Автомат аварийного закрытия крана запорной арматуры магистрального газопровода

Изобретение относится к арматуростроению и предназначено для использования в газовой промышленности при транспортировке газов по магистральным газопроводам для автоматического перекрытия газопровода в случае возможных разрывов и утечек газа. Автомат содержит систему управления краном, включающую пневмогидропривод, манометр и помещенный в корпус пневмоцилиндр с чувствительным элементом, элементом перепускания газа и дроссельным узлом. Пневмоцилиндр выполнен в виде поршня с кольцевой проточкой и разделен внутри на две рабочие полости. Одна полость пневмоцилиндра сообщена с газопроводом, а вторая - с полостью сравнения давлений, сформированной внутри монолитного металлического корпуса, в который помещен пневмоцилиндр. Элемент перепускания газа выполнен в виде единого центрального сквозного отверстия поршня, в котором со стороны полости, сообщающейся с газопроводом, установлен во втулке дроссельный узел. Последний выполнен в виде последовательно соосно установленных двух дросселей, один из которых выполнен по типу дросселя постоянного сечения и обращен к наружному концу поршня, а второй - щелевой конический дроссель. Изобретение направлено на повышение надежности за счет исключения ложного срабатывания устройства при упрощении конструкции и уменьшении габаритов и массы. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано в газовой промышленности при транспортировке газов по магистральным газопроводам для автоматического перекрытия газопровода в случае возможных разрывов и утечек газа.

Известны устройства - автоматы аварийного закрытия крана (ААЗК) запорной арматуры магистрального газопровода, включающие в себя устройство для управления приводом запорного органа на газопроводе и датчики, реагирующие на изменение скорости падения давления или на изменение скорости потока газа,

как отечественной разработки:

- авторское свидетельство SU №189271 «Автомат для управления выключением газопровода при его повреждении», дата приоритета 03.08.1961 г.,

- авторское свидетельство SU №1048219 «Устройство для аварийного перекрытия трубопровода», дата приоритета 04.09.1981 г.,

- патент SU на изобретение №1712718 «Устройство для перекрытия трубопровода», дата приоритета 31.10.1989 г.,

- патент SU на изобретение №1787228 «Автомат аварийного отключения газопровода при его повреждении», дата приоритета 04.04.1991 г.,

- патент RU на изобретение №2029191 «Автомат аварийного отключения газопровода при его повреждении», дата приоритета 29.04.1992 г.,

- патент RU на изобретение №2138720 «Автомат аварийного отключения газопровода», дата приоритета 14.07.1998 г.,

- патент RU на изобретение №2208730 «Автомат аварийного закрытия крана на магистральных газопроводах», дата приоритета 03.01.2001 г.,

так и зарубежной разработки:

- патент DE на изобретение №3114359 «Защитное устройство для газовых установок», дата приоритета 09.04.1981 г.,

- патент DE на изобретение №3818859 «Предохранительное отсекающее устройство», дата приоритета 03.06.1988 г.

Известен также автомат аварийного закрытия крана изготовителя АО «Уфимское приборостроительное производственное объединение», http://www.uppo.ru/production/nefteprod/aazk/, дата обращения 29.06.2016 г.; журнал «Территория Нефтегаз», №5, 2008 г., с. 54-56, интернет-ссылка http://www.neftegas.info/upload/uf/aal/aalf5fle78e0be173a3c94eb77254 04f.pdf, дата обращения 29.06.2016 г. Автомат содержит пилот, блок управления пневмогидроприводом, распределитель и рычаг. Все узлы устройства расположены на плите и закрыты кожухом. Пилот ААЗК предназначен для выдачи механического импульса на рычаг при аварийной скорости падения давления в газопроводе. Рычаг механически связан с блоком рычагов блока управления пневмогидроприводом. Пилот автомата аварийного закрытия крана содержит пневмоцилиндр, распределитель, шток с толкателем. На корпусе пневмоцилиндра расположены регулирующий вентиль, калибровочный вентиль и запорные вентили.

Известен также автомат аварийного закрытия крана, описанный в патенте RU на изобретение №2238468. Автомат содержит 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. Поршень установлен в корпусе между первой и второй управляющими камерами и закреплен на ступенчатом штоке с кольцевой проточкой. Длина последней равна расстоянию между отверстием в корпусе, соединяющимся с емкостью для аварийного запаса газа, и отверстием в корпусе, соединяющимся с гидробаллоном закрытия крана, связанного с запорным органом на газопроводе. При этом первая управляющая камера расположена под нижним торцом крышки, а вторая управляющая камера под поршнем. В верхней части корпуса установлен защитный колпак, на котором расположен взрывозащитный выключатель.

Известно также автоматическое устройство аварийного закрытия крана (патент RU на изобретение №2282088), содержащее герметичную камеру, соединенную с трубопроводом и пневмоцилиндром с поршнем и штоком. Устройство снабжено дросселем с калиброванным отверстием и компенсирующим пневмоцилиндром. При этом в компенсирующий пневмоцилиндр, свободно сообщающийся с трубопроводом, помещен второй конец штока. Герметичная камера сообщается с трубопроводом через дроссель с калибровочным отверстием.

Однако несовершенством описанных выше последними устройств является громоздкость как по габаритам, так и по массе, что осложняет их изготовление, увеличивает затраты на материалы, а также затрудняет доставку до места эксплуатации и использование в полевых условиях. Кроме того, установка описанных выше конструкций невозможна на имеющийся у заказчика привод с блоком управления, так как данные конструкции не могут быть сопряжены с имеющимися блоками управления ввиду наличия в них штока.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является автомат аварийного закрытия запорной арматуры магистрального газопровода, описанный в патенте RU на полезную модель №16024. Автомат содержит пневмоцилиндр, разделенный чувствительным элементом на рабочие полости, и баллон сравнения. Одна полость пневмоцилиндра сообщена с газопроводом и приводом запорной арматуры, а другая - с баллоном сравнения. Чувствительный элемент выполнен в виде поршня с кольцевой проточкой и штоком, кинематически связанным с механизмом открытия крана линии подачи газа на привод запорной арматуры. В поршне выполнены перепускные каналы с установленными в них обратными клапанами, два из которых разнонаправленно соединяют между собой рабочие полости пневмоцилиндра, причем обратный клапан одного из них имеет калиброванное (дросселирующее) отверстие, а третий - одну из полостей пневмоцилиндра с пространством, образованным кольцевой проточкой поршня со стенками пневмоцилиндра.

Однако и наиболее близкий аналог имеет также достаточно громоздкое исполнение. Кроме того, данная конструкция, как и описанные выше, не защищена от ложных срабатываний.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности за счет исключения ложного срабатывания устройства при упрощении конструкции и уменьшении габаритов и массы.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в автомате аварийного закрытия крана (ААЗК) запорной арматуры магистрального газопровода, содержащем систему управления краном, включающую пневмогидропривод, манометр и помещенный в корпус пневмоцилиндр с чувствительным элементом, элементом перепускания газа и дроссельным узлом, пневмоцилиндр которого выполнен в виде поршня с кольцевой проточкой и разделен внутри на две рабочие полости, при этом одна полость пневмоцилиндра сообщена с газопроводом, а вторая - с полостью сравнения давлений, полость сравнения давлений сформирована внутри монолитного металлического корпуса, в который помещен пневмоцилиндр; элемент перепускания газа выполнен в виде единого центрального сквозного отверстия поршня, в котором со стороны полости, сообщающейся с газопроводом, установлен во втулке дроссельный узел, который выполнен в виде последовательно соосно установленных двух дросселей, один из которых выполнен по типу дросселя постоянного сечения и обращен к наружному концу поршня, а второй - щелевой конический дроссель.

Заявляется также автомат аварийного закрытия крана запорной арматуры магистрального газопровода, в котором наряду с вышеописанными признаками дроссель постоянного сечения имеет углубление для прилегания и вхождения в него щелевого конического дросселя.

Кроме того, заявляется также ААЗК с названными выше признаками, у которого на коническом участке щелевого конического дросселя выполнены канавки для прохода газа.

Заявляется также автомат аварийного закрытия крана запорной арматуры магистрального газопровода, в котором наряду с вышеописанными признаками на сторонах монолитного металлического корпуса выполнены технологические отверстия для формирования полостей в нем и жестко заблокированы заподлицо заглушками.

Кроме того, заявляется также ААЗК, у которого корпус выполнен монолитным из стали.

Технический результат заключается в том, что заявляемое устройство обеспечивает повышенные в сравнении с аналогами характеристики:

- надежность (исключает ложное срабатывание автомата),

- срок службы,

- простоту и универсальность (возможность совместимости).

Одним из отличий заявляемой конструкции является использование для защиты от ложных срабатываний автомата дроссельного узла. Сопротивление потоку газа через два дросселя, один из которых щелевого типа, мало при малой скорости движения газа через них и значительно вырастает с увеличением скорости. Это приводит к разности давлений в рабочих полостях, за счет которой перемещается поршень в сторону полости, соединенной с газопроводом, что в свою очередь открывает проход газа из ресивера - обычно это баллон аварийного запаса газа (см. Фиг. 3) через кольцевую проточку поршня и далее на закрытие привода запорного органа.

Кроме того, ряд названных приобретенных технических свойств достигнуты максимально продуманной компоновкой практически всех узлов за счет возможности поместить составные узлы вовнутрь в монолитный корпус. Размер заявляемого автомата аварийного закрытия в сравнении с аналогами, в том числе и с наиболее близким, наилучшим на сегодняшний день, значительно меньше. Уменьшение размера достигнуто в первую очередь за счет миниатюрного чувствительного элемента и выполнения полости сравнения давлений внутри общего корпуса - пилота с чувствительным элементом.

Позволил осуществить эту компоновку, приведшую к облегчению обслуживаемого газовую магистраль оборудования, как по массе, так и по габаритам, ряд конструктивных приемов, направленных как на совершенствование каждого из ряда узлов, так и на выбор новой пространственной ориентации каждого из узлов заявляемого устройства относительно других (см. дальнейшие пояснения по тексту описания в разделах, описывающих заявляемое устройство в статике и динамике).

Заявляемое техническое решение представлено на Фиг. 1-4, где позициями 1-20 обозначены узлы и детали:

Фиг. 1 - общий вид пневмоцилиндра в корпусе,

Фиг. 2 - общий вид поршня,

Фиг. 3 - схема подключения ААЗК к магистральному трубопроводу,

Фиг. 4 - фото опытного образца,

1 - пневмогидропривод,

2 - манометр,

3 - пневмоцилиндр,

4 - элемент перепускания газа,

5 - дроссельный узел,

6 - корпус,

7 - полость сравнения,

8 - поршень,

9 - кольцевая проточка,

10 - втулка,

11 - наконечник,

12 - дроссель постоянного сечения,

13 - щелевой конический дроссель,

14, 15 - заглушка отверстия,

16 - штуцер вывода на газопровод,

17 - штуцер вывода на пневмогидропривод,

18 - штуцер вывода на ресивер,

19 - ресивер,

20 - канавки,

рабочая полость А,

рабочая полость Б.

Автомат аварийного закрытия крана предназначен для выдачи пневматического сигнала на закрытие пневмогидропривода 1 при аварийной скорости падения давления в газопроводе. Автомат содержит систему управления краном, которая включает пневмогидропривод 1, манометр 2. Кроме того, в ААЗК имеется пневмоцилиндр 3, который имеет чувствительный элемент, в виде поршня с кольцевой проточкой и элемента перепускания газа 4 и с дроссельным узлом 5. Пневмоцилиндр 3 помещен в корпус 6, в котором выполнена полость сравнения 7 давлений газа. Полость сравнения 7 давлений не размещалась в корпусе 6, а выполнялась в виде отдельного баллона, соединенного с чувствительным элементом трубопроводом малого сечения или шлангом. Пневмоцилиндр 3 разделен поршнем 8 на две рабочие полости, при этом одна рабочая полость А сообщена с газопроводом, а рабочая полость Б - с полостью сравнения 7 давлений. Поршень 3 имеет кольцевую проточку 9, и в нем размещен элемент перепускания газа 4 в виде единого центрального сквозного отверстия с установленным в нем со стороны рабочей полости А втулки 10 с помещенным в ней дроссельным узлом 5 в виде последовательно соосно установленных двух дросселей и наконечника 11. Один дроссель 12 выполнен по типу дросселя постоянного сечения 12, который обращен к наружному концу поршня 8, а второй 13 по типу щелевого конического дросселя 13. Пневмоцилиндр 3 с двух сторон ограничен заглушками 14, 15, являющимися одновременно ограничителями хода поршня, при расположении его горизонтально вытянутым в верхней части корпуса 6. На корпусе 6 расположены штуцер вывода на пневмогидропривод 17 и штуцер вывода 18 на ресивер 19. В заглушку пневмоцилиндра 14 ввернут штуцер вывода на газопровод 16. Манометр 2 расположен на фронтальной стороне корпуса 6 и соединен с полостью сравнения 2 давлений. На коническом участке щелевого конического дросселя 13 выполнены канавки 20 для прохода газа. Рабочее положение корпуса 6 вертикально, при этом все штуцеры 16, 17, 18 находятся в верхней его части.

Устройство работает следующим образом.

При нормальной работе трубопровода скорость изменения давления рабочего газа обычно не превышает (0,5-1,5) атм/мин (технологический темп падения давления), а при разрыве газопровода скорость падения давления газа намного возрастает.

Сторона поршня 8 пневмоцилиндра 3, ограниченная заглушкой 14, находится под непосредственным давлением рабочего газа из магистрального газопровода, поступающего через штуцер вывода на газопровод 16. Другая сторона поршня 8 находится постоянно под давлением газа из рабочей полости А, соединенной с полостью сравнения 7, которая медленно наполняется и опорожняется через элемент перепускания газа 4 в виде осевого отверстия поршня и дроссельного узла 5, помещенный во втулку 10 и состоящий из наконечника 11, дросселя постоянного сечения 12 и щелевого конического дросселя 13.

Если скорость падения давления газа в трубопроводе находится в пределах тех значений, которые характерны для нормальной эксплуатации трубопроводов (технологическая скорость падения давления), ААЗК на это не реагирует.

Перепад давления газа при этом в пневмоцилиндре 3 незначителен, и положение деталей в ААЗК не меняется.

При скорости падения давления, равной или превышающей аварийную скорость падения давления, давление со стороны поршня 8, ограниченной заглушкой 15, падает гораздо быстрее, чем давление с другой стороны поршня 8. Таким образом, создается разница давлений, в результате чего поршень 8 пневмоцилиндра 3 перемещается до упора в заглушку 14. В результате аварийный запас газа из ресивера 19 через штуцер 18, кольцевую проточку 9 поршня 8 и штуцер вывода на пневмогидропривод 17 поступает в пневмоцилиндр привода 1, обеспечивая его срабатывание на закрытие крана магистрального газопровода.

После срабатывания устройства пневмоцилиндр пневмогидропривода 1 остается под давлением до тех пор, пока не будут произведены ремонтные работы на газопроводе.

При появлении давления газа в трубопроводе поршень 8 перемещается до упора в заглушку 15 и через элемент перепускания газа 4 медленно заполняется полость сравнения 7.

Уровень изменения давления в полости сравнения 7 численно оценивают с помощью манометра 2.

Пример

В соответствии с заявляемым техническим решением был изготовлен опытный образец ААЗК (Фиг. 4). Опытный образец устройства имеет массу порядка 7,5 кг при габаритных размерах 170×155×50 мм. Устройство функционирует от энергии давления транспортируемого газа, диапазон рабочих давлений от 3,5 до 10 МПа. Выходным сигналом для срабатывания ААЗК является скорость падения давления газа в газопроводе от 0,05 до 0,06 МПа/с.

Заявляемое устройство устойчиво к воздействию вибрации в диапазоне частот от 5 до 80 Гц с амплитудой смещения 0,1 мм для частоты до 60 Гц, с амплитудой ускорения 9,8 м/с² для частоты выше 60 Гц.

ААЗК сохраняет свою работоспособность в условиях сейсмичности до 9 баллов по 12-балльной шкале сейсмической интенсивности МSК-64 (по ГОСТ 30546.1).

Заявляемая и изготовленная промышленным образом конструкция ААЗК предназначена для эксплуатации в том числе и в сложных полевых условиях как климатических (при температуре от +40°С до -60°С в условиях российского Севера и Сибири, а также в зоне пустынь и полупустынь Каспийского региона), так и непредсказуемых условиях техногенных катастроф.

1. Автомат аварийного закрытия крана запорной арматуры магистрального газопровода, содержащий систему управления краном, включающую пневмогидропривод, манометр и помещенный в корпус пневмоцилиндр с чувствительным элементом, элементом перепускания газа и дроссельным узлом, пневмоцилиндр которого выполнен в виде поршня с кольцевой проточкой и разделен внутри на две рабочие полости, при этом одна полость пневмоцилиндра сообщена с газопроводом, а вторая - с полостью сравнения давлений, отличающийся тем, что полость сравнения давлений сформирована внутри монолитного металлического корпуса, в который помещен пневмоцилиндр; элемент перепускания газа выполнен в виде единого центрального сквозного отверстия поршня, в котором со стороны полости, сообщающейся с газопроводом, установлен во втулке дроссельный узел, который выполнен в виде последовательно соосно установленных двух дросселей, один из которых выполнен по типу дросселя постоянного сечения и обращен к наружному концу поршня, а второй - щелевой конический дроссель.

2. Автомат по п. 1, отличающийся тем, что дроссель постоянного сечения имеет углубление для прилегания и вхождения в него щелевого конического дросселя.

3. Автомат по п. 1, отличающийся тем, что на коническом участке щелевого конического дросселя выполнены канавки для прохода газа.

4. Автомат по п. 1, отличающийся тем, что на сторонах монолитного металлического корпуса выполнены технологические отверстия для формирования полостей в нем и жестко заблокированы заподлицо заглушками.

5. Автомат по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен монолитным из стали.