Пружинно предохранительный клапан назначение и устройство

Предохранительный клапан — трубопроводная арматура, предназначенная для защиты от механического разрушения оборудования и трубопроводов избыточным давлением путём автоматического выпуска избытка жидкой, паро- и газообразной среды из систем и сосудов с давлением сверх установленного. Клапан также должен обеспечивать прекращение сброса среды при восстановлении рабочего давления. Предохранительный клапан является арматурой прямого действия, работающей непосредственно от рабочей среды, наряду с большинством конструкций защитной арматуры и регуляторами давления прямого действия.

Опасное избыточное давление может возникнуть в системе как в результате сторонних факторов (неправильная работа оборудования, передача тепла от сторонних источников, неправильно собранная тепломеханическая схема и т. д.), так и в результате внутренних физических процессов, обусловленных неким исходным событием, не предусмотренным нормальной эксплуатацией. ПК устанавливаются везде, где может это произойти, то есть практически на любом оборудовании, но в особенности они важны в сфере эксплуатации промышленных и бытовых сосудов, работающих под давлением.

Существуют и другие виды предохранительной арматуры, но клапаны используются наиболее широко вследствие простоты своей конструкции, лёгкости настройки, разнообразия видов, размеров и конструктивных исполнений [1] [2] [3] .

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

На поясняющем рисунке справа — чертёж типичного пружинного клапана прямого действия. На его примере 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, а задатчиком выступает пружина. С помощью задатчика 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.

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. С возникновением в системе возмущений, вызывающих повышение давления свыше рабочего, уменьшается величина силы прижатия золотника к седлу. В тот момент, когда эта сила станет равной нулю, наступает равновесие активных сил от воздействия давления в системе и задатчика на чувствительный элемент клапана. Запорный орган начинает открываться, если давление в системе не перестанет возрастать, происходит сброс рабочей среды через клапан.

С понижением давления в защищаемой системе, вызываемом сбросом среды, исчезают возмущающие воздействия. Запорный орган клапана под действием усилия от задатчика закрывается.

Давление закрытия в ряде случаев оказывается на 10-15 % ниже рабочего давления, это связано с тем, что для создания герметичности запорного органа после срабатывания требуется усилие, значительно большее, чем, то, которого было достаточно для поддержания герметичности клапана перед открытием. Это объясняется необходимостью преодолеть при посадке силу сцепления молекул среды, проходящей через щель между уплотнительными поверхностями золотника и седла, вытеснить эту среду. Также понижению давления способствует запаздывание закрытия запорного органа, связанное с воздействием на него динамических усилий от проходящего потока среды, и наличие сил трения, требующих дополнительного усилия для его полного закрытия [2] .

Классификация предохранительных клапанов [ править | править код ]

Различия в конструкциях [ править | править код ]

В них 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 [6] .

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 [5] [7] .

Рычажно-грузовые клапаны [ править | править код ]

ду-400

В таких клапанах усилию на золотник от давления рабочей среды противодействует сила от 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 [8] .

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 [5] .

Магнито-пружинные клапаны [ править | править код ]

В этих устройствах 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 [6] [7] .

Технические требования к предохранительным клапанам [ править | править код ]

Главным и наиболее ответственным требованием, предъявляемым к предохранительным клапанам, является высокая надёжность, включающая в себя:

• безотказное и своевременное открытие клапана при заданном превышении рабочего давления в системе;
• обеспечение клапаном в открытом положении требуемой пропускной способности;
• осуществление своевременной обратной посадки (закрытия) с требуемой степенью герметичности при заданной величине падения давления в системе после аварийного срабатывания и сохранения установленной степени герметичности при последующем возрастании давления до величины рабочего;
• обеспечение стабильности работы, то есть сохранение в течение всего срока эксплуатации и заданного числа циклов срабатывания параметров настройки и требуемой степени герметичности запорного органа при рабочем давлении.

Предохранительные клапаны подлежат периодической проверке в специализированной организации или испытанию в действии. Все клапаны должны быть испытаны на прочность, плотность, а также герметичность сальниковых соединений и уплотнительных поверхностей [2] [8]

Правила и стандарты [ править | править код ]

В связи с широчайшим распространением предохранительных клапанов стандарты и правила, применяемые к ним, находятся во всех документах, которые регулируют использование всего оборудования, защищаемого ими. Например «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 03-576-03)» в России или «Boiler & Pressure Vessel Code» в США. Также существуют отраслевые документы, посвящённые исключительно предохранительным клапанам в применении к какому-либо оборудованию, например «Клапаны предохранительные паровых и водогрейных котлов. Технические требования (ГОСТ 24570-81)»

В связи с особой ответственностью предохранительных клапанов в обеспечении безопасности систем, которые ими обслуживаются, надзор за их использованием и утверждение правил и стандартов производят организации, специально уполномоченные государством, например в России это Ростехнадзор [5] [8] .

Любая система, работающая под давлением, нуждается в защите от перегрузок по давлению, возникающих в нештатных или аварийных ситуациях. Для этого применяются предохранительные клапаны. Они различаются по конструкции и характеристикам, для каждой установки — газовой или жидкостной — можно подобрать подходящую предохранительную арматуру.

Назначение

Основное назначение предохранительного клапана – защита системы от повышенного давления, которое может привести к ее повреждению или даже разрушению. Клапан сбрасывает излишки рабочей среды при превышении предельного значения ее напора. Сброс происходит в дренажную систему или в атмосферу. После того, как давление в системе упадет до нормального, предохранительный клапан закрывается и сброс прекращается.

Принцип действия клапанов

Принцип работы любого предохранительного клапана чрезвычайно прост. Запирающий элемент прижимается к седлу пружиной. По мере роста давления оно начинает превозмогать силу сжатия пружины, сжимая ее и отодвигая запорный элемент от седла. В открытый просвет устремляются излишки жидкости или газа. По мере выхода напор снижается, пружина отжимает запорный элемент обратно к седлу.

Устройство закрывается и готово к следующему рабочему циклу. Сила сжатия пружины, а, следовательно, порог срабатывания регулируется винтом.

Классификация предохранительных клапанов

Специалисты классифицируют устройства по различным параметрам.

По принципу действия:

• Прямого. Это классический механический предохранительный клапан.
• Непрямого. Используется датчик давления, автоматика управления, дистанционно управляемый вентиль. Датчик с вентилем могут быть разнесены по разным местам конструкции.

По способу открытия затвора:

• пропорционального (для малосжимаемых рабочих сред);
• двухступенчатые (для газов).

По способу нагружения золотника:

• пружинные;
• рычажно-грузовые;
• магнито-пружинные.

Существуют и другие типы аварийных предохранительных клапанов, применяемых в специальных промышленных установках.

Различия в конструкциях

Устройство различных предохранительных клапанов может различаться. Так, большая часть арматуры выпускается с одним седлом. Можно встретить и конструкции, в которых два седла (и два штока с пружинами) установлены рядом.

По отношению высоты подъема запорного элемента к его диаметру различают:

• малого подъема: до 1/20;
• среднего подъема: до 1/4;
• полного подъема: свыше 1/4.

Чем выше степень подъема, тем быстрее срабатывает устройство. Малоподъемные модели применяются для жидкостей, там, где не требуется сбрасывать большие объемы для снижения давления до нормального. В них высота подъема пропорциональна напору среды. Полноподъемные называют также двухпозиционными. Они имеют два положения: «Открыто» и «Закрыто» и предназначены для:

• жидкостных систем высокого давления;
• газов.

Такая конструкция позволяет быстро сбросить значительный объем газа или жидкости и применяется в особо ответственных установках и технологических комплексах.

Самые серьезные конструктивные различия наблюдаются в способах приложения нагружающей силы к запорному органу.

Пружинные клапаны

Наиболее распространены в бытовых системах- водонагревательных, водопроводных, отопительных. Золотник прижимается к седлу силой сжатой пружины. Изменяя степень предварительного сжатия пружины регулировочным винтом, можно настраивать ее на разные предельные значения. Многие модели снабжаются рычагом принудительного ручного открытия затвора для того, чтобы время от времени проверять работоспособность. Для устройств, работающих в опасных и вредных для здоровья средах, ручная контрольная продувка не предусматривается. Пружины, седла и камера устройств, работающих в агрессивных жидкостях и газах, покрывается специальными антикоррозийными покрытиями.

Шток, проходящий через корпус, уплотняется двойным сальником из особо стойких материалов (специальные сорта резины, фторопласт), исключающим в нормальных условиях проникновение агрессивных веществ в помещение.

Рычажно-грузовые клапаны

Такие конструкции для противодействия силе напора используют силу земного притяжения. Они могут монтироваться только в строго определенном производителем положении относительно горизонта и не допущены к применению на транспортных средствах и других подвижных объектах. Вес груза передается через рычаг штоку золотника, уравновешивая его до тех пор, пока давление в трубопроводе ниже порогового.

При больших значениях напора заметно увеличиваются габариты рычагов и грузов. Кроме того, они могут входить в резонанс и создавать высокие уровни вибрации.

Чтобы избавиться от этих эффектов, и применяют двухседельные клапаны, каждый из которых невелик по габаритам и весу. Регулировка таких устройств проводится добавлением или удалением части груза, размещенного на рычаге. Они отличаются стабильностью параметров работы и отсутствием эффекта старения пружин, снижающих их упругость.

Магнито-пружинные клапаны

Современные конструкции относятся к изделиям непрямого действия. Запорный элемент приводится в действие соленоидом. В нормальном положении электромагнит прижимает его к седлу, а по достижении предельного напора автоматика управления отключает напряжение на катушке индуктивности. Давление среды отжимает золотник и затвор открывается.

В другой конструкции прижатие осуществляется мощной пружиной, а по достижении порогового значения напора управляющая команда включает соленоид, и он поднимает клапан.

Существует исполнение, в котором соленоид и прижимает золотник, и отжимает его под действием противоположно приложенного напряжения. В случае отключения питания устройство продолжает работать как обычное пружинное.

Главное» преимущество магнитных устройств — для задания порогового значения нет необходимости в физическом доступе к арматуре. Порог можно изменить в настройках программы управления в зависимости от текущей ситуации или особенности данной стадии технологического процесса.

Такие конструкции стоят существенно дороже своих механических аналогов, но многократно окупают себя в сложных промышленных установках с большим чистом параметров и влияющих друг на друга элементов.

Технические требования к предохранительным клапанам

Основное требование, предъявляемое к аварийной арматуре- это надежность и четкость срабатывания. Достигается это за счет:

• Быстрое открытие при достижении порога срабатывания.
• Достаточная пропускная способность при открытии.
• Четкое закрытие при снижении напора до допустимого уровня.
• Гарантия герметичности и отсутствие утечек при нормальном напоре до и после срабатывания.
• Безотказность в течении паспортного срока эксплуатации и проектного числа срабатываний. Стабильность параметров упругих элементов и качества поверхностей золотника и седла.

Вся предохранительная арматура обязательно должна периодически испытываться на работоспособность, целостность и качество уплотнений. Для этого ее демонтируют и направляют в сертифицированную поверочную лабораторию или испытательный центр. Для предохранителей, работающих в сложных установках непрерывного цикла, допускается проверка на месте. Ее проводят методом испытания в действии.

Правила и стандарты

Применение предохранительной арматуры регулируется национальными и отраслевыми стандартами, правилами эксплуатации и техническими указаниями.

Для сосудов, работающих под давление, применяют следующие регламентирующие документы:

• (ПБ 03-576-03). Правила безопасности для сосудов и установок давления.
• «Boiler & Pressure Vessel Code» Американский стандарт.
• ГОСТ 24570-81 Национальный стандарт по предохранительным клапанам.

Системы, защищаемые аварийной арматурой, в случае их нештатной работы или аварии, представляют собой значительную угрозу производственной и общественной безопасности. Поэтому их проектирование, комплектация, монтаж, эксплуатация курируются уполномоченными органами, следящими за соблюдением требований правил и стандартов на всех этапах жизненного цикла оборудования. В РФ это поручено Ростехнадзору.

Выбор аварийной арматуры

При проектировании системы водоснабжения, отопления или технологической установки необходимо четко определить предельные значения давления, допустимые для ее компонентов или участков сети. При этом учитываются такие параметры, как:

• производительность бойлера или главного насоса;
• объем и рабочая температура рабочей среды;
• особенности ее циркуляции.

Исходя их этого, определяют тип, сечение, пропускную способность, пороговое значение срабатывания, скорость срабатывания и время возвращения в исходное состояние, а также количество и места монтажа предохранительной арматуры.

В бытовых отопительных системах чаще всего применяются пружинные клапаны. Для жидкостных сред вполне достаточно использовать устройства низкого или среднего подъема. Пропускная способность должна обеспечивать быстрый сброс напора до допустимых величин.

Конструкция корпуса определяется местом сброса излишнего количества рабочей среды. Если она будет сбрасывать непосредственно в окружающую среду- достаточно клапана открытого типа. Если сброс должен происходить в дренаж- потребуется корпус с выходным патрубком соответствующего типа присоединения. Чаще всего используют резьбовой или ниппельное.

Ни в коем случае нельзя приобретать клапан с завышенным относительно расчетного порогом срабатывания. Такое устройство не откроется в нужный момент. Это может привести к повреждению оборудования или даже к полной аварии системы.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Для сброса избыточного давления в атмосферу применяются клапаны предохранительные пружинные, которые представляют собой специальную трубопроводную арматуру, обеспечивающую надежную защиту трубопровода от возникновения неполадок и механических повреждений. Устройство отвечает за автоматический сброс избытка жидкостей, пара и газа из сосудов и систем до того момента, пока давление не будет нормализовано.

Предназначение пружинного клапана

Опасное превышения давления в системе возникает в результате внешних и внутренних факторов. К повышению приводит как неправильный сбор тепломеханических схем, вызывающий сбои в функционировании оборудования, попадание тепла в систему от посторонних источников, так и внутрисистемные физические процессы, которые не предусматриваются стандартными условиями эксплуатации, периодически возникающими в системе.

Предохранительные изделия — обязательная часть любой бытовой или промышленной системы, работающей под давлением. Установка предохранительных механизмов осуществляется на трубопроводах в компрессорных станциях, на автоклавах, в котельных. Клапаны выполняют защитные функции на трубопроводах, по которым транспортируются не только газообразные, но и жидкие вещества.

Устройство и принцип работы пружинных клапанов

Клапан состоит из стального корпуса, нижний штуцер которого используется в качестве соединительного элемента между ним и трубопроводом. Если в системе повышается давление, сброс среды происходит через боковой штуцер. Отрегулированная в зависимости от давления в системе пружина обеспечивает прижимание золотника к седлу. Регулировка пружины происходит посредством специальной втулки, которая вкручена в верхнюю крышку, расположенную на корпусе устройства. Размещенный в верхней части колпак предназначен для защиты втулки от разрушения в результате механических воздействий. Наличие специального ушка для пломбировки позволяет предохранить систему от постороннего вмешательства.

Для клапанов, в которых уравновешивающим механизмом выступает пружина, подбирается усилие рабочего органа. Если параметры подобраны правильно, при нормальном состоянии системы золотник, отвечающий за выпуск излишнего давления из трубопровода, должен быть прижат к седлу. Когда рабочие показатели увеличивается до критического уровня в зависимости от типа пружинного устройства золотник отходит вверх на определенную высоту.

Предохранительный пружинный клапан, обеспечивающий своевременный сброс давления, изготавливают из разных материалов:

• Углеродистая сталь. Подобные устройства подходят для систем, давление в которых пребывает в пределах 0,1-70 Мпа.
• Нержавеющая сталь. Клапаны из нержавеющей стали рассчитаны на системы, давление в которых не превышает 0,25-2,3 Мпа.

Классификация и характеристики пружинных клапанов

Клапан предохранительный пружинный выпускается в трех исполнениях:

• Малоподъемные устройства подходят для систем газопроводов и паропроводов, давление в которых не превышает 0,6 Мпа. Высота подъема такого клапана не достигает более 1/20 диаметра седла
• Среднеподъемные устройства, в которых высота подъема золотника составляет от 1/6 до 1/10 от диметра сопла.
• Полноподъемные устройства, в которых высота подъема клапана достигает до ¼ от диаметра седла.

Известна классификация клапанов исходя из способа их открывания:

• Обратный пружинный клапан. Для управления обратными пружинными клапанами привлекается непрямой посторонний источник давления. Обратные пружинные клапаны, которые называют импульсными предохранительными устройствами, могут работать посредством воздействия электроэнергии.
• Прямой клапан. В устройствах прямого типа рабочее давление среды оказывает непосредственное воздействие на золотник, который поднимается при повышении давления.

Выделяют клапаны открытого и закрытого типа. В случае использования устройства прямого типа при открывании клапана среда сбрасывается прямо в атмосферу. Клапаны закрытого типа остаются полностью герметичными по отношению к окружающей среде, сбрасывая давление в специальный трубопровод.

Преимущества

Выделяют различные виды оборудования, обеспечивающего сброс избыточного давления из системы, но клапаны предохранительные пружинные пользуются популярностью благодаря наличию важных преимуществ:

• Простота и надежность конструкции.
• Легкость осуществления настройки рабочих параметров и удобство монтажа.
• Разнообразие размеров, типов и конструктивных исполнений.
• Установка предохранительного изделия возможна как в горизонтальном, так и в вертикальном положении.
• Относительно небольшие габаритные размеры.
• Большое проходное сечение.

К минусам предохранительных клапанов относят наличие ограничений в высоте подъема золотника, повышенные требования к качеству изготовления пружины для предохранительных клапанов, которая может выйти из строя при работе в условиях агрессивной среды или постоянном воздействии высоких температур.

Как выбрать пружинный клапан?

При выборе предохранителя стоит основываться на нескольких важных принципах, от учета которых зависит бесперебойная работа системы и возможность выполнения предохранителем необходимых функций:

• Предохранительные пружинные клапаны обладают наименьшими габаритами по сравнению с другими типами клапанов предохранительных сбросных, поэтому их следует выбирать в тех случаях, когда свободного пространства недостаточно.
• Особенности применения клапанов связаны с наличием повышенных вибраций, которые отрицательно влияют на эксплуатационные характеристики устройства и могут быстро привести его в негодность. Например, устройства рычажно-грузового типа более подвержены поломкам из-за воздействия вибраций в силу наличия в конструкции длинного рычага с весом и шарниров. Поэтому для систем, в которых наблюдаются значительные вибрационные воздействия, стоит выбирать предохранительный пружинный клапан.
• В зависимости от особенностей конструкции прибора, пружина со временем может изменять усилие давления. Это связано с тем, что постоянный подъем золотника вызывает изменения в структуре металла.

Нюансы монтажа

Предохранительный клапан пружинного типа устанавливают в любой точке системы, которая подвергается повышенному давлению и находится под угрозой получить механические повреждения. Устройство не требует наличия большого свободного пространства, что является значительным преимуществом по сравнению с другими типами предохранительных устройств.

С целью избежания неполадок в работе перед предохранительным клапаном не следует устанавливать любую запорную арматуру. Для сброса газообразной среды устанавливаются специальные устройства или же сброс происходит непосредственно в атмосферу. Для оповещения персонала вместе с пружинными клапанами монтируют специальный свисток, который размещают на сбросном патрубке. При срабатывании клапана будет поступать сигнал свистка, означающий, что в системе повысилось давление и клапан открылся для сброса среды.

Возможные причины поломок предохранительного клапана

Клапаны предохранительные – это прочные и надежные устройства, обеспечивающие постоянную защиту систем от превышения давления. Прямой или обратный пружинный клапан выходят из строя по нескольким причинам:

• Наличие повышенных вибраций;
• Постоянное воздействие агрессивной среды на предохранительный дроссель.
• Неправильная установка предохранительного пружинного дросселя или клапана.

С целью избегания аварий и неисправностей в функционировании систем предохранительные клапаны проходят периодические проверки на наличие неполадок. Клапаны тестируют на прочность и плотность перед введением в эксплуатацию. Также периодические проверки проводятся с целью определения герметичности уплотнительных поверхностей и сальниковых соединений.

При правильном выборе предохранительных устройств с учетом параметров системы, проведении периодических проверок и своевременном устранении неисправностей предохранительные пружинные клапаны обеспечат надежное функционирование системы и безотказную защиту от превышения давления на протяжении длительного времени.

>