Монтаж предохранительного клапана

Важные рекомендации по монтажу, включая обращение с клапаном, условия эксплуатации, конфигурацию трубопроводов, маркировку и вопросы шума.

#Герметичность седла

Герметичность седла является важным фактором при выборе и монтаже предохранительного клапана, поскольку она влияет не только на постоянные потери рабочей среды из системы, но и на состояние уплотнительных поверхностей. Утечки могут вызывать их износ, что приводит к преждевременному открытию клапана. На герметичность седла влияют три основных фактора: во-первых, характеристики самого предохранительного клапана; во-вторых, качество его монтажа; в-третьих, условия эксплуатации.

#Характеристики предохранительного клапана

Чтобы клапан с металлическим седлом обеспечивал приемлемую герметичность, уплотняющие поверхности должны иметь высокую степень плоскостности и очень хорошее качество обработки поверхности. Тарелка должна свободно самоцентрироваться на штоке, а направляющая штока не должна создавать чрезмерного трения. Типичные значения, требуемые для приемлемой герметичности клапана с металлическим седлом, составляют 0.5 μm по шероховатости поверхности и две интерференционные полосы по плоскостности. Кроме того, для обеспечения разумного срока службы сопрягаемые и уплотняющие поверхности должны обладать высокой износостойкостью. В отличие от обычных запорных клапанов, результирующее закрывающее усилие, действующее на тарелку, относительно невелико, поскольку разница между давлением системы, действующим на тарелку, и противодействующим ему усилием пружины невелика. Для улучшения герметичности, если это допускают условия эксплуатации, в тарелках клапанов часто применяют эластичные или эластомерные уплотнения. Однако следует помнить, что мягкое уплотнение обычно более подвержено повреждению, чем металлическое седло.

#Монтаж предохранительного клапана

Повреждение седла часто возникает при первом открытии клапана в ходе общей пусконаладки установки, поскольку в системе нередко присутствуют загрязнения и мусор. Чтобы исключить прохождение посторонних частиц через клапан, систему следует промыть до монтажа предохранительного клапана, а сам клапан должен устанавливаться в месте, где не могут скапливаться грязь, окалина и мусор. Для паровых систем также важно снизить вероятность утечек, устанавливая клапан так, чтобы конденсат не скапливался на стороне перед тарелкой. Это достигается монтажом предохранительного клапана над паропроводом, как показано на Figure 9.5.1. Если предохранительные клапаны устанавливаются ниже трубопровода, пар будет конденсироваться, заполнять трубу и смачивать сторону седла перед клапаном. Такой вариант монтажа не рекомендуется, но показан на Figure 9.5.2 для справки. Также крайне важно всегда обеспечивать хороший дренаж выходного трубопровода, чтобы исключить его затопление с выходной стороны клапана, поскольку это также способствует коррозии и утечкам, как показано на Figure 9.5.3.

#Эксплуатация предохранительного клапана

Утечки также могут возникать при попадании грязи или окалины на уплотняющую поверхность. Обычно это происходит во время периодических подъёмов клапана, требуемых страховыми организациями и программами планового технического обслуживания. Дополнительный подъём рычага, как правило, позволяет удалить загрязнения с уплотняющей поверхности. Подавляющее большинство проблем с утечками через седло предохранительного клапана возникает уже после изготовления и испытаний. Обычно эти проблемы вызваны повреждениями при транспортировке, а иногда неправильным обращением, загрязнением или плохим монтажом. Большинство стандартов на предохранительные клапаны не содержат детализированных требований к герметичности. В тех стандартах, где такие требования есть, они и рекомендуемые методы испытаний обычно основаны на стандарте API 527, широко применяемом в отрасли предохранительных клапанов. Методика испытания клапанов, настроенных на воздухе, предусматривает перекрытие всех вторичных путей утечки при поддержании на клапане давления воздуха, равного 90% давления настройки (см. Figure 9.5.4). Выход предохранительного клапана соединяют с трубкой внутренним диаметром 6 mm, конец которой погружают на 12.7 mm ниже поверхности воды в подходящем прозрачном сосуде. Измеряется число пузырьков, выходящих из трубки за минуту. Для большинства клапанов, настроенных ниже 70 bar g, критерием приемки является не более 20 пузырьков в минуту. Для клапанов, настроенных на паре или воде, уровень утечки следует оценивать с использованием соответствующей среды настройки. Для пара в течение одной минуты на чёрном фоне не должно наблюдаться видимых утечек после трёхминутного периода стабилизации. В случае воды допускается небольшая утечка, зависящая от площади отверстия, в размере 10 ml в час на каждый дюйм номинального диаметра входа. Описанная выше процедура может быть трудоёмкой, поэтому производители часто применяют альтернативные методы испытаний, например используют высокоточное измерительное оборудование расхода, откалиброванное по параметрам API 527. Ни при каких обстоятельствах нельзя прикладывать дополнительную нагрузку к рычагу принудительного подъёма и нельзя фиксировать клапан, чтобы повысить герметичность седла. Это изменяет рабочие характеристики и может привести к тому, что предохранительный клапан не откроется при избыточном давлении. Если уровень утечки через седло неприемлем, клапан можно восстановить или отремонтировать, но только уполномоченным персоналом, с одобрения производителя и с использованием предоставленной им информации. Обычно поставляемые запасные части включают пружины, тарелки и сопла, эластичные уплотнения и прокладки. Во многих клапанах имеются седельные кольца, которые не снимаются; их иногда можно переформовать и притереть непосредственно в корпусе. Однако крайне важно точно сохранить размер проходного отверстия седла в соответствии с исходными чертежами, поскольку его изменение меняет эффективную площадь и, следовательно, может повлиять на давление настройки. Недопустимо притирывать тарелку непосредственно к седлу в корпусе, поскольку на тарелке образуется канавка, препятствующая стабильной герметичности после срабатывания. В клапанах с эластичным уплотнением обычно можно заменить само уплотнение (как правило, это кольцо «O» или диск) в сборе тарелки. Если необходимо сохранить одобрение независимого органа, обязательным условием является выполнение ремонта организацией, действующей как утверждённый агент производителя. Для клапанов, одобренных по ASME, ремонтная организация должна также иметь независимое одобрение National Board и после ремонта вправе наносить клеймо VR, указывающее, что клапан был отремонтирован.

#Маркировка

Стандарты на предохранительные клапаны обычно очень строго определяют, какая информация должна быть нанесена на клапан. Маркировка обязательна как на корпусе, обычно литая или штампованная, так и на табличке, которая должна быть надёжно закреплена на клапане. Ниже приведено общее резюме требуемой информации: На корпусе:

• Обозначение размера.
• Обозначение материала корпуса.
• Наименование производителя или товарный знак.
• Стрелка направления потока. На идентификационной табличке:
• Давление настройки (в bar g для европейских клапанов и psi g для клапанов ASME).
• Номер соответствующего стандарта (или соответствующее клеймо ASME).
• Ссылка на тип модели производителя.
• Пониженный коэффициент расхода или сертифицированная пропускная способность.
• Площадь проходного сечения.
• Подъём и overpressure.
• Дата изготовления или ссылочный номер. Одобренные National Board клейма ASME наносятся следующим образом: V - предохранительные и предохранительно-сбросные клапаны, одобренные по ASME I. UV - предохранительные и предохранительно-сбросные клапаны, одобренные по ASME VIII. UD - устройства с разрывным диском, одобренные по ASME VIII. NV - устройства сброса давления, одобренные по ASME III. VR - уполномоченный ремонт предохранительных устройств. В Table 9.5.1 приведена система маркировки, требуемая TÜV, а в Table 9.5.2 - буквенные обозначения рабочих сред.

#Монтаж

Предохранительные клапаны являются высокоточными элементами защитной арматуры; они настраиваются с малыми допусками и имеют точно обработанные внутренние детали. При небрежном обращении или неправильной установке они легко повреждаются и чувствительны к перекосам. По возможности клапаны следует перевозить в вертикальном положении, и их никогда нельзя переносить или поднимать за рычаг принудительного подъёма. Кроме того, защитные пробки и фланцевые заглушки не следует снимать до фактического монтажа. При перемещении клапана также необходимо избегать сильных ударов, так как это может привести к серьёзным внутренним повреждениям или перекосу.

#Входной трубопровод

При проектировании входного трубопровода одной из основных задач является минимизация потери давления в этом трубопроводе. EN ISO 4126 рекомендует поддерживать её ниже 3% давления настройки во время сброса. Если предохранительные клапаны подключаются через короткие «stub» патрубки, входной трубопровод должен быть не меньше входного присоединения самого клапана. Для более крупных линий или линий с изгибами и отводами ответвление должно быть как минимум на два типоразмера больше входного присоединения предохранительного клапана, после чего его сужают до размера входа клапана (см. Figure 9.5.5a). Чрезмерные потери давления могут вызвать «chatter», что приводит к снижению пропускной способности и повреждению уплотняющих поверхностей и других деталей клапана. Для уменьшения потерь давления на входе можно использовать следующие меры:

• Увеличить диаметр трубы (см. Figure 9.5.5 (a)).
• Обеспечить достаточное скругление углов. Стандарт EN ISO 4126: Part 1 рекомендует радиус скругления не менее одной четверти диаметра прохода (см. Figure 9.5.5 (b)).
• Уменьшить длину входного трубопровода.
• Устанавливать клапан как минимум на расстоянии 8 - 10 диаметров трубы после любого сходящегося или расходящегося тройника типа Y, а также после любого изгиба (см. Figure 9.5.5 (c)).
• Никогда не устанавливать отвод к предохранительному клапану прямо напротив ответвления на нижней стороне паропровода.
• Избегать дополнительных ответвлений на входном трубопроводе (например, к другим процессам), так как это увеличивает падение давления. Предохранительные клапаны всегда следует устанавливать так, чтобы колпак был направлен строго вертикально вверх. Монтаж клапана в любом ином положении может повлиять на его рабочие характеристики. В рекомендациях API Recommended Practice 520 также указано, что предохранительный клапан не следует устанавливать в конце длинного горизонтального трубопровода, в котором обычно нет потока. Это может привести к накоплению посторонних частиц или конденсата, которые могут вызвать ненужное повреждение клапана или нарушить его работу.

#Выходной трубопровод

Существуют два возможных типа системы сброса: открытая и закрытая. Открытая система сбрасывает среду непосредственно в атмосферу, тогда как закрытая - в общий коллектор вместе с другими предохранительными клапанами. Для паровых и газовых систем рекомендуется выполнять выходной трубопровод с подъёмом, а для жидкостей - с уклоном вниз. Горизонтальный трубопровод должен иметь уклон не менее 1:100 от клапана, чтобы любой сброс самотёком удалялся из системы. Важно дренировать любой восходящий выходной трубопровод. Для вертикальных подъёмов потребуется отдельный дренаж. Примечание: ко всем точкам дренажа системы применяются те же меры предосторожности, в частности они не должны влиять на работу клапана, а вся жидкость должна безопасно отводиться. Крайне важно исключить возможность скопления среды на выходной стороне предохранительного клапана, поскольку это ухудшит его работу и вызовет коррозию пружины и внутренних деталей. Многие предохранительные клапаны снабжаются дренажным присоединением корпуса; если оно не используется или не предусмотрено, рядом с выходом клапана следует установить дренаж малого диаметра (см. Figure 9.5.3). Одним из основных вопросов в закрытых системах является падение давления, или нарастающее противодавление, в системе сброса. Как отмечалось в Module 9.2, это может резко ухудшить работу предохранительного клапана. EN ISO 4126: Part 1 требует поддерживать это падение давления ниже 10% давления настройки. Для этого выходной трубопровод можно подобрать по Equation 9.5.1. Давление (P) следует принимать как максимально допустимое падение давления по соответствующему стандарту. В случае EN ISO 4126: Part 1 это будет 10% давления настройки, и именно при этом давлении принимается vg. Пример 9.5.1 Рассчитать номинальный диаметр выходного трубопровода для предохранительного клапана, который должен сбрасывать 1 000 kg/h насыщенного пара, если пар отводится в вентилируемый резервуар через трубопровод с эквивалентной длиной 25 m. Давление настройки предохранительного клапана составляет 10 bar g, допустимое противодавление - 10% давления настройки. (Предположить нулевое падение давления вдоль вентиляционного патрубка резервуара). Ответ: если допускается максимальное противодавление 10%, то манометрическое давление на выходе предохранительного клапана составит: Следовательно, внутренний диаметр трубопровода, присоединённого к выходу предохранительного клапана, должен быть не менее 54 mm. Для трубы schedule 40 это соответствует трубе DN65. Если снизить противодавление до уровня ниже 10% давления настройки невозможно, следует применять сбалансированный предохранительный клапан. Сбалансированные предохранительные клапаны требуют вентиляции колпака в атмосферу. В случае сбалансированного сильфонного исполнения выброса технологической среды не будет, поэтому вентиляцию можно напрямую вывести в атмосферу. Основной задачей при проектировании является предотвращение засорения этого вентиляционного канала, например посторонними частицами или льдом. В случае исполнения со сбалансированным поршнем необходимо учитывать, что через вентиляционный канал колпака может выходить технологическая среда. При сбросе в систему под давлением этот канал должен быть подобран по размеру так, чтобы над поршнем не возникало противодавления. Предохранительные клапаны, установленные снаружи здания и сбрасывающие среду непосредственно в атмосферу, следует защищать колпаком. Колпак обеспечивает сброс среды, но предотвращает накопление грязи и мусора в выходном трубопроводе, которые могли бы повлиять на противодавление. Конструкция колпака также не должна вызывать дополнительного противодавления.

#Коллекторы

Коллекторы должны быть рассчитаны так, чтобы в наихудшем случае (то есть когда сбрасывают все подключённые клапаны) трубопровод обладал достаточной пропускной способностью и не создавал недопустимого противодавления. Объём коллектора желательно увеличивать в местах подключения каждого выхода клапана, а сами подключения должны входить в коллектор под углом не более 45° к направлению потока (см. Figure 9.5.6). Коллектор также должен быть надёжно закреплён и, при необходимости, иметь дренаж. Для паровых систем использование коллекторов обычно не рекомендуется, однако их можно применять, если все аспекты конструкции и монтажа должным образом учтены.

#Реактивные силы при сбросе

В открытых системах необходимо внимательно учитывать воздействие реактивных сил, возникающих в системе сброса при открытии клапана. В таких системах возникает значительная результирующая сила, направленная противоположно направлению сброса. Важно не допустить передачи чрезмерных нагрузок от этих реактивных сил на клапан или входное присоединение, поскольку это может привести к повреждению входного трубопровода. Величину реактивных сил можно рассчитать по формуле из Equation 9.5.2: Обычно реактивные силы невелики для предохранительных клапанов номинальным диаметром менее 75 mm, но клапаны большего размера, как правило, имеют на корпусе монтажные фланцы для реактивной штанги, чтобы клапан можно было надёжно закрепить. В закрытых системах эти реактивные силы обычно незначительны, поэтому ими можно пренебречь. Независимо от величины реактивных сил сам предохранительный клапан никогда не должен использоваться в качестве опоры для выходного трубопровода; должна быть предусмотрена отдельная опора, воспринимающая вес трубопровода сброса. Эту опору следует располагать как можно ближе к осевой линии выпускной трубы (см. Figure 9.5.7). На Figures 9.5.8 и 9.5.9 показаны типичные схемы установки предохранительных клапанов для открытых и закрытых систем.

#Переключающие клапаны

Переключающие клапаны (см. Figure 9.5.10) позволяют установить рядом два предохранительных клапана, из которых один находится в работе, а другой изолирован. Это даёт возможность выполнять регулярное техническое обслуживание без перерыва в работе и без вывода из эксплуатации защищаемого сосуда. Переключающие клапаны сконструированы так, что при их переключении проходное сечение никогда не перекрывается. Переключающие клапаны также могут использоваться для объединения выходов предохранительных клапанов, чтобы не дублировать выходной трубопровод. Ход как входных, так и выходных переключающих клапанов должен быть ограничен и синхронизирован по соображениям безопасности. Обычно это достигается цепным приводом, связывающим оба маховика. При определении падения давления на входе предохранительного клапана необходимо учитывать потери давления на переключающем клапане; эти потери должны быть ограничены 3% давления настройки.

#Шумовое излучение

Хотя сброс через предохранительный клапан не должен происходить часто, если он всё же происходит, создаваемый шум нередко бывает значительным. Поэтому необходимо определять уровень звука предохранительных клапанов, чтобы не превышать допустимые значения, установленные правилами охраны труда и техники безопасности. Если предположить звуковой режим истечения через сопло, приблизительное значение уровня звука LP в децибелах на выходном фланце можно рассчитать по формуле из Equation 9.5.3 (источник API 521). Существует несколько способов снижения уровня шума. Самый простой - использовать выходные трубы большего диаметра или тепло- и звукоизолировать выходной трубопровод (однако сам клапан изолировать нельзя). В крайних случаях допускается применение глушителя, но при этом необходимо учитывать создаваемое им противодавление.