участке линии подачи пены. Клапан зажимается между свободным фланцем и торцевым фланцем трубы подачи пены или между двумя фланцами в линии подачи пены.

В случае возникновения пожара в резервуаре и срабатывании системы подслойного тушения пожара, пена, выработанная пеногенератором, воздействует на шибер, а при достижении превышения давления пены над давлением столба нефти на 0,05 мПа, она выталкивает шибер из углубления. Шибер, прийдя в движение, разрывает тефлоновую пленку и зависает в потоке, удерживаемый полимерным материалом с кордом близко к горизонтальному положению. После прекращения подачи пены шибер под действием собственного веса возвращается в исходное состояние. Конструкция проста, но имеет ряд существенных недостатков.

Устройство имеет достаточную надежность срабатывания лишь только при значительном перепаде давлений рабочих смесей, что обусловлено наличием шибера и мембраны, обладающей достаточной прочностью на разрыв и герметично изолирующей в исходном состоянии рабочие смеси друг от друга.

В рабочем состоянии достаточно тяжелый шибер удерживается лишь с помощью ненадрезанной части полимерного материала с кордом, которая от воздействия турбулентного потока начинает колебаться с большой частотой. Полимерный материал, испытывая нагрузку на разрыв, может порваться, и шибер, увлекаемый потоком пены, может перекрыть сечение трубопровода полностью, что приведет к полному отказу системы пожаротушения.

Тефлоновая пленка, обладая достаточной прочностью на разрыв, при перемещении шибера разрывается не полностью, ее линия разрыва имеет произвольную форму, за счет чего открывается не более 60% площади поперечного сечения трубопровода, что подтверждено практикой использования. Частичное открытие сечения трубопровода приводит к появлению местного сопротивления потоку пены и уменьшает ее кратность, что снижает эффективность пожаротушения.

Существенным недостатком устройства является невозможность удержания обратного потока легко воспламеняющейся жидкости (например, нефти), находящейся в резервуаре. Это обусловлено тем, что при возвращении в исходное состояние части шибера совмещаются друг с другом со значительными зазорами, которые уже не закрываются разорванной тефлоновой пленкой, в результате чего через них протекает нефть. Для отсечения обратного потока в трубопроводе устанавливают обратный клапан. Существенным элементом клапана является мембрана.

Известна мембрана, используемая в предохранительном устройстве (Описание к авторскому свидетельству СССР N 1569494, МКИ⁶: F 16 K 17/16, опубл. в Бюл. N 21, от 07.06.90 г.). Мембрана выполняется толщиной 0,5 и 0,6 мм из стали марки 12Х18Н10Т. Мембрана не может быть использована в клапанах для систем подслойного пожаротушения в резервуарах с легко воспламеняющейся жидкостью (ЛВЖ), так как при разрушении ее части, увлекаемые потоком пены, могут перекрыть сечение трубопровода полностью, что приведет к полному отказу системы пожаротушения.

Известна мембрана, используемая в мембранном клапане (Рекламный проспект на разрывную мембрану фирмы "SES-ENSER Engineering" (Италия), которая выполнена трехслойной и состоит из двух слоев металлической фольги в виде купола, по периметру каждого из которых выполнены просечки с чередующимися перемычками, за счет которых она прикрепляется к корпусу клапана, а между слоями фольги расположена тефлоновая прокладка.

Мембрана достаточно сложна в изготовлении, так как требует специальных вытяжных и просечных штампов для изготовления купола и просечек по периметру.

Мембрана, являясь основным элементом, не обеспечивает клапану достаточную надежность. В исходном состоянии тефлоновая прокладка под действием изменяющегося давления жидкости в резервуаре начинает колебаться и от соприкосновения с острыми краями просечки может прорваться, что приведет к вытеканию нефти из резервуара и возникновению пожароопасной ситуации.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является мембрана, используемая в клапане пеноблокирующем мембранном (Рекламный проспект на клапаны пеноблокирующие мембранные FSM-50/300 фирмы "Svenska Skum AB, опубл. февр. 1993 г."), состоящая из слоя полимерного материала с кордом и тефлоновой пленки, при этом полимерный материал имеет не замкнутую по контуру шибера прорезь.

При возвращении клапана в исходное состояние части полимерного материала с кордом совмещаются друг с другом со значительными зазорами, которые уже не закрываются тефлоновой пленкой, в результате чего через них протекает нефть. Для отсечения обратного потока в трубопроводе необходимо устанавливать обратный клапан.

Задачей изобретений является разработка мембранного клапана, способного надежно срабатывать при минимальном перепаде давлений рабочих смесей и открывать максимально площадь проходного сечения трубопровода в рабочем положении, а также надежно перекрывать сечение трубопровода при возвращении клапана в исходное состояние.

Для решения поставленной задачи мембранный клапан, так же как и прототип, содержит кольцеобразной формы корпус с выбранным со стороны торца углублением, в котором установлен шибер с возможностью одностороннего выхода из углубления под воздействием перепада давлений рабочих смесей, действующих на шибер с двух сторон, и закрепленная на кольце и шибере разрывная мембрана, герметично изолирующая в исходном состоянии рабочие смеси друг от друга.

В отличие от прототипа он дополнительно снабжен ножом с внутренней кромкой, режущей мембрану при движении шибера, который выполнен со смешенными относительно оси симметрии полуосями, входящими в ответные пазы, выполненные в корпусе, при этом дно углубления в корпусе выбрано от одного паза до другого по меньшей образующей внутренней части поверхности корпуса.

Предложенная конструкция шибера, за счет крепления его на дополнительно введенных полуосях, обеспечивает ему возможность поворота относительно осей, позволяет надежно порвать мембрану и встать в положение наименьшего сопротивления потоку закачиваемой рабочей смеси, обеспечив тем самым открытие максимального сечения трубопровода. Наличие ответных пазов в корпусе для крепления полуосей шибера позволяет удерживать шибер в рабочем положении, исключив возможность выпадения его из корпуса.

Клапан надежно срабатывает при минимальном перепаде давлений рабочих смесей, вследствие того, что полуоси шибера, смещенные относительно оси симметрии, делят его на две неравные части. Благодаря этому достаточно небольшого перепада давлений рабочих смесей по разные стороны от клапана, чтобы обеспечить поворот шибера вокруг своих полуосей и разорвать мембрану, так как величина силы давления прямо пропорциональна площади, к которой она приложена.

Но при своем движении шибер не в состоянии обеспечить разрыв мембраны равномерно по всему сечению трубопровода для того, чтобы полностью его открыть.

Для решения этой проблемы в устройство дополнительно введен нож. Нож, используемый в клапане, позволяет снизить сопротивление движению шибера и равномерно разрезать мембрану. Движущийся шибер продавливает мембрану через внутреннее сечение ножа, режущая кромка которого равномерно ее разрезает, повторяя ее контур. Благодаря этому сечение трубопровода полностью открывается, не препятствуя прохождению пены. Использование предложенной конструкции шибера и дополнительно введенного ножа позволило обеспечить максимальное открытие сечения трубопровода в рабочем состоянии.

Предложенная конкретная форма выполнения ножа с внутренней режущей кромкой в виде заостренных зубьев облегчает разрезание пленки за счет многочисленных заостренных лезвий, протыкающих пленку. Конструкция технологична в изготовлении, так как нож может быть изготовлен методом штамповки из металлического листа.

Предложенная конструкция мембраны в виде разрывной пленки, с дополнительной эластичной уплотнительной прокладкой, разрезанной по контуру шибера так, что в исходном состоянии разрезанные части плотно прилегают друг к другу, обеспечивает необходимую прочность мембраны, так как предотвращает порыв пленки, исключая соприкосновение ее с острыми стенками металлического корпуса при колебаниях, вызванных изменением силы давления нефти со стороны резервуара.

Прокладка придает клапану дополнительные положительные свойства, так как при возвращении клапана в исходное состояние разрезанные части уплотнительной прокладки, приклеенные к корпусу и шиберу, плотно прилегают друг к другу и прижимаются силой давления столба нефти резервуара, не давая ей вытекать из трубопровода.

Выполнение разреза смещенным относительно наружного контура шибера на величину, большую, чем зазор между корпусом и шибером, позволяет, закрыв зазор между корпусом и шибером при возвращении шибера в исходное положение, обеспечить необходимую герметичность перекрытия полости трубопровода, заполненного нефтью. Следовательно, надежно предотвратить вытекание обратного потока нефти и тем самым исключить применение обратного клапана, обычно используемого для этих целей.

Далее изобретение поясняется примером конкретного выполнения.

На фиг. 1 схематично представлен мембранный клапан в разрезе. На фиг.2 дан вид А клапана.

Мембранный клапан, представленный на фиг. 1, 2, содержит кольцеобразной формы корпус 1 из коррозионно-стойкого материала или металла с коррозионно-стойким покрытием; в корпусе 1 с внутренней торцевой поверхности выполнено углубление 2, в котором установлен шибер 3, в виде металлической круглой пластины, которая имеет полуоси 4 (см. фиг.2), смещенные относительно оси симметрии шибера 3 примерно на половину радиуса шибера 3, в корпусе 1 выполнены ответные пазы 5 (см. фиг.2), в которые входят полуоси 4, относительно которых шибер 3 имеет возможность одностороннего поворота благодаря тому, что дно углубления в корпусе выбрано от одного паза 5 до другого по меньшей образующей внутренней части поверхности корпуса 1; мембрана 6 состоит из разрывной пленки 7, выполненной из фторопласта, и резиновой прокладки 8, которая имеет разрез 9, выполненный радиусом, равным радиусу шибера 3, но смещенный относительно шибера 3 на величину зазора между шибером 3 и корпусом 1, при этом резиновая прокладка 8 приклеивается к поверхности шибера 3 и торцевой поверхности корпуса 1 так, что в исходном состоянии разрезанные части плотно прилегают друг к другу; нож 10 установлен за мембраной 6.

Нож 10 выполнен способом штамповки из металлического листа в виде плоского ножа с касающимися друг друга углублениями полукруглой формы. Для исключения прорезания мембраны 6 в исходном состоянии, между ножом 10 и разрывной пленкой 7 мембраны 6 проложена прокладка 11 из паронита, предотвращающая соприкосновение мембраны 6 с режущей кромкой ножа 10 в исходном состоянии.

Нож 10 может быть выполнен кольцеобразной формы, по внутренней поверхности которой на некотором расстоянии от края вырезают заостренные зубья любой формы. За счет удаления зубьев от поверхности разрывной пленки 7 мембраны 6 острые зубья ножа 10 не касаются разрывной пленки 7 в исходном состоянии и прорезают разрывную пленку 7 мембраны 6 только в рабочем состоянии при движении шибера 3 и натягивании пленки 7 на зубья ножа 10.

Клапан с помощью шпилек 12 и гаек 13 закрепляют между фланцами 14, расположенными на трубопроводе 15 так, что клапан мембраной 6 обращен в сторону резервуара (на фиг.1 не показан), а шибером 3 к пеногенератору (на фиг.1 не показан). Для герметичности между клапаном и фланцами 14 помещены уплотнительные прокладки 16,17 аналогичные прокладке 11.

Мембранный клапан используют следующим образом.

В исходном состоянии клапан, закрепленный между фланцами 14, герметично закрывает трубопровод 15, подсоединенный к резервуару с ЛВЖ. При включении пеногенератора поступающая под давлением пена движется на клапан, воздействует на шибер 3, который начинает поворачиваться, так как для поворота шибера 3 со смещенными полуосями 4 достаточно небольшого перепада давлений рабочих смесей по разные стороны от клапана, в силу того, что величина силы давления прямо пропорциональна площади, к которой она приложена. Поворачиваясь, шибер 3 при своем движении натягивает пленку 7 мембраны 6, и, вдавливая ее в полость ножа 10, натягивает ее на зубья ножа. Зубья ножа 10 прорезают мембрану 6, а шибер 3 потоком пены устанавливается в горизонтальное положение, открывая максимально сечение трубопровода. Пена поступает в резервуар, где, всплывая на поверхность нефти, тушит пожар. В случае прекращения подачи пены, давление с одной стороны на шибер 3 резко падает, шибер 3 начинает возвращаться в исходное положение под воздействием собственного веса и перепада давлений рабочих смесей по разные стороны от клапана. Разрезанные части уплотнительной прокладки 8, плотно совмещаясь друг с другом под давлением нефти, прижимаются к поверхности корпуса 1 и шибера 3 и не позволяют вытекать нефти из резервуара, выполняя функцию обратного клапана.

Таким образом, предложенная конструкция клапана позволяет надежно срабатывать ему при минимальном, примерно 0,02 мПа, превышении рабочего давления со стороны пеногенератора и открывать максимально площадь проходного сечения трубопровода в рабочем положении, а также надежно перекрывать сечение трубопровода при возвращении его в исходное состояние, исключив необходимость использования для этой цели обратного клапана. Благодаря этому клапан при использовании его в системах подслойного пожаротушения обеспечивает высокую эффективность пожаротушения.