Предохранительные клапаны Предохранительные клапаны служат для выпуска из защищаемой системы, установки или сосуда избыточного объема рабочей среды, создающего повышенное давление, не предусмотренное нормальным ходом технологического процесса. Классификация предохранительных клапанов приведена на схеме 2,14. Предохранительные клапаны различаются методом выпуска избыточной рабочей среды, типом корпуса, числом седел в корпусе, высотой подъема тарелки, методом нагружения, материалом корпусных деталей, типом присоединительных патрубков (рис. 2.145—2.150). По методу выпуска избыточной рабочей среды предохранительные клапаны можно разделить на клапаны открытого т и п а, у которых рабочая среда (пар, воздух) выпускается непосредственно в окружающую атмосферу, и Клапаны закрытого типа, у которых рабочая среда может отводиться в назначенное место. Предохранительные клапаны, как правило, имеют угловой корпус, но могут иметь и проходной корпус. Независимо от типа корпуса клапаны устанавливаются вертикально так, чтобы при закрывании седла шток опускался вниз. Подавляющее большинство предохранительных клапанов выпускается с одним седлом в корпусе, но изготовляются клапаны и с двумя седлами в корпусе, работающими параллельно. По методу нагружения клапаны делятся на рычажно-грузовые и пружинные. По высоте подъема тарелки предохранительные клапаны подразделяются на малоподъемные, у которых высота подъема несколько больше или равна 0,05 диаметра седла, и п о л н о п о д ъ е м н ы е, высота подъема тарелки которых не менее 0,25 диаметра седла. Суш,ествуют предохранительные клапаны с высотой подъема тарелки менее 0,25, но более 0,05 диаметра седла, такие клапаны можно назвать С р е д н е п о д ъ е м н ы м и. В малоподъемных и среднеподъемных клапанах подъем золотника над седлом зависит от давления среды, поэтому их условно можно назвать клапанами пропор¬ционального действия, хотя подъем золотника (тарелки) не пропорционален давлению рабочей среды. Рис. 2.146. Клапаны предохранительные рычажно-грузовые чугунные (стальные) фланцевые для воды и пара (Ру = 1,6 МПа, i^p ^ < 225 (425) "С): а — одинарный; б — сдвоенный
В полноподъемных клапанах при работе на газовой среде открытие клапана происходит сразу на полный ход тарелки, поэтому их называют предохранительными клапанами двухпозиционного действия. Чтобы создать достаточную подъемную силу в полноподъемных клапанах конструкция запорного органа должна обеспечить условия, при которых струя, отражаясь от тарелки, резко изменяет направление. Создаваемая реактивным действием при повороте струи сила поднимает тарелку на полную высоту. Предохранительный клапан должен иметь давление посадки тарелки на седло, по возможности близкое к давлению открытия, и герметичное перекрытие седла, в противном случае будут иметь место непроизводительные потери среды, оказывающие существенное влияние на экономичность работы обслуживаемого объекта. vHpH проектировании полноподъемных предохранительных клапанов достаточное внимание следует уделять согласованию нагрузок и жесткости пружин с подъемными силами, а также выбору оптимальной ширины седла. Она должна быть такой, чтобы уплот-нйтельные кольца обеспечивали достаточные для герметизации контактные давления в рабочих условиях, но не деформировались под действием усилия пружины. Запорный орган предохранительного клапана находится в закрытом положении пока усилие от давления рабочей среды меньше усилия, создаваемого грузом или пружиной, С повышением давления рабочая среда, действуя на тарелку, создает подъемную силу, превышающую силу прижатия, и клапан начинает открываться. Характер перемещения тарелки зависит от конструкции, силовой характеристики клапана и свойств рабочей среды (газ, жидкость). Свойства газа (пара) позволяют создавать полноподъемные предохранительные клапаны двухпозиционного действия, которые при повышении давления открываются сразу на полный ход. Однако этим свойством они обладают только при работе на газообразной среде. При работе на несжимаемой среде (жидкости) эти клапаны работают как обычные малоподъемные, у которых высота подъема тарелки зависит от значения действующего давления рд в рассматриваемый момент времени и его превышения над давлением настройки рн — давлением, создаваемым под действием усилия прижатия тарелки, отнесенного к площади седла. При Рд/Рн =1/1 ход тарелки малоподъемного клапана составляет обычно 0,05Dc, где — диаметр седла в корпусе клапана. К предохранительным клапанам предъявляется ряд требований, основными из которых являются: обеспечеще в открытом положении требуемой пропускной способности; надежная конструкция; безотказная работа — открытие и закрытие при установленных значениях давления полного открытия и Рз — давления закрытия, которые должны быть по возможности близкими друг к другу; герметичность перекрытого запорного органа при действии давления среды сохранение работоспособности в течение заданного срока службы и при больших перерывах между циклами срабатывания. Дополнительно могут быть предъ¬явлены требования вибростойкости (предохранительные клапаны железнодорожных и автомобильных цистерн); работоспособности при пульсирующем давлении (компрессорные установки); сейсмо¬стойкости (для работы в сейсмически активных районах); работоспособности и обеспечения требуемого срока службы при работе в тропических условиях (при повышенной температуре и высокой влажности окружающего воздуха); обогрева при работе на вяз¬ких средах. Рис. 2.150. Клапан предохранительный стальной сварной для жидких и газообразных нефтепродуктов с < 50 °С
Места обязательной установки предохранительных клапанов, их размеры и количество выбираются в соответствии с требованиями Госгортехнадзора. В нормативных документах СЭВ указывается, что допустимое давление в объекте, которое должно обеспечиваться пропускной способностью установленных на нем предохранительных устройств, не должно превышать расчетное давление в данном объекте более чем на 10 % при рабочем давлении свыше 0,6 МПа и не более чем на 0,05 МПа — при рабочем давлении до 0,5 МПа. Действующими правилами Госгортехнад- зора предусмотрено, что установки с производительностыо пара свыше 100 кг/ч должны снабжаться не менее чем двумя предохранительными клапанами, один из которых должен быть контрольным. Контрольный клапан настраивается на давление начала открытия несколько меньшее, чем у рабочего клапана {табл. 2.2). Время открытия полноподъемного клапана типа ППК, т. е. время, в течение которого достигается полное открытие запорного органа без учета последующих колебаний затвора, составляет to = 0,008-0,04 с, а время срабатывания, т. е. время от начала открытия до момента выхода клапана на установившийся режим работы, при котором величина колебаний тарелки не выходит за установленные пределы, обычно составляет = 0,06-0,16 с.
2.2. Нормативные значения давления (МПа) начала открытия предохранительных клапанов для пара и газа Благодаря своему быстродействию полноподъемные предохранительные клапаны рекомендуется применять в системах с форсированно возрастаюш,им давлением (0,05 < /о < ОЛО с). Суммарная пропускная способность установленных в системе предохранительных клапанов при их полном открытии должна обеспечивать достаточный сброс рабочей среды, чтобы давление в системе не превышало ра. о в течение всего времени аварийной ситуации. Если рост давления в системе после полного открытия клапанов продолжается, значит суммарная пропускная способность предохранительных клапанов недостаточна. Это может быть результатом уменьшенного хода затвора из-за неисправности, неверной настройки или неправильного выбора пропускной способности. Нежелательным является и чрезмерно большая пропускная способность, создающая увеличенный сброс среды и иеоправданную потерю продукта. При этом могут иметь место автоколебания подвижных частей в клапане н удары затвора по седлу корпуса. Недостатком полноподъемных предохранительных клапанов является их неустойчивая работа в системах с переменным аварийным расходом. Они устойчиво работают только тогда, когда аварийный расход в системе имеет постоянное значение и равен лропускной способности клапана. Если аварийный расход среды в системе станет меньше, чем при полном открытии клапана, возникнут автоколебания узла подвижных деталей. Это явление может иметь также место, если аварийный расход нарастает медленно, а вр,емя срабатывания клапана меньше времени, при котором аварийный расход достигнет максимального, обеспечиваемого клапаном. В этих условиях желательно увеличить объем защищаемой системы. Во всех случаях предпочтительна установка полноподъемного клапана на емкости, а не на трубопроводе. В системах с переменным расходом рабочей среды в аварийной режиме рекомендуется устанавливать предохранительные клапаны малоподъемные и среднеподъемные. Использование нолноподъемных клапанов двухпозиционного действия на жидких средах имеет ряд особенностей. Внезапное открытие клапана на большой ход при аварийном повышении давления сопровождается, как правило, резким падением давления в подзолотниковой и надзолотниковой зонах из-за невозможности расширения жидкости, что приводит к закрытию клапана. Скоротечность процесса закрытия приводит в ряде случаев к гидравлическим ударам в системе. Согласно требованиям Госгортехнадзора, на паровых котлах с давлением свыше 3,9 МПа (за исключением котлов-утилизаторов и передвижных котлов) должны устанавливаться только импульсные предохранительные устройства (ИПУ), состоящие из главного предохранительного клапана и импульсного клапана, управляющего поршневым или мембранным приводом главного клапана. Для использования типовых конструкций полноподъемных клапанов при работе на жидкостях необходимо разрешение на применение клапана при превышениях рабочего давления до 25 %. В случае 10 %-ного превышения давления пропускная способность клапана устанавливается равной 0,6 от пропускной способности, рассчитанной для о = 1,25хр. Широкое применение в различных отраслях промышленности получили полноподъемные стальные предохранительные клапаны, типа ППК с регулирующими кольцами на затворе и седле для регулирования давления подъема и посадки затвора. Наружная поверхность выступающей части седла имеет резьбу, на которую навинчивается нижнее регулирующее кольцо. Оно служит для регулировки давления посадки тарелки клапана. При подъеме нижнего кольца и приближении его к тарелке давление посадки снижается, при опускании кольца и удалении его от тарелки — повышается. В нижней боковой части корпуса имеется отверстие, снабженное резьбой и закрытое пробкой. Через это отверстие осуществляется регулировка положения кольца. После регулировки установленная на место пробка фиксирует положение кольца конусом, входящим в один нз пазов на наружной боковой поверхности кольца. Тарелка клапана направляется в обойме* на нижней части которой навинчено верхнее регулирующее кольцо. С помощью этого кольца регулируется давление подъема тарелки клапана. При опускании верхнего регулирующего кольца вниз давление подъема тарелки снижается, при подъеме — повышается. Регулировка положения верхнего регулирующего кольца производится через верхнее резьбовое отверстие в корпусе, закрываемое пробкой, которая фиксирует положение верхнего регулирующего кольца. Положение верхнего и нижнего колец оказывает некоторое влияние и на нерегулируемые ими параметры, а именно: верхнее кольцо — на давление посадки и нижнее — на давление подъема. Изменение положения верхнего кольца оказывает большее влияние на давление посадки, чем положение нижнего на давление подъема, поэтому вначале следует отрегулировать положение верхнего кольца, а затем — нижнего. Для проведения периодической принудительной продувки предохранительные клапаны снабжаются специальным рычагом. Наиболее часто применяются предохранительные клапаны, работающие с подачей давления «под клапан». Существуют конструкции предохранительных клапанов, работающие с подачей давления «на клапан», при этом используются дополнительные устройства в виде мембраны и др. Рычажно-грузовые предохранительные клапаны имеют большие габаритные размеры, значительную массу, требуют применения сравнительно тяжелых грузов, создающих удары по седлу при закрывании. В условиях, когда не требуется предохранительный клапан с большой пропускной способностью, используются малоподъемные пружинные предохранительные клапаны. Железнодорожные и автомобильные цистерны с пожароопасными жидкостями (бензин, керосин, сжиженные газы) снабжаются пружинными предохранительными клапанами, малогабаритными, встроенными в корпус цистерны. Для повышения герметичности в некоторых конструкциях клапанов предусматривается разрыная мембрана, которая до определенного (расчетного) давления полностью изолирует полость цистерны от окружающего воздуха, и только после разрыва мембраны срабатывает предохранительный клапан. Шток обычно снабжается рымом, используемым для контроля подвижности штока и принудительного открытия клапана. Для проверки целости мембраны предусматривается трубка, соединяющая подклапанную полость с боковым отверстием, закрытым пробкой. Некоторые конструкции предохранительных клапанов для цистерн предусматривают также плавкие элементы в виде отверстия, заполненного легкоплавким металлом. При воспламенении горючей жидкости под действием высокой температуры легкоплавкий металл выплавляется, открывая отверстие для снижения давления внутри цистерны.
