Устройство для самогашения импульсов гидроудара в магистральных трубопроводах

Полезная модель относится к области физики, а именно - к системам управления и регулирования давления жидкостей и газов, в частности - к стабилизирующим устройствам, действующим при перегрузках, в том числе при гидравлических ударах. Технический результат - упрощение технологии изготовления и сборки, и повышение эффективности гашения пульсации давления. Устройство содержит корпус, образованный обечайкой с входным и выходным фланцами с делителем импульсов потока и разделительной оболочкой, полость между которой и обечайкой разделена перегородкой на две неравные части: прямоточную камеру меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру большего размера - у выхода из устройства. В прямоточной камере выполнены радиальные, а в вихревой камере - наклонные перфорированные отверстия. Прямоточная камера сообщена с уравнительной емкостью, образованную одной стороной размещенной между делителем и обечайкой кольцевой обоймой с аксиальными отверстиями подпружиненными с двух сторон поршнями. С другой стороны кольцевой обоймы образована напорная емкость со сквозными наклонными перфорированными отверстиями на внутренней стенке. Диаметр радиальных отверстий в наружной и внутренней стенках прямоточной камеры составляет 1,2-4 диаметра наклонных отверстий в наружной и внутренних стенках вихревой камеры при равных суммарных расходах рабочей среды через радиальные и наклонные отверстии. Указанный делитель выполнен съемным, к его наружной поверхности приварена указанная перегородка, а цилиндрические стенки вихревой камеры и напорной емкости выполнены утолщенными и образуют с выходным фланцем расширительную камеру. Кольцевая обойма состоит из двух части неравной толщины. Объем прямоточной камеры составляет не менее 1/3 суммарного объема вихревой и расширительной камер, а упомянутые углы наклона оси отверстий в вихревой камере и приняты в диапазоне 0-45°. На корпусе устройства выполнен стрелочный указатель в сторону входного фланца для ориентации устройства относительно потенциального источника ударных импульсов при установке устройства в магистральный трубопровод. Варианты поршней, использование неметаллических материалов. фиг. 2 - в бюлл, 1 н.п. ф-лы, 5 з.п. ф-лы, 14 ил.

Полезная модель относится к области физики, а именно - к системам управления и регулирования давления жидкостей и газов, в частности - к стабилизирующим устройствам, действующим при перегрузках, в том числе при гидравлических ударах.

Короткие замыкания и провалы энергоснабжения, коммутационные переключения, ошибки обслуживающего персонала и пообныет явления могут приводить к авариям с нарушением герметичности трубопровода, выходу из строя оборудования и арматуры.

Согласно эксплуатационному опыту причинами разрыва трубопроводов в 60% случаев являются гидроудары, перепады давления и вибрации, около 25% приходится на коррозионные процессы, 15% - на природные явления и форс-мажорные обстоятельства. По оценкам российских и зарубежных экспертов, наиболее крупные разрывы трубопроводных систем с наиболее тяжелыми последствиями происходят по причинам гидроударов.

Экономические потери, связанные с ликвидацией последствий аварий в условиях современного города, складываются из прямых затрат на замену аварийного участка трубопровода и восстановление инфраструктуры (в среднем от 1 до 10 млн. рублей), потерь транспортируемой среды (до 30% в натуральном выражении), косвенных потерь (подготовка, очистка и транспортировка воды), а также затрат на ликвидацию экологических и социальных последствий.

Известно устройство для самогашения импульсов гидроудара в магистральных трубопроводах, содержащее корпус, образованный цилиндрической обечайкой, торцы которой неразъемно и герметично соединены с входным и выходным фланцами с центральным сквозным отверстием в каждом из них, выполненными с возможностью герметичного соединения с частями магистральным трубопроводом в месте установки при монтаже устройства, при этом в корпусе концентрично обечайке герметично закреплены цилиндрические делитель импульсов потока и разделительная оболочка, образующая с внутренней поверхностью обечайки демпферную камеру, при этом в полости между указанным делителем и разделительной оболочкой размещена радиальная герметичная перегородка, которая делит указанную демпферную камеру на две неравные части: прямоточную камеру меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру большего размера - у выхода из устройства, причем в прямоточной камере выполнены радиальные, а в вихревой камере выполнены наклонные распределенные перфорированные отверстия с углом наклона относительно радиальной оси сечения и углом наклона относительно продольной оси устройства в сторону входа в устройство, при этом в наружной стенке прямоточной камеры выполнены сквозные радиальные перфорированные отверстия в уравнительную емкость, образованную одной стороной размещенного между делителем и обечайкой демпфирующего блока, выполненного в виде кольцевой обоймы с аксиальными отверстиями, в которых размещены подпружиненные с двух сторон поршни, при этом с другой стороны кольцевой обоймы образована напорная емкость со сквозными наклонными перфорированными отверстиями на внутренней стенке упомянутой полости с углом наклона относительно диаметра поперечного сечения и углом наклона -относительно продольной оси устройства в сторону выхода из устройства (опубликованная заявка RU 2011101829, дата публикации 27.07.2012 г.)

Данное техническое решение является наиболее близким к техническому решению, поэтому принято за прототип.

Целью заявленного технического решения (проекта) является обеспечение безаварийной эксплуатации трубопроводов и оборудования трубопроводных систем путем гашения гидроударов, колебаний давления, вибраций и резонансных явлений, возникающих в трубопроводах, вследствие:

- аварийных отключений и провалов энергоснабжения;

- сбоев систем автоматики и управления;

- срабатывания запорной трубопроводной арматуры;

- быстрых коммутационных переключений;

- ошибок обслуживающего персонала и т.п.

При этом решаются задачи проекта:

- полное исключение крупных аварийных разрывов трубопроводов, выхода из строя арматуры и насосных агрегатов по причинам гидроударов, пульсаций давления и вибраций;

- увеличение коррозионно-усталостной долговечности трубопроводов за счет снижения до необходимого уровня амплитудно-частотных пульсаций на рабочих частотах насосных агрегатов и при переходных режимах;

- увеличение сроков эксплуатации трубопроводов (на 50-70% с учетом накопленного износа и реальных условий эксплуатации).

Недостатками прототипа являются сложность технологии изготовления и сборки и невысокая эффективность гашения пульсации давления.

Технический результат от использования заявленного технического решения заключается в упрощении технологии изготовления и сборки, и повышении эффективности гашения пульсации давления.

Ниже приведены общие и частные существенные признаки, характеризующие причинно-следственную связь полезной модели с указанным техническим результатом.

Устройство для самогашения импульсов гидроудара в магистральных трубопроводах, содержащее корпус, образованный цилиндрической обечайкой, торцы которой неразъемно и герметично соединены с входным и выходным фланцами с центральным сквозным отверстием в каждом из них, выполненными с возможностью герметичного соединения с частями магистральным трубопроводом в месте установки при монтаже устройства. В корпусе концентрично обечайке герметично закреплены цилиндрические делитель импульсов потока и разделительная оболочка, образующая с внутренней поверхностью обечайки демпферную камеру. В полости между указанным делителем и разделительной оболочкой размещена радиальная герметичная перегородка, которая делит указанную демпферную камеру на две неравные части: прямоточную камеру меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру большего размера - у выхода из устройства. На внутренней, принадлежащей делителю и наружной, принадлежащей разделительной оболочке стенках прямоточной камеры выполнены радиальные перфорированные отверстия, а на внутренней, принадлежащей делителю и наружной, принадлежащей разделительной оболочке стенках вихревой камеры выполнены отверстия, оси которых наклонены на угол относительно радиальной оси поперечного сечения стенок в разные стороны на наружной и внутренней стенках вихревой камеры и на угол относительно продольной оси устройства в сторону входа на внутренней стенке и в сторону выхода на наружной стенке вихревой камеры. Над наружными стенками прямоточной и вихревой камер образованы соответственно уравнительная и напорная емкости, ограниченные обечайкой и, разделенные демпфирующим блоком, выполненным в виде кольцевой обоймы с аксиальными отверстиями, в которых размещены подпружиненные с двух сторон поршни. Указанный делитель импульсов потока выполнен съемным, к его наружной поверхности приварена указанная перегородка, а диаметр внутреннего отверстия в делителе равен диаметрам отверстий в выходном и входном фланцах, цилиндрические стенки вихревой камеры и напорной емкости выполнены утолщенными на расстоянии от поперечной перегородки в вихревой камере и от другой стороны кольцевой обоймы в напорной емкости до расширительной камеры в зоне прилегания делителя и оболочки к выходному фланцу. Все перфорационные отверстия в делителе и оболочке распределены равномерно по окружности в рядах поперечных сечений вдоль оси устройства по длинам прямоточной камеры и уравнительной емкости и на длине утолщений цилиндрических стенок вихревой камеры и напорной емкости. Диаметр радиальных отверстий в наружной и внутренней стенках прямоточной камеры составляет 1,2-4 диаметра наклонных отверстий в наружной и внутренних стенках вихревой камеры при равных суммарных расходах рабочей среды через радиальные и наклонные отверстия. Упомянутая кольцевая обойма разрезана плоскостью, поперечной ее оси, на две части неравной толщины, меньшая из которых обращена к прямоточной камере и неразъемно прикреплена к делителю, а большая сопряжена с выступом на делителе. Объем прямоточной камеры составляет не менее 1/3 суммарного объема вихревой и расширительной камер, а упомянутые углы наклона оси отверстий в вихревой камере и приняты в диапазоне 0-45°. На корпусе устройства выполнен стрелочный указатель в сторону входного фланца для ориентации устройства относительно потенциального источника ударных импульсов при установке устройства в магистральный трубопровод. Указанные поршни могут быть выполнены в виде цилиндров или в виде шариков. Все детали устройства могут быть выполнены металлическими. Детали корпуса, делитель, разделительная оболочка, кольцевая обойма и поршни могут быть выполнены из прочных неметаллических материалов. Обечайка, входной и выходной фланцы могут быть выполнены из материала, идентичного материалу трубопровода.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 представлен общий вид устройства; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - поперечный разрез входного фланца; на фиг. 5 - поперечный разрез выходного фланца; на фиг. 6 - продольный разрез делителя; нва фиг. 7 - вид В-В на фиг. 6; на фиг. 8 - вид Г-Г на фиг. 6; на фиг. 9 - продольный разрез устройства без делителя, без фланцев и без радиальной перегородки; на фиг. 10 - прямоточная камера; на фиг. 11 - вихревая камера; на фиг. 12 - продольный разрез устройства без фланцев; на фиг. 13 - вид I на фиг. 11; на фиг. 14 - вид II на фиг. 11.

Устройство для самогашения импульсов гидроудара в магистральных трубопроводах содержит корпус, образованный цилиндрической обечайкой 1, торцы которой неразъемно и герметично соединены с входным 2 и выходным 3 фланцами с центральным сквозным отверстием в каждом из них, выполненными с возможностью герметичного соединения с частями 4 и 5 магистрального трубопровода в месте установки при монтаже устройства.

В корпусе концентрично обечайке 1 герметично закреплены цилиндрические делитель 6 импульсов потока и разделительная оболочка 7, образующая с внутренней поверхностью обечайки 6 демпферную камеру 8.

В полости между указанным делителем 6 и разделительной оболочкой 7 размещена радиальная герметичная перегородка 9, которая делит указанную демпферную камеру на две неравные части: прямоточную камеру 10 меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру 11 большего размера - у выхода из устройства.

На внутренней, принадлежащей делителю и наружной, принадлежащей разделительной оболочке стенках прямоточной камеры 10 выполнены радиальные перфорированные отверстия 12 и 14, а на внутренней, принадлежащей делителю 6 и наружной, принадлежащей разделительной оболочке 7 стенках вихревой камеры 11 выполнены наклонные отверстия 13 и 19, оси которых наклонены на угол относительно радиальной оси поперечного сечения стенок в разные стороны на наружной и внутренней стенках вихревой камеры 11 и на угол относительно продольной оси устройства в сторону входа на внутренней стенке и в сторону выхода на наружной стенке вихревой камеры 11, при этом над наружными стенками прямоточной 10 и вихревой 11 камер образованы соответственно уравнительная 15 и напорная емкости 18, ограниченные обечайкой 1 и, разделенные демпфирующим блоком 16, выполненным в виде кольцевой обоймы с аксиальными отверстиями, в которых размещены подпружиненные с двух сторон поршни 17.

Указанный делитель 6 импульсов потока выполнен съемным, к его наружной поверхности приварена указанная перегородка 9, а диаметр внутреннего отверстия в делителе равен диаметрам отверстий в входном 2 и выходном 3 фланцах, цилиндрические стенки вихревой камеры 11 и напорной емкости 18 выполнены утолщенными на расстоянии от поперечной перегородки 9 в вихревой камере 11 и - от другой стороны кольцевой обоймы 16 в напорной емкости 18 до расширительной камеры 20 в зоне прилегания делителя 6 и оболочки 7 к выходному фланцу 3, при этом все перфорационные отверстия в делителе 6 и оболочке 7 (фиг. 7, фиг. 8) распределены равномерно по окружности в рядах поперечных сечений вдоль оси устройства по длинам прямоточной камеры 10 и уравнительной емкости 15 и на длине утолщений цилиндрических стенок вихревой камеры 11 и напорной емкости 18.

Упомянутая кольцевая обойма 16 разрезана плоскостью, поперечной ее оси, на две части неравной толщины, меньшая 21 из которых обращена к прямоточной камере и неразъемно прикреплена к делителю 6, а большая 22 сопряжена с выступом на делителе 6.

Объем прямоточной камеры 10 составляет не менее 1/3 суммарного объема вихревой 11 и расширительной 20 камер, а упомянутые углы наклона оси отверстий в вихревой камере и приняты в диапазоне 0-45°.

На корпусе устройства выполнен стрелочный указатель 23 в сторону входного фланца 2 для ориентации устройства относительно потенциального источника ударных импульсов при установке устройства в магистральный трубопровод.

Указанные поршни 17 могут быть выполнены в виде цилиндров или в виде шариков.

Все детали устройства могут быть выполнены металлическими.

Детали корпуса, делитель 6, оболочка 7, кольцевая обойма 16 и поршни 17 могут быть выполнены из прочных неметаллических материалов.

Обечайка 1, входной 2 и выходной 3 фланцы могут быть выполнены из материала, идентичного материалу трубопровода.

Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле полезной модели, включая характеристику назначения. Т.е., совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности новизна.

Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии полезной модели указано ее назначение, она может быть изготовлена промышленным способом и использована для защиты от перегрузок трубопроводов различного назначения.

Техническое решение работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки устройства позволяют получить заданный технический результат, т.е. являются существенными.

Техническое решение в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлено с помощью средств и методов, описанных в прототипе, ставшим общедоступным до даты приоритета полезной модели. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности промышленная применимость.

Устройство для самогашения импульсов гидроудара работает следующим образом.

Данное техническое решение создано ООО «ТехПромАрма» - российской компанией, разработавшей и осуществившей промышленное внедрение в производство типового ряда принципиально новых технических средств гашения гидроударов и вибраций на трубопроводах любого назначения.

Заявленное устройство может использоваться на технологических трубопроводах атомных станций (АС) в системах нормальной эксплуатации и системах безопасности с реакторами типа ВВЭР, РБМК, БН в трубопроводных системах диаметром от 10 до 1500 мм и рабочим давлением от 0,01 до 250 бар (25 МПа).

Заявленное устройство может использоваться с целью снижения динамических нагрузок от пульсаций давления и гидравлических ударов, действующих на трубопроводы и оборудование, и, как следствие, снижение уровня шума и вибраций, возникающих при движении потоков среды.

Устройство для самогашения импульсов гидроудара работает по принципу самостабилизации, где демпфирование осуществляется путем гашения энергии возмущающихся импульсов энергией самих же импульсов, то есть в качестве упругого (демпфирующего) элемента используется сам импульс.

Действие устройства основано на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на поток перекачиваемой среды.

При установившемся стационарном режиме протекания рабочего тела (например, жидкости) через центральный трубопровод 1 давление на входе и выходе рассматриваемого стабилизатора будет одинаковым, при этом постоянное давление установится и во всех камерах 10, 11, 15, 18 и 20.

Плунжеры 17 кольцевой обоймы 16 под воздействием пружин занимают нейтральное положение.

При появлении импульса давления на входной части 4 трубопровода, он через радиальные отверстия 12, 14 и прямоточную камеру 10 достигает уравнительной емкости 15 практически мгновенно и с небольшими потерями энергии.

Другая часть импульса проходит через наклонные отверстия 13 в вихревую камеру 11, при этом происходит закручивание потока транспортируемой среды, уменьшение его амплитуду за счет расширения и увеличение его турбулентности в расширительной камере 20.

Поскольку отверстия 19 имеют противоположные отверстиям 13 углы наклона, поток раскручивается, что дополнительно рассеивает энергию рабочего среды. Как следствие, уменьшается амплитуда импульса давления и увеличивается время его поступления в напорную емкость 18.

За счет разности давлений и их фазового сдвига в уравнительной емкости 15 и напорной емкости 18 амплитуды импульсов вычитаются, сглаживается переходный процесс при спаде импульса и устройство устанавливается в исходное положение.

Такое последовательное взаимодействие жидкости с демпфирующими камерами позволяет обеспечить высокую эффективность гашения колебаний избыточного давления (гидроударов) за счет высокой податливости демпфирующих элементов в динамическом режиме, и диссипации энергии колебаний на отверстиях распределенной перфорации, коллекторах стабилизатора, что приводит к ее невосполнимым потерям, создавая условия препятствующие дальнейшему волновому распространению, компенсируя провалы давления.

Применение устройства обеспечивает:

- фазовый сдвиг и гашение волновых и вибрационных процессов до допустимого уровня, как в аварийном, так и в штатном режиме работы;

- увеличение коррозионно-усталостной долговечности труб, что продлевает срок службы даже изношенных трубопроводов в 1,5-2 раза;

- снижение общей аварийности трубопроводов и оборудования на 70-80%;

- исключение финансовых потерь, связанных с ликвидацией последствий аварий по причинам гидроударов, вибрации и пульсаций давления;

- снижение эксплуатационных затрат и осуществление замены изношенных трубопроводов и оборудования в гидросистемах в планово-предупредительном режиме, что значительно дешевле экстренной замены аварийных участков трубы.

Стабилизаторы давления одинаково эффективны как в аварийном, так и в штатном режиме работы гидросистемы.

По сравнению с техническими средствами подобного назначения полезная модель обладает следующими преимуществами:

- время снижения амплитуд гидравлических ударов и пульсаций давления в трубопроводах до безопасного уровня составляет менее чем 0,004 сек;

- коэффициент снижения до безопасного уровня не менее чем в 10 раз;

- присоединение к трубопроводу - приварное или с ответными фланцами;

- отсутствие регулирующих механизмов управления, отсутствие потерь рабочей среды.

Использование полезной модели позволяет упростить технологию изготовления и сборки, и повысить эффективность гашения пульсации давления.

1. Устройство для самогашения импульсов гидроудара в магистральных трубопроводах, содержащее корпус, образованный цилиндрической обечайкой, торцы которой неразъемно и герметично соединены с входным и выходным фланцами с центральным сквозным отверстием в каждом из них, выполненными с возможностью герметичного соединения с частями магистральным трубопроводом в месте установки при монтаже устройства, при этом в корпусе концентрично обечайке герметично закреплены цилиндрические делитель импульсов потока и разделительная оболочка, образующая с внутренней поверхностью обечайки демпферную камеру, при этом в полости между указанным делителем и разделительной оболочкой размещена радиальная герметичная перегородка, которая делит указанную демпферную камеру на две неравные части: прямоточную камеру меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру большего размера - у выхода из устройства, причем на внутренней, принадлежащей делителю, и наружной, принадлежащей разделительной оболочке, стенках прямоточной камеры выполнены радиальные перфорированные отверстия, а на внутренней, принадлежащей делителю, и наружной, принадлежащей разделительной оболочке, стенках вихревой камеры выполнены отверстия, оси которых наклонены на угол относительно радиальной оси поперечного сечения стенок в разные стороны на наружной и внутренней стенках вихревой камеры и на угол относительно продольной оси устройства в сторону входа на внутренней стенке и в сторону выхода на наружной стенке вихревой камеры, при этом над наружными стенками прямоточной и вихревой камер образованы соответственно уравнительная и напорная емкости, ограниченные обечайкой и разделенные демпфирующим блоком, выполненным в виде кольцевой обоймы с аксиальными отверстиями, в которых размещены подпружиненные с двух сторон поршни, отличающееся тем, что указанный делитель импульсов потока выполнен съемным, к его наружной поверхности приварена указанная перегородка, а диаметр внутреннего отверстия в делителе равен диаметрам отверстий в выходном и входном фланцах, цилиндрические стенки вихревой камеры и напорной емкости выполнены утолщенными на расстоянии от поперечной перегородки в вихревой камере и от другой стороны кольцевой обоймы в напорной емкости до расширительной камеры в зоне прилегания делителя и оболочки к выходному фланцу, при этом все перфорационные отверстия в делителе и оболочке распределены равномерно по окружности в рядах поперечных сечений вдоль оси устройства по длинам прямоточной камеры и уравнительной емкости и на длине утолщений цилиндрических стенок вихревой камеры и напорной емкости, причем диаметр радиальных отверстий в наружной и внутренней стенках прямоточной камеры составляет 1,2-4 диаметра наклонных отверстий в наружной и внутренних стенках вихревой камеры при равных суммарных расходах рабочей среды через радиальные и наклонные отверстия, при этом упомянутая кольцевая обойма разрезана плоскостью, поперечной ее оси, на две части неравной толщины, меньшая из которых обращена к прямоточной камере и неразъемно прикреплена к делителю, а большая сопряжена с выступом на делителе, при этом объем прямоточной камеры составляет не менее 1/3 суммарного объема вихревой и расширительной камер, а упомянутые углы наклона оси отверстий в вихревой камере и приняты в диапазоне 0-45°, при этом на корпусе устройства выполнен стрелочный указатель в сторону входного фланца для ориентации устройства относительно потенциального источника ударных импульсов при установке устройства в магистральный трубопровод.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные поршни выполнены в виде цилиндров.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные поршни выполнены в виде шариков.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все детали устройства выполнены металлическими.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что детали корпуса, делитель, разделительная оболочка, кольцевая обойма и поршни выполнены из прочных неметаллических материалов.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обечайка, входной и выходной фланцы выполнены из материала, идентичного материалу трубопровода.