Диагностическое и самоликвидирующее устройство импульсов гидроудара рабочей среды в стальных 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 с фланцами по торцами и с внутренним и наружным цилиндрами, с проточной полости между ними, а между наружным цилиндром и корпусом - пустотного пространства, разделенного на активную и реактивную части установленной в нем кольцевой опорой с аксиальными отверстиями, в которых размещены подпружиненные с двух сторон поршни, а проточная полость разделена радиальной перегородкой на две неравные части: прямоточную камеру меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру большего размера - у выхода из устройства, при этом на внутреннем и наружном цилиндрах выполнены радиальные, а - в объеме вихревой камеры на указанных цилиндрах выполнены наклонные отверстия на угол относительно радиальной оси в одну сторону на внутреннем цилиндре и в другую сторону на наружном цилиндре и на угол относительно продольной оси устройства в сторону входа на внутреннем цилиндре и в сторону выхода на наружном цилиндре. Корпус состоит из кольцевой оболочки, входного и внутреннего фланца, разъемно соединенного с выходным фланцем. Внутренний и наружный цилиндры в объеме вихревой камеры имеют утолщения с наклонными отверстиями диаметром меньше диаметра радиальных отверстий в 1,2-4 раза при равной суммарной пропускной способности всех радиальных и всех наклонных отверстий. Кольцевая опора из двух частей, меньшая у реактивной камеры, а большая часть оперта на выступ на внутреннем цилиндре. Объем прямоточной камеры не менее 1/3 суммарного объема вихревой и расширительной камер, а углы наклона и приняты в диапазоне 0-45°, а на корпусе устройства выполнен стрелочный указатель в сторону входного фланца. Варианты конструкции поршней и материала деталей. фиг. 1 - в бюлл, 1 н.п. ф-лы, 8 з.п. ф-лы, 17 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 т.п. 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.

Известен разборный самоликвидатор импульсов гидроудара рабочей среды в магистральных трубопроводах, содержащий трубчатую оболочку, герметично закрытую с торцов входным и выходным фланцами с центральным сквозным отверстием в каждом из них, при этом в оболочке концентрично размещены наружный и внутренний перфорированные цилиндры с возможностью образования между ними проточной, а между наружным перфорированным цилиндром и оболочкой - демпфирующей камер, причем последняя разделена на активную и реактивную части установленным в ней демпфирующим устройством, выполненным в виде кольцевой опоры с аксиальными отверстиями, в которых размещены подпружиненные с двух сторон поршни, а проточная камера разделена радиальной герметичной перегородкой на две неравные части: прямоточную камеру меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру большего размера - у выхода из устройства, при этом на внутреннем и наружном цилиндрах в объеме прямоточной камеры выполнены радиальные перфорированные отверстия, а в объеме вихревой камеры на указанных цилиндрах выполнены отверстия, оси которых наклонены на угол относительно радиальной оси в разные стороны на поперечном сечении внутреннего цилиндра и на поперечном сечении наружного цилиндра и на угол относительно продольной оси устройства в сторону входа на внутреннем цилиндре и в сторону выхода на наружном цилиндре (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 заявленной полезной модели заключается в повышении ремонтопригодности и удобства эксплуатации.

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

Разборный самоликвидатор импульсов гидроудара рабочей среды в магистральных трубопроводах содержит корпус, герметично закрытый с торцов входным и выходным фланцами с центральным сквозным отверстием в каждом из них. В корпусе концентрично размещены наружный и внутренний перфорированные цилиндры с возможностью образования между ними проточной полости, а между наружным перфорированным цилиндром и корпусом - пустотного пространства, разделенного на активную и реактивную части установленной в нем кольцевой опорой с аксиальными отверстиями, в которых размещены подпружиненные с двух сторон поршни. Проточная полость разделена радиальной перегородкой на две неравные части: прямоточную камеру меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру большего размера - у выхода из устройства. На внутреннем и наружном цилиндрах в объеме прямоточной камеры выполнены радиальные перфорированные отверстия, а в объеме вихревой камеры на указанных цилиндрах выполнены отверстия, оси которых наклонены на угол относительно радиальной оси в одну сторону на поперечном сечении внутреннего цилиндра и в другую сторону на поперечном сечении наружного цилиндра и на угол относительно продольной оси устройства в сторону входа на внутреннем цилиндре и в сторону выхода на наружном цилиндре. Корпус выполнен разборным и состоит из кольцевой оболочки, неразъемно прикрепленной одним торцом к входному фланцу, а другим торцом - к внутреннему фланцу, разъемно соединенному с указанным выходным фланцем. К входному и выходному фланцам приварены промежуточные элементы, выполненные с возможностью соединения с частями трубопровода, а внутренний и наружный цилиндры в объеме вихревой камеры имеют утолщения, не доходящие до их торцов с возможностью образования расширительной камеры. На утолщениях равномерно распределены указанные наклонные отверстия, имеющие диаметр меньше диаметра радиальных отверстий во и внутреннем и в наружном цилиндрах в объеме прямоточной камеры в 1,2-4 раза при равной суммарной пропускной способности всех радиальных и суммарной пропускной способности всех наклонных отверстий, упомянутая кольцевая опора разделена поперечной плоскостью на две части неравной толщины, меньшая из которых обращена к реактивной камере и неразъемно прикреплена к внутреннему перфорированному цилиндру, а большая часть сопряжена с круговым выступом, выполненным на последнем. 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°, а на корпусе устройства выполнен стрелочный указатель в сторону входного фланца для ориентации устройства относительно потенциального источника ударных импульсов при установке устройства в магистральный трубопровод. Промежуточный элемент может быть выполнен в виде пустотелого цилиндра или в виде фланца. На промежуточном элементе, соединенным с выходным фланцем, может быть установлен измерительный прибор. Все детали устройства могут быть выполнены металлическими. Внутренний и наружный перфорированные цилиндры могут быть выполнены из прочных неметаллических материалов. Детали демпфирующего устройства - кольцевая опора и поршни могут быть выполнены из неметаллических материалов. Корпус, входной и выходной фланцы, наружный и внутренний перфорированные цилиндры, распорная втулка, внутренний фланец и промежуточные элементы могут быть выполнены из неметаллических материалов. Корпус, входной и выходной фланцы, наружный и внутренний перфорированные цилиндры, кольцевая оболочка, внутренний фланец и промежуточные элементы могут быть выполнены из материала, идентичного материалу трубопровода.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 представлен продольный разрез устройства в сборе; на фиг. 2 - продольный разрез распорной втулки; на фиг. 3 - продольный разрез внутреннего фланца; на фиг. 4 - продольный разрез подсборки распорной втулки с внутренним фланцем; на фиг. 5 - поперечный разрез кольцевой опоры; на фиг. 6 - прямоточная камера в разрезе; на фиг. 7 - радиальная перегородка; на фиг. 8 - вихревая камера, продольный разрез; на фиг. 9 - продольный разрез подсборки наружного и внутреннего цилиндров с радиальной перегородкой; на фиг. 10 - вид -A на фиг. 9; на фиг. 11 - подсборка входного фланца с промежуточным элементом, продольный разрез; на фиг. 12 - подсборка выходного фланца с промежуточным элементом; на фиг. 13 - подсборка наружного и внутреннего перфорированных цилиндров с распорной втулкой и внутренним фланцем; на фиг. 14 - вид I на фиг. 10; на фиг. 15 - вид Б на фиг. 14 на фиг. 16 - вид II на фиг. 10. на фиг. 17 - вид В на фиг. 16.

Разборный самоликвидатор импульсов гидроудара рабочей среды в магистральных трубопроводах содержит корпус 1, герметично закрытый с торцов входным 2 и выходным 3 фланцами с центральным сквозным отверстием в каждом из них.

В корпусе 1 концентрично размещены внутренний 4 наружный 5 и перфорированные цилиндры с возможностью образования между ними проточной полости, а между наружным перфорированным цилиндром 5 и корпусом 1 - пустотного пространства, разделенного на активную 6 и реактивную 7 части установленной в нем кольцевой опорой 8 с аксиальными отверстиями, в которых размещены подпружиненные с двух сторон поршни 9.

Проточная полость разделена радиальной перегородкой 10 на две неравные части: прямоточную камеру 11 меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру 12 большего размера - у выхода из устройства.

На внутреннем 4 и наружном 5 цилиндрах в объеме прямоточной камеры 11 выполнены радиальные перфорированные отверстия 13, а в объеме вихревой камеры 12 на указанных цилиндрах 4 и 5 выполнены отверстия 14, оси которых наклонены на угол относительно радиальной оси в одну сторону на поперечном сечении внутреннего цилиндра 4 (фиг. 14) и в другую сторону на поперечном сечении наружного цилиндра 5 (фиг. 16) и на угол относительно продольной оси устройства в сторону входа на внутреннем цилиндре 4 (фиг. 15) и в сторону выхода на наружном цилиндре 5 (фиг. 17).

Корпус 1 выполнен разборным и состоит из кольцевой оболочки 15, неразъемно соединенной одним торцом с входным фланцем 2, а другим торцом -с внутренним фланцем 16, разъемно соединенным с указанным выходным фланцем 2, при этом к входному 2 и выходному 3 фланцам приварены промежуточные элементы 17, выполненные с возможностью соединения с частями трубопровода (не показано).

Внутренний 4 и наружный 5 цилиндры в объеме вихревой камеры 12 имеют утолщения, не доходящие до их торцов с возможностью образования расширительной камеры 18.

На утолщениях равномерно распределены указанные наклонные отверстия 14, имеющие диаметр меньше диаметра радиальных отверстий 13 во внутреннем 4 и в наружном 5 цилиндрах в объеме прямоточной камеры 11 в 1,2-4 раза при равной суммарной пропускной способности всех радиальных 13 и суммарной пропускной способности всех наклонных 14 отверстий.

Упомянутая кольцевая опора 8 разделена поперечной плоскостью на две части неравной толщины, меньшая 19 из которых обращена к активной камере 6 и неразъемно прикреплена к внутреннему перфорированному цилиндру 4, а большая часть 20 сопряжена с круговым выступом, выполненным на последнем.

Объем прямоточной камеры 11 составляет не менее 1/3 суммарного объема вихревой 12 и расширительной 18 камер, упомянутые углы наклона оси отверстий 14 в вихревой камере и приняты в диапазоне 0-45°, а на корпусе 1 устройства выполнен стрелочный указатель 21 в сторону входного фланца 2 для ориентации устройства относительно потенциального источника ударных импульсов при установке устройства в магистральный трубопровод.

Промежуточные элементы 17 могут быть выполнен в виде пустотелого цилиндра или в виде фланца (фиг. 1).

На промежуточном элементе 17, соединенным с выходным фланцем 3, может быть установлен измерительный прибор 22.

Все детали устройства могут быть выполнены металлическими.

Внутренний 4 и наружный 5 перфорированные цилиндры могут быть выполнены из прочных неметаллических материалов.

Кольцевая опора 8 и поршни 9 могут быть выполнены из неметаллических материалов.

Корпус 1, входной 2 и выходной 3 фланцы, внутренний 4 и наружный 5 перфорированные цилиндры, кольцевая оболочка 15, внутренний фланец 16 и промежуточные элементы 17 могут быть выполнены из неметаллических материалов.

Корпус 1, входной 2 и выходной 3 фланцы, внутренний 4 и наружный 5 перфорированные цилиндры, кольцевая оболочка 15, внутренний фланец 16 и промежуточные элементы 17 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".

Разборный самоликвидатор импульсов гидроудара рабочей среды в магистральных трубопроводах 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.

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.

Разборный самоликвидатор импульсов гидроудара рабочей среды в магистральных трубопроводах 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 рабочей среды (например, жидкости) через трубопровод давление на входе и выходе устройства будет одинаковым, при этом постоянное давление установится и во всех камерах 6, 7, 11, 12.

Поршни 9 кольцевой опоры 8 под воздействием пружин 23 занимают нейтральное положение.

При появлении импульса давления на входной части трубопровода, он через радиальные отверстия 13 прямоточную камеру 11 достигает активной части 6 практически мгновенно и с небольшими потерями энергии.

Другая часть импульса проходит через наклонные отверстия 14 в вихревую камеру 12, при этом происходит закручивание потока транспортируемой среды, уменьшение его амплитуду за счет расширения и увеличение его турбулентности в расширительной камере 18.

Поскольку отверстия 14 в цилиндрах 4 и 5 углы наклона, поток раскручивается, что дополнительно рассеивает энергию рабочего среды. Как следствие, уменьшается амплитуда импульса давления и увеличивается время его поступления в реактивную часть 7.

За счет разности давлений и их фазового сдвига в активной 6 и реактивной 7 частях амплитуды импульсов вычитаются, сглаживается переходный процесс при спаде импульса и устройство устанавливается в исходное положение.

Такое последовательное взаимодействие жидкости с пружинными демпфирующими элементами позволяет обеспечить эффективность гашения колебаний избыточного давления (гидроударов) за счет податливости демпфирующих элементов в динамическом режиме, и диссипации энергии колебаний на отверстиях распределенной перфорации, что приводит к ее 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. Разборный самоликвидатор импульсов гидроудара рабочей среды в магистральных трубопроводах, содержащий корпус, герметично закрытый с торцов входным и выходным фланцами с центральным сквозным отверстием в каждом из них, при этом в корпусе концентрично размещены наружный и внутренний перфорированные цилиндры с возможностью образования между ними проточной полости, а между наружным перфорированным цилиндром и корпусом - пустотного пространства, разделенного на активную и реактивную части установленной в нем кольцевой опорой с аксиальными отверстиями, в которых размещены подпружиненные с двух сторон поршни, а проточная полость разделена радиальной перегородкой на две неравные части: прямоточную камеру меньшего размера - у входа в устройство и вихревую камеру большего размера - у выхода из устройства, при этом на внутреннем и наружном цилиндрах в объеме прямоточной камеры выполнены радиальные перфорированные отверстия, а в объеме вихревой камеры на указанных цилиндрах выполнены отверстия, оси которых наклонены на угол относительно радиальной оси в одну сторону на поперечном сечении внутреннего цилиндра и в другую сторону на поперечном сечении наружного цилиндра и на угол относительно продольной оси устройства в сторону входа на внутреннем цилиндре и в сторону выхода на наружном цилиндре, отличающийся тем, что корпус выполнен разборным и состоит из кольцевой оболочки, неразъемно прикрепленной одним торцом к входному фланцу, а другим торцом - к внутреннему фланцу, разъемно соединенному с указанным выходным фланцем, при этом к входному и выходному фланцам приварены промежуточные элементы, выполненные с возможностью соединения с частями трубопровода, а внутренний и наружный цилиндры в объеме вихревой камеры имеют утолщения, не доходящие до их торцов с возможностью образования расширительной камеры, при этом на утолщениях равномерно распределены указанные наклонные отверстия, имеющие диаметр меньше диаметра радиальных отверстий во внутреннем и в наружном цилиндрах в объеме прямоточной камеры в 1,2-4 раза при равной суммарной пропускной способности всех радиальных и суммарной пропускной способности всех наклонных отверстий, упомянутая кольцевая опора разделена поперечной плоскостью на две части неравной толщины, меньшая из которых обращена к реактивной камере и неразъемно прикреплена к внутреннему перфорированному цилиндру, а большая часть сопряжена с круговым выступом, выполненным на последнем, 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°, а 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. Разборный самоликвидатор по п.1, отличающийся тем, что промежуточный элемент выполнен в виде пустотелого цилиндра.

3. Разборный самоликвидатор по п.1, отличающийся тем, что промежуточный элемент выполнен в виде фланца.

4. Разборный самоликвидатор по п.1, отличающийся тем, что на промежуточном элементе, соединенном с выходным фланцем, установлен измерительный прибор.

5. Разборный самоликвидатор по п.1, отличающийся тем, что все детали устройства выполнены металлическими.

6. Разборный самоликвидатор по п.1, отличающийся тем, что внутренний и наружный перфорированные цилиндры выполнены из прочных неметаллических материалов.

7. Разборный самоликвидатор по п.1, отличающийся тем, что кольцевая опора и поршни выполнены из неметаллических материалов.

8. Разборный самоликвидатор по п.1, отличающийся тем, что корпус, входной и выходной фланцы, наружный и внутренний перфорированные цилиндры, кольцевая оболочка, внутренний фланец и промежуточные элементы выполнены из неметаллических материалов.

9. Разборный самоликвидатор по п.1, отличающийся тем, что корпус, входной и выходной фланцы, наружный и внутренний перфорированные цилиндры, кольцевая оболочка, внутренний фланец и промежуточные элементы выполнены из материала, идентичного материалу трубопровода.