Типы предохранительных клапанов

Подробное объяснение множества типов предохранительных клапанов, включая принципы работы, материалы изготовления и принадлежности.

#Типы предохранительных клапанов

Существует широкий ассортимент предохранительных клапанов, предназначенных для самых разных применений и требований к работе в различных отраслях. Кроме того, национальные стандарты определяют множество различных типов предохранительных клапанов. Стандарты ASME I и ASME VIII для применений на котлах и сосудах под давлением, а также стандарт ASME/ANSI PTC 25.3 для предохранительных и сбросных клапанов дают следующие определения. Эти стандарты задают эксплуатационные характеристики, а также определяют различные типы применяемых предохранительных клапанов: Клапан ASME I - Предохранительно-сбросной клапан, соответствующий требованиям Section I кодекса ASME для котлов, который открывается в пределах 3% overpressure и закрывается в пределах 4%. Обычно имеет два кольца blowdown и обозначается клеймом National Board V. Клапан ASME VIII - Предохранительно-сбросной клапан, соответствующий требованиям Section VIII кодекса ASME для сосудов под давлением, который открывается в пределах 10% overpressure и закрывается в пределах 7%. Обозначается клеймом National Board UV.

• Предохранительный клапан малого подъёма - Фактическое положение тарелки определяет площадь истечения клапана.
• Полноподъёмный предохранительный клапан - Площадь истечения не определяется положением тарелки.
• Полнопроходной предохранительный клапан - Предохранительный клапан, не имеющий выступов в проходе и поднимающийся на величину, достаточную для того, чтобы минимальная площадь в любом сечении на уровне седла или ниже стала определяющим проходным отверстием.
• Обычный предохранительно-сбросной клапан - Пружинный корпус вентилируется на сторону сброса, поэтому эксплуатационные характеристики напрямую зависят от изменений противодавления на клапане.
• Сбалансированный предохранительно-сбросной клапан - Сбалансированный клапан имеет средства минимизации влияния противодавления на рабочие характеристики клапана.
• Пилотный клапан сброса давления - Основное сбросное устройство объединено с самодействующим вспомогательным устройством сброса давления и управляется им.
• Предохранительно-сбросной клапан с внешним приводом - Клапан сброса давления, в котором основное сбросное устройство объединено с устройством, требующим внешнего источника энергии, и управляется им. Следующие типы предохранительных клапанов определены стандартом DIN 3320, относящимся к клапанам, продаваемым в Германии и других частях Европы:
• Стандартный предохранительный клапан - Клапан, который после открытия достигает подъёма, необходимого для пропуска массового расхода, при повышении давления не более чем на 10%. (Такой клапан характеризуется pop-действием и иногда называется клапаном большого подъёма).
• Полноподъёмный (Vollhub) предохранительный клапан - Предохранительный клапан, который после начала подъёма быстро открывается при росте давления в пределах 5% до полного подъёма, ограниченного конструкцией. Величина подъёма до быстрого открытия (пропорциональный диапазон) не должна превышать 20%.
• Предохранительный клапан прямой нагрузки - Предохранительный клапан, в котором открывающему усилию под тарелкой противодействует закрывающее усилие, создаваемое, например, пружиной или грузом.
• Пропорциональный предохранительный клапан - Предохранительный клапан, открывающийся более или менее плавно по мере роста давления. Резкого открытия в пределах 10% подъёма без повышения давления не происходит. После открытия такие клапаны при повышении давления не более чем на 10% достигают подъёма, необходимого для пропуска массового расхода.
• Мембранный предохранительный клапан - Предохранительный клапан прямой нагрузки, в котором линейно перемещающиеся и вращающиеся элементы, а также пружины защищены от воздействия среды мембраной.
• Сильфонный предохранительный клапан - Предохранительный клапан прямой нагрузки, в котором скользящие и (частично или полностью) вращающиеся элементы, а также пружины защищены от воздействия среды сильфоном. Сильфон может иметь такую конструкцию, что одновременно компенсирует влияние противодавления.
• Управляемый предохранительный клапан - Состоит из основного клапана и управляющего устройства. К этой категории также относятся прямодействующие предохранительные клапаны с дополнительной нагрузкой, в которых до достижения давления настройки дополнительная сила увеличивает закрывающее усилие. EN ISO 4126 содержит следующие определения типов предохранительных клапанов:
• Предохранительный клапан - Клапан, который автоматически, без использования какой-либо энергии, кроме энергии самой рабочей среды, сбрасывает часть этой среды, чтобы не допустить превышения заранее установленного безопасного давления, и рассчитан на повторное закрытие и предотвращение дальнейшего потока среды после восстановления нормальных рабочих условий давления. Примечание: клапан может характеризоваться либо pop action (быстрым открытием), либо открытием пропорционально (не обязательно линейно) росту давления сверх давления настройки.
• Предохранительный клапан прямой нагрузки - Предохранительный клапан, в котором нагрузке от давления среды под тарелкой противодействует только прямое механическое нагружающее устройство, такое как груз, рычаг с грузом или пружина.
• Предохранительный клапан с вспомогательным приводом - Предохранительный клапан, который с помощью механизма силового вспоможения может дополнительно открываться при давлении ниже давления настройки и который даже в случае отказа механизма вспоможения соответствует всем требованиям стандарта к предохранительным клапанам.
• Предохранительный клапан с дополнительной нагрузкой - Предохранительный клапан, в котором до достижения давления настройки на входе действует дополнительная сила, увеличивающая герметизирующее усилие. Примечание: эта дополнительная сила (supplementary load), которая может создаваться внешним источником энергии, надёжно снимается, когда давление на входе предохранительного клапана достигает давления настройки. Величина дополнительной нагрузки выбирается так, чтобы даже если она не будет снята, предохранительный клапан достиг своей сертифицированной пропускной способности при давлении не выше 1.1 максимального допустимого давления защищаемого оборудования.
• Пилотный предохранительный клапан - Предохранительный клапан, работа которого инициируется и управляется средой, сбрасываемой пилотным клапаном, который сам является предохранительным клапаном прямой нагрузки и должен соответствовать требованиям стандарта. Следующая таблица суммирует характеристики различных типов предохранительных клапанов, установленные различными стандартами.

#Обычные предохранительные клапаны

Общая черта, объединяющая определения обычных предохранительных клапанов в различных стандартах, состоит в том, что на их рабочие характеристики влияет любое противодавление в системе сброса. Важно отметить, что суммарное противодавление складывается из двух составляющих: наложенного противодавления и нарастающего противодавления:

• Наложенное противодавление - статическое давление, существующее на выходной стороне закрытого клапана.
• Нарастающее противодавление - дополнительное давление, возникающее на выходной стороне при сбросе клапана. Следовательно, в обычном предохранительном клапане только наложенное противодавление влияет на характеристику открытия и значение настройки, тогда как суммарное противодавление изменяет характеристику blowdown и давление посадки. Стандарт ASME/ANSI дополнительно классифицирует обычные клапаны как имеющие пружинный корпус, вентилируемый на сторону сброса клапана. Если пружинный корпус вентилируется в атмосферу, наложенное противодавление всё равно будет влиять на рабочие характеристики. Это видно на Figure 9.2.1, где схематически показаны клапаны с пружинным корпусом, вентилируемым на сторону сброса и в атмосферу.

#Сбалансированные предохранительные клапаны

Сбалансированные предохранительные клапаны - это клапаны, в конструкции которых предусмотрены средства устранения влияния противодавления. Для этого используются две основные схемы: Сбалансированный предохранительный клапан поршневого типа. Хотя существует несколько вариантов поршневого клапана, как правило, они состоят из тарелки поршневого типа, движение которой ограничивается вентилируемой направляющей. Площадь верхней поверхности поршня AP и площадь седла сопла AN проектируются равными. Это означает, что эффективная площадь верхней и нижней поверхностей тарелки, подвергающихся действию противодавления, одинакова, и возникающие дополнительные силы взаимно уравновешиваются. Кроме того, колпак пружины вентилируется так, что верхняя поверхность поршня находится под атмосферным давлением, как показано на Figure 9.2.2.

#Пилотный предохранительный клапан

В этом типе предохранительного клапана сама рабочая среда через пилотный клапан используется для создания закрывающего усилия на тарелке предохранительного клапана. Сам пилотный клапан представляет собой малый предохранительный клапан. Существуют два основных типа пилотных предохранительных клапанов: мембранный и поршневой. Мембранный тип обычно выпускается только для низких давлений и имеет пропорциональную характеристику, типичную для relief valve в жидкостных системах. Поэтому в паровых системах он мало применим и в данном тексте рассматриваться не будет. Клапан поршневого типа состоит из основного клапана с поршнеобразным запорным органом (или обтуратором) и внешнего пилотного клапана. Figure 9.2.4 показывает типичную схему пилотного предохранительного клапана поршневого типа.

#Полноподъёмные, большого подъёма и малого подъёма предохранительные клапаны

Термины full lift, high lift и low lift относятся к величине перемещения тарелки от закрытого положения до положения, необходимого для обеспечения сертифицированной пропускной способности, и к тому, как это влияет на пропускную способность клапана. Полноподъёмный предохранительный клапан - это клапан, в котором тарелка поднимается достаточно высоко, так что площадь кольцевого зазора перестаёт влиять на площадь истечения. Следовательно, площадь истечения, а значит и пропускная способность клапана, определяются площадью прохода. Это происходит, когда тарелка поднимается как минимум на четверть диаметра прохода. Полноподъёмный обычный предохранительный клапан часто является лучшим выбором для общих паровых применений. Тарелка предохранительного клапана большого подъёма поднимается на величину не менее 1/12 диаметра прохода. Это означает, что площадь кольцевого зазора и, в конечном счёте, положение тарелки определяют площадь истечения. Пропускная способность клапанов большого подъёма обычно заметно ниже, чем у полноподъёмных клапанов, и для заданной пропускной способности обычно можно выбрать полноподъёмный клапан с номинальным размером в несколько раз меньше соответствующего клапана большого подъёма, что часто даёт преимущества по стоимости. Кроме того, клапаны большого подъёма, как правило, применяются на сжимаемых средах, где их работа более пропорциональна. В клапанах малого подъёма тарелка поднимается только на 1/24 диаметра прохода. Площадь истечения полностью определяется положением тарелки, и поскольку тарелка поднимается незначительно, пропускная способность обычно намного ниже, чем у полноподъёмных клапанов и клапанов большого подъёма.

#Материалы изготовления

За исключением моментов сброса, единственными частями предохранительного клапана, смачиваемыми технологической средой, являются входной тракт (сопло) и тарелка. Поскольку в нормальных условиях предохранительные клапаны срабатывают редко, все остальные компоненты в большинстве применений могут изготавливаться из стандартных материалов. Однако есть ряд исключений, когда необходимо использовать специальные материалы, в том числе:

• Криогенные применения.
• Коррозионно-активные среды.
• Случаи, когда загрязнение сбрасываемой среды недопустимо.
• Случаи, когда клапан сбрасывает среду в коллектор, содержащий коррозионно-активную среду, сброшенную другим клапаном. Основные элементы предохранительных клапанов, содержащие давление, обычно изготавливаются из одного из следующих материалов:
• Бронза - Обычно используется для малых резьбовых клапанов общего назначения на паре, воздухе и горячей воде (до 15 bar).
• Чугун - Широко используется для клапанов типа ASME. Обычно применение ограничено 17 bar g.
• Высокопрочный чугун (SG iron) - Обычно используется в европейских клапанах и для замены обычного чугуна в клапанах более высокого давления (до 25 bar g).
• Литая сталь - Широко используется для клапанов более высокого давления (до 40 bar g). Клапаны технологического типа обычно выполняются с литым стальным корпусом и полным соплом из аустенитной стали.
• Аустенитная нержавеющая сталь - Используется в пищевой, фармацевтической промышленности или в системах чистого пара. Для очень высоких давлений элементы, содержащие давление, могут коваться или обрабатываться из цельной заготовки. Для всех предохранительных клапанов важно, чтобы подвижные элементы, особенно шпиндель и направляющие, были изготовлены из материалов, не склонных к быстрому износу или коррозии. Поскольку седла и тарелки постоянно контактируют с технологической средой, они должны быть стойкими к эрозии и коррозии. В технологических применениях для седел и тарелок обычно используется аустенитная нержавеющая сталь; иногда для повышения стойкости они покрываются stellite. Для особо коррозионных сред сопла, тарелки и седла изготавливают из специальных сплавов, таких как monel или hastelloy. Пружина является критически важным элементом предохранительного клапана и должна обеспечивать надёжную работу в требуемых пределах. В стандартных предохранительных клапанах для умеренных температур обычно используется углеродистая сталь. Для более высоких температур и некоррозионных применений используется вольфрамовая сталь, а для коррозионных сред или чистого пара - нержавеющая сталь. Для кислых газов и высокотемпературных применений часто используют специальные материалы, такие как monel, hastelloy и inconel.

#Опции и принадлежности предохранительных клапанов

Из-за широкого спектра применений предохранительных клапанов существует множество различных дополнительных опций: Материал уплотнения Одной из ключевых опций является материал уплотнения. Металлические седла metal-to-metal, обычно изготовленные из нержавеющей стали, как правило, используются для высокотемпературных применений, таких как пар. В качестве альтернативы, когда требуется более плотное закрытие, к одной или обеим уплотняющим поверхностям могут крепиться эластичные вставки, обычно для газов или жидкостей. Эти вставки могут изготавливаться из разных материалов, но наиболее распространены Viton, нитрил и EPDM. Мягкие уплотнения обычно не рекомендуются для применения на паре. Table 9.2.2 Материалы уплотнений, используемые в предохранительных клапанах