Предохранительная арматура

Предохранительная арматура, прежде всего, выступает как защита трубопроводов и сосудов, в которых возможно повышение давления:

• питающего источника при несанкционированном прекращении или уменьшении отбора;
• химической реакции;
• повышения температуры рабочей среды;
• солнечной радиации;
• возникновения пожара рядом с сосудом или трубопроводом;
• взрыва рабочей среды.

Все указанные виды возмущений вызывают необходимость сброса избыточного давления рабочей среды из защищаемой системы. Сброс избыточного давления может быть осуществлён предохранительной арматурой за счёт удаления части рабочей среды.

Иногда к предохранительной арматуре причисляют перепускные клапаны, которые предназначены для поддержания давления среды на требуемом уровне путём непрерывного отвода жидкости (газа), чем он и отличается от предохранительного клапана, который ограничивает повышение давления в системе сверх заданного путём однократного или периодического отвода жидкости (газа) из системы. Перепускной клапан поддерживает постоянство давления в системе на входе в клапан («до себя»).

Образцы предохранительной арматуры представлены на сайте по ссылке

1. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН

Предохранительный клапан является арматурой прямого действия, работающей непосредственно от рабочей среды, он обеспечивает защиту системы от превышения избыточного давления. 

1.1. Принцип действия предохранительного клапана

На примере чертежа пружинного клапана прямого действия рассмотрим типичную конструкцию. Обязательными компонентами конструкции предохранительного клапана прямого действия являются запорный орган и задатчик, обеспечивающий силовое воздействие на чувствительный элемент, связанный с запорным органом клапана.

Запорный орган состоит из затвора и седла. Если рассматривать поясняющий рисунок, то в этом простейшем случае затвором является золотник (№4 на рис.1), а задатчиком выступает пружина (№2 на рис.1). С помощью пружины клапан настраивается таким образом, чтобы усилие на золотнике обеспечивало его прижатие к седлу запорного органа и препятствовало пропуску рабочей среды, в данном случае настройку производят специальным винтом (№1 на рис.1).

Когда предохранительный клапан закрыт, на его чувствительный элемент воздействует сила от рабочего давления в защищаемой системе, стремящаяся открыть клапан и сила от задатчика, препятствующая открытию. Циркулирующая рабочая среда оказывает давление на пружину, которая срабатывает (сжимается) при превышении давления настройки, запорный орган начинает открываться и происходит сброс рабочей среды через отводящий патрубок. С понижением давления в защищаемойсистеме, возмущающие воздействия исчезают. Запорный орган клапана под действием усилия от пружины закрывается.

В некоторых моделях предохранительного клапана можно регулировать давления, при котором срабатывает клапан, но также существуют модели, не допускающие самостоятельной регулировки давления (оно настраивается производителем в заводских условия и защищено от перенастройки крышкой).

Рис.1. Пружинный предохранительный клапан (1-винт для настройки; 2- пружина; 3-сильфон; 4- золотник; 5- корпус)

Образец сильфонного углового предохранительного клапана можно рассмотреть на сайте по ссылке

Также не стоит забывать о том, что дренажная (сбросная) трубка не должна превышать следующим параметрам:

• Длина сбросной трубы не должна превышать 2-х метров и иметь более 2-х изгибов;
• Диаметр выходного отверстия клапана и диаметр отводящей трубы должны быть одинаковыми;
• Не рекомендуется выводить трубу из помещения сразу на улицу, т.к. в зимнее время года это может привести к появлению конденсата и образованию льда внутри трубы;
• Соединение клапана и дренажной трубы рекомендуется осуществлять с прерыванием потока теплоносителя, для чего используется специальная сбросная воронка, как правило, изготовленная из латуни, углеродистой стали или пластика. Это устройство позволяет осуществлять визуальный контроль над сбросом теплоносителя, а также обеспечивает работу клапана в случае засорения дренажной трубы.

1.2. Классификация по конструкциям предохранительных клапанов

По высоте подъёма запирающего элемента затвора, величина которого равна отношению хода запирающего элемента к наименьшему диаметру седла, различают малоподъемные, полноподъемные и среднеподъемные предохранительные клапаны

Малоподъемный предохранительный клапан- высота подъема затвора не превышает 1/20 диаметра седла.

В малоподъемных предохранительных клапанах, как правило, применен пропорциональный механизм открытия.

Они отличаются малой пропускной способностью, простым устройством и меньшей ценой, по сравнению с полноподъемными клапанами.

Полноподъемный предохранительный клапан- высота подъемна затвора больше или равна диаметру седла.

В полноподъемных предохранительных клапанах, как правило, применяется двухпозиционный механизм открытия. Клапаны отличаются высокой пропускной способностью и устанавливаются в системах со сжимаемыми средами, например паром или сжатым воздухом. Конструкция полноподъемного предохранительного клапана сложнее, чем у малоподъемного, а цена соответственно выше.

Образец полноподъемного предохранительного клапана представлен на сайте по ссылке

Среднеподъемные предохранительные клапаны- высота подъема тарелки от 1/20 до 1/4. Обычно их используют для жидкостей, когда не требуется большая пропускная способностью.

Рис.2 Малоподъемный (а) и полноподъемный (б) предохранительные клапаны.

Различие по виду нагрузки на запирающий элемент (золотник). В зависимости от того, какая сила противодействует силе давления на него со стороны рабочей среды, различают: 

• Грузовые;
• Пружинные;
• Рычажно-грузовые;
• Рычажно-пружинные;
• Магнито-пружинные;
• Клапаны с газовой камерой.

В предохранительных грузовых клапанах нагрузкой на запирающий элемент (золотник) является сила тяжести груза.

В предохранительных пружинных клапанах давлению среды на золотник противодействует сила сжатия пружины. Один и тот же пружинный клапан может быть использован для различных пределов настройки давления срабатывания путём комплектации различными пружинами. Многие клапаны изготавливаются со специальным механизмом (рычагом, грибком и др.) ручного подрыва для контрольной продувки клапана. Это делается с целью проверки работоспособности клапана, так как во время эксплуатации могут возникнуть различные проблемы, например прикипание, примерзание, прилипание золотника к седлу. Однако в некоторых производствах в условиях агрессивных и токсичных сред, высоких температур и давлений, контрольная продувка может быть очень опасной, поэтому для таких клапанов возможность ручной продувки не предусматривается и даже запрещается.

Чаще всего пружины подвергаются воздействию рабочей среды, которая сбрасывается из трубопровода или ёмкости при срабатывании, для защиты от слабоагрессивных сред применяют специальные покрытия пружин. Уплотнение по штоку в таких клапанах отсутствует. В случаях же работы с агрессивными средами в химических и некоторых других установках пружину изолируют от рабочей среды при помощи уплотнения по штоку сальниковым устройством, сильфоном или эластичной мембраной. Сильфонное уплотнение применяется также в тех случаях, когда утечка среды в атмосферу не допускается, например на АЭС.

Если груз закреплен на рычаге─ это предохранительный рычажно-грузовой клапан.

Рычажно-грузовые клапаны изготавливают только малоподъемными, они отличаются простотой конструкцией и постоянством усилия.

Рис.3.Рычажно-грузовой клапан

В таких клапанах усилию на золотник от давления рабочей среды противодействует сила груза, передаваемая через рычаг на шток клапана. Настройка таких клапанов на давление открытия производится фиксацией груза определённой массы на плече рычага. Рычаги также используют для ручной продувки клапана. Такие устройства запрещено использовать на передвижных сосудах. Для герметизации сёдел больших диаметров требуются значительные массы грузов на длинных рычагах, что может вызвать сильную вибрацию устройства, в этих случаях применяются корпуса, внутри которых сечение сброса среды образовано двумя параллельно расположенными сёдлами, которые перекрываются двумя золотниками при помощи двух рычагов с грузами. Таким образом, в одном корпусе монтируются два параллельно работающих затвора, что позволяет уменьшить массы груза и длины рычагов, обеспечивая нормальную работу клапана.

Рычажно-пружинным называется предохранительный пружинный клапан, в котором пружина закреплена не по оси запирающего элемента, а усилие от нее передается при помощи рычажного механизма. Пружинный предохранительный клапан имеет простую конструкцию, надежен в эксплуатации, обладает высокой чувствительностью.

В магнито-пружинном клапане используется электромагнитный привод, то есть они не являются арматурой прямого действия. Электромагниты в них могут обеспечивать дополнительное прижатие золотника к седлу, в этом случае при достижении давления срабатывания по сигналу от датчиков электромагнит отключается и давлению противодействует лишь пружина, клапан начинает работать как обычный пружинный. Также электромагнит может создавать усилие открытия, то есть противодействовать пружине и принудительно открывать клапан. Существуют клапаны, в которых электромагнитный привод осуществляет и дополнительное прижатие, и усилие открытия, в этом случае пружина служит для подстраховки на случай прекращения электропитания, при обесточении такие устройства начинают работать как пружинные клапаны прямого действия. Магнито-пружинные клапаны применяются чаще всего в сложных импульсных предохранительных устройствах в качестве управляющих или импульсных клапанов.

В предохранительном клапане с газовой камерой усилие, противодействующее воздействию рабочей среды на запирающий элемент, создается давлением сжатого газа, действующего на запирающий элемент через мембрану, сильфон или поршень.

По характеру подъёма замыкающего органа предохранительные клапаны разделяют на пропорциональные и двухпозиционные.

Пропорциональные предохранительные клапаны- открываются пропорционально росту давления, с подъемом затвора равномерно увеличивается объем сбрасываемой среды.

Рис.4.Пропорциональный предохранительный клапан

Они применяются для воды или других не сжимаемых сред, хотя конструкция не исключает возможность применения со сжимаемыми средами.

По сравнению с двухпозиционными, пропорциональные предохранительные клапаны обладают такими преимуществами:

• низкая цена;
• простая конструкция;
• использование для воды и других жидких сред;
• в системах с переменным аварийным расходом не возникают автоколебания;
• способность открываться именно в такой степени, насколько это необходимо для установления рабочих параметров.

Двухпозиционные предохранительные клапаны- открываются моментально на полный ход, при достижении давления начала открывания. Применение таких клапанов рекомендовано для сжимаемых сред (пар, воздух, газ). Автоколебания затвора это основной недостаток двухпозиционных устройств.

Автоколебания - это незатухающие колебания в диссипативной нелинейной системе (устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне.), поддерживаемые за счёт энергии внеш. источника, параметры которых (амплитуда, частота, спектр колебаний) определяются свойствами самой системы и не зависят от конечного изменения начальных условий.

Работа предохранительного клапана в режиме автоколебаний возможна:

• в случае завышения типоразмера;
• в системах с переменным аварийным расходом;
• если время роста аварийного расхода до своего максимального значения превышает время полного открытия клапана.

Рис.5 Двухпозиционный предохранительный клапан

Применение двухпозиционного клапана для воды или другой несжимаемой жидкости имеет две особенности:

1. Резкое открытие клапана приводит к большому сбросу воды и резкому падению давления.
2. После резкого падения давления клапан моментально закроется и спровоцирует гидравлический удар.

По способу выпуска избыточной среды предохранительные клапаны можно разделить на открытые и закрытые.

Через открытые клапаны рабочая среда уходит в окружающую среду. Если это недопустимо, например, из экологических соображений, используют закрытые предохранительные клапаны, выпускающие рабочую среду в закрытую систему с меньшим давлением.

Образцы пропорционального и двухпозиционного ПК представлены на сайте, ссылки ниже:

Предохранительный клапан GA 818 DN6

Предохранительный клапан тип 06417

1.3. Различия в конструкциях

Предохранительные клапаны как правило имеют угловой корпус, но могут иметь и проходной, независимо от этого клапаны устанавливаются вертикально так, чтобы при закрывании шток опускался вниз. Большинство предохранительных клапанов изготавливаются с одним седлом в корпусе, но встречаются конструкции и с двумя сёдлами, установленными параллельно. 

Рис.6 Предохранительный клапан с двумя седлами

2. ИМПУЛЬСНОЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Это устройство представляющее собой совокупность двух или более предохранительных клапанов, из которых один (главный), установленный на основной магистрали, ёмкости или резервуаре, оснащён поршневым приводом, а второй (импульсный), с меньшим проходным сечением, служит управляющим элементом. Он открывается по команде от датчика при соответствующем давлении рабочей среды и направляет её в поршневой привод главного ПК.

Импульсный клапан может быть выполнен встроенным в главный или существовать как отдельный (вынесенный) элемент. В первом случае управление ИПУ осуществляется рабочей средой; в конструкции с вынесенным импульсным клапаном для повышения надежности работы последнего часто применяют электромагниты, получающие импульс при превышении давления от электроконтактных манометров, в этом случае при отсутствии электричества или неисправности электромагнитов импульсный клапан работает как ПК прямого действия.

2.1. Чертеж клапана

Представленный чертеж отображает разрез общего вида импульсного предохранительного клапана.

Буквы "А" и "Б" обозначают соответственно рабочую полость, защищаемую от сверхдопустимых показателях давления, и сильфонную полость, при попадании куда газ осуществляет прижимание плунжеров к седлам. В устройство импульсного предохранительного клапана входят два затвора - главный и импульсный.

Главный оснащен седлом 1 и золотником 2, импульсный - седлом 3 и золотником 4.

В середине седла 3 размещается толкатель 5 неподвижного типа.

С целью регулирования клапана на раскрытие предусматривается наличие пружины 6, а в целях предшествующего поджатия золотника 4 - пружины 7.

Золотник 2 приваривается к сильфону 8, последний тип - к седлу 3.

Неподвижный тип толкателя 5 гарантирует способность создания отверстия в области раскрытия клапана. С целью повышения значения подъемной силы на золотник 2 навинчивается обойма 9. С целью соединения полости "А" с полостью "Б" золотник 2 предусматривает наличие в нем отверстия "е" меньшим диаметром, а для соединения полости "Б" с атмосферой в седле 3 - отверстия "f" большим диаметром.

Золотниковое уплотнение произведено из материалов, стойких к низким температурам.

Рис. 7 Чертеж импульсно предохранительного устройства

2.2. Принцип работы импульсного предохранительного клапана

В условиях давления от нулевого показателя до рабочего значения золотники 2 и 4 за счет своих уплотнений прикасаются к седлам 1 и 3. Во время этого газ из полости "А" сквозь отверстие "е" меньшим диаметром поступает в сильфонную полость "Б", что обеспечивает непрерывное поджатие плоскостей, вызывающих уплотнение.

В условиях давления, значение которого равно показателям при начале раскрытия клапана, золотниковый уплотнитель 4 прикасается к торцу толкателя 5 и способствует образованию отверстия между седлом 3 и золотником 4. Газ из полости "Б" поступает сквозь проем "f" в атмосферу. Показатели давления в полости "Б" понизятся в отношении к полости "А", поскольку размер зазора "е" меньше, чем "f". Золотник 2 поднимается, газ сбрасывается из полости "А" в атмосферу с "упором" в обойму 9. Мощность влияния реакции потока на обойму заставит золотник с обоймой "зависнуть", чтобы преодолеть пружинное сопротивление 6.

Во время снижения давления в полости "А" снижается уровень силы реакции потока на обойму, золотник 2, под действием давления в полости "Б" опускается на седло 1. Происходит закрытие импульсного предохранительного клапана, что способствует обеспечению надежной герметичности.

2.3. ИПУ с пилотным управлением

Одной из разновидностей импульсных предохранительных устройств являются клапаны, в которых вся необходимая нагрузка на золотник главного клапана создаётся посторонней энергией, например сжатым воздухом высокого давления. Воздух из системы высокого давления, подаваемый на поршень главного клапана через пилотное устройство, создает необходимое усилие для закрытия клапана и обеспечения требуемой степени герметичности. При достижении в системе давления срабатывания воздух при помощи пилотного устройства автоматически сбрасывается и клапан открывается

2.4. Применение

ИПУ применяются для защиты от механического разрушения сосудов и трубопроводов избыточным давлением, путём автоматического выпуска жидкой, паро- и газообразной среды из систем и сосудов при превышении давления. Но для обеспечения больших расходов среды в аварийном режиме иногда приходится устанавливать десятки предохранительных клапанов прямого действия в связи с их недостаточной пропускной способностью. В этих условиях целесообразно использовать ИПУ, они успешно применяются для защиты систем и агрегатов с высокими рабочими параметрами при необходимости сброса больших количеств рабочей среды. Поскольку в ИПУ для управления используется вспомогательная энергия, величина управляющих усилий может быть очень большой, так как она уже не ограничивается размерами клапана. Это усилие может эффективно использоваться как для осуществления четкого срабатывания, так и для обеспечения надежного герметичного перекрытия запорного органа.

ИПУ существенно дороже, чем клапаны прямого действия, но с ростом параметров среды разница в их стоимости быстро сокращается

3. МЕМБРАННЫЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Мембранные предохранительные устройства (МПУ)- предназначены для защиты объектов от опасных перегрузок давлением и широко применяются в следующих отраслях промышленности:

• Тепловая и атомная энергетика
• Нефтедобыча, нефтехимия и нефтепереработка
• Химия
• Металлургия
• Транспорт
• Машиностроение.

Отличительные особенности:

• Быстродействие
• Точность срабатывания
• Компактность конструкции

Мембранные предохранительные устройства подразделяются на:

1. МПУ с разрывными мембранами;
2. МПУ с «хлопающими» мембранами.

МПУ с разрывными мембранами, применяются на жидких и газообразных средах — с предохранительной мембраной, плоской или куполообразной, работающей на разрыв под давлением, действующим на ее вогнутую поверхность. При превышении давления над допустимым рабочим мембрана начинает растягиваться. Из-за повышения давления растяжение будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут предел прочности и мембрана не разорвется.

Рис.8 МПУ с разрывной мембраной

МПУ с «хлопающими» мембранами, применяются в основном на газообразных средах— с куполообразной предохранительной мембраной, работающей на потерю устойчивости (хлопок) под давлением, действующим на выпуклую поверхность и приводящим к её сжатию. При достижении диапазона давления разрыва сжимающая сила будет стремиться выгнуть диск и вызвать его разрыв по предварительно ослабленному сечению.

Рис.9 МПУ с хлопающей мембраной

Хлопающие мембраны имеют ряд преимуществ над мембранами разрывного типа:

1. хлопающие мембраны работают на сжатие, тем самым обеспечивают более высокую скорость срабатывания по сравнению с мембранами разрывного типа,
2. хлопающие мембраны не склонны к усталостному растяжению, благодаря чему они более долговечны по сравнению с мембранами разрывного типа,
3. благодаря особенностям конструкции хлопающие мембраны не требуют наличия противовакуумной опоры,
4. рабочее давление в системе может достигать 95% от давления разрыва, по сравнению с 80% для мембран разрывного типа,
5. конструкция хлопающих мембран позволяет использовать материалы с большей толщиной, чем у мембран разрывного типа, благодаря чему хлопающие мембраны более долговечны на коррозионных рабочих средах.

3.1. Применение

МПУ применяются для защиты объектов технологического оборудования, сосудов и трубопроводов от опасных перегрузок избыточным и (или) вакуумметрическим давлением, создаваемых рабочими средами и устанавливаются на патрубках или трубопроводах, непосредственно присоединенных к оборудованию. МПУ используются как в качестве самостоятельных предохранительных устройств, так и в сочетании с предохранительными клапанами.

3.2. Требования к установке МПУ

МПУ используются как в качестве самостоятельных предохранительных устройств, так и в сочетании с предохранительными клапанами.

В качестве самостоятельных предохранительных устройств МПУ устанавливаются:

• вместо рычажно-грузовых и пружинных предохранительных клапанов, когда эти клапаны в рабочих условиях конкретной среды не могут быть применены вследствие их инерционности или других причин;
• для защиты сосудов от опасных перегрузок вакуумметрическим давлением;
• для одновременной защиты сосудов от опасных перегрузок как вакуумметрическим, так и избыточным давлением.

В сочетании с предохранительными клапанами МПУ устанавливаются:

• перед предохранительными клапанами в случаях, когда предохранительные клапаны не могут надежно работать вследствие вредного воздействия рабочей среды (коррозия, эрозия, полимеризация, кристаллизация, прикипание, примерзание) или возможных утечек через закрытый клапан взрыво- и пожароопасных, токсичных, экологически вредных и т.п. веществ;
• параллельно с предохранительными клапанами для увеличения пропускной способности систем сброса давления;
• на выходной стороне предохранительных клапанов для предотвращения вредного воздействия рабочих сред со стороны сбросной системы и для исключения влияния колебаний противодавления со стороны этой системы на точность срабатывания предохранительных клапанов.

4. ТРЕБОВАНИЯ К ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЙ АРМАТУРЕ

Предохранительная арматура должна отвечать многим требованиям.

Но самое главное - быть надежной. Термин «надежность» в данном случае означает способность выполнять требуемые функции на протяжении заданного времени и условий применения в заданных режимах и пределах. В том числе:

• обеспечивать требуемую пропускную способность в открытом положении;
• безотказно срабатывать в случае нарушения параметров работы системы, за которое конкретная единица предохранительной арматуры «несет ответственность»;
• гарантировать необходимую герметичность в положении «закрыто»;
• для арматуры многократного пользования - возвращаться в положение «открыто», при нормализации параметров;
• стабильно функционировать на протяжении всего положенного срока эксплуатации.

Требования безопасности к предохранительной арматуре сформулированы в «Р 53672-2009 ГОСТ. Арматура трубопроводная. Общие требования безопасности». (С 1 апреля 2017 года этот документ утрачивает силу в связи с изданием Приказа Росстандарта от 26.05.2015 № 439-ст. Вместо него в качестве национального стандарта для добровольного применения в Российской Федерации с 1 апреля 2016 г в действие вводится ГОСТ 12.2.063- 2015).

Как указывается в ныне действующем ГОСТ, требования к конструкциям различных типов предохранительной арматуры, используемой на атомных станциях, установлены в «ПНАЭ Г-7-008-89 Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок», а для прочих условий эксплуатации - в Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 03-576-03). Правда второй документ в 2014 г. утратил свою Силу в связи с вступлением в Силу Федеральных норм и правил в Области промышленной безопасности Служба «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением». В этом новом документе, в частности, определены сроки проверки исправности действия предохранительных клапанов (а также манометров, указателей уровня воды и питательных насосов); способы проверки (например, исправность предохранительных клапанов проверяют посредством их принудительного кратковременного открывания, т н подрыва ..), установлены требования к монтажу импульсных предохранительных клапанов и мембранных предохранительных устройств.

На начальных этапах развития трубопроводной арматуры ее сегментация по видам в зависимости от функционального назначения фактически отсутствовала. Но потом, по мере усложнения и расширения круга решаемых задач, возникла необходимость в «разделении труда», предопределившая появление и развитие отдельных видов - арматура - запорная, регулирующая, предохранительная и другие. Каждый вид «отвечает» за определенную часть качеств, которыми должна обладать трубопроводная арматура: технологичность, экономичность и, конечно, безопасность.

Именно обеспечение безопасности - главная задача, решаемая предохранительной арматурой и от того, насколько успешно она это делает, порой зависит нечто гораздо большее, чем экономика и технология - жизни людей и благополучие окружающей среды. 

Автор статьи: 
специалист по работе с корпаративными клиентами
ООО "Крионика"
Давлетгареева Эльвира