Материал о предохранительных устройствах. Дана классификация, правила размещения, понятия давления, а также расчетные формулы пропускной способности и площади проходного сечения.
Рассказывает доцент кафедры ТМО УГНТО.
Елена Туманова ведет ютуб канал на тему “Конструирование и расчет технологического оборудования” Все лекции Тумановой Елены Юрьевны смотрите на ее канале
ПРЕДОЖЕНИЯ ОТ ПО АЛМАШ
ИЩИТЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНУЮ АРМАТУРУ?
Выбрать клапан
Перейдите в каталог для выбора предохранительного клапана.
Полезные статьи
Экспертные материалы о предохранительной арматуре.
Заказать клапана
Отправьте запрос на нужные клапана предохранительные.
Содержание
Требования установки
Основные виды опасностей установлены в документе ТР ТС 032/2013. Это технический регламент таможенного союза – документ, устанавливающий требования безопасности к оборудованию, работающему при избыточном давлении. Перечень широкий, нл мы рассмотрим только 2 пункта опасности –
- превышение давления
- неисправность предохранительных устройств.
То есть превышение давления является опасностью, которая требует установку предохранительных устройств, но и неисправность предохранительных устройств также является опасностью. То есть, если устройство не сработает ввиду своей неисправности, тогда мы вернемся к пункту один – превышение давления.
В связи с этим элемент оборудования, внутренний объем которого ограничен запорной арматурой и в котором давление может повыситься сверх допустимого, оснащается предохранительными устройствами. Они автоматически предотвращают повышение давления сверх допустимого путем выпуска рабочей среды в атмосферу или утилизационную систему.
Классификация предохранительной арматуры
Предохранительная арматура разделяется на 3 группы.
- предохранительные клапаны
- импульсные предохранительные устройства
- мембранные разрывные устройства.
Далее более подробно будут приведены их конструкции. Сейчас отметим, что по названию, мембранные разрывные устройства, видно что они являются одноразовыми. После того, как устройство сработает, приходится заменять его рабочий орган.
Предохранительные клапаны и импульсные предохранительные устройства – это многоразовые устройства, они могут срабатывать несколько раз и у них есть схожие элементы.
Импульсные предохранительные устройства обеспечивают большую пропускную способность, по сравнению с предохранительными клапанами. Состоят из 2 элементов.
Предохранительные клапаны применяют чаще всего на оборудование. Их можно классифицировать по следующим признакам:
- По высоте подъема запирающего элемента. Это зависит от пропускной способности:
- малоподъемные,
- среднеподьемные,
- полуоподъемные.
- По виду нагрузки на запирающий элемент. То есть по тому приспособлению, которое удерживает запирающий элемент в седле до тех пор, пока давление не превысит установленного.
- По характеру подъема замыкающего элемента. Они бывают пропорциональные и двухпозиционные.
- По способу выпуска избыточной среды. Бывает открытый и закрытый. То есть по способу организации того, куда выходит избыточная среда. Либо она выходит в закрытую систему и сбрасывается на факел, либо она сбрасывается в атмосферу, но не напрямую ,а через свечу просеивания например. Либо сразу напрямую в атмосферу.
Конструкции предохранительных клапанов
Чаще всего используются пружинные клапаны. Я думаю, что вы встречали их и знакомы с этой конструкцией. Отличаются от рычажно-грузовых тем приспособлением, которое удерживает золотник в седле. То ли это система грузов на рычаге, то ли пружина. Соответственно давление, которое создается в аппарате должно преодолеть силы сжатия пружины, чтобы поднять золотник из седла, либо преодолеть вес грузов.
На пружинных клапанах также есть рычаг, но он дополнительный, то есть не является основным элементом срабатывания. Здесь рычаг предназначен для ручного подъема. Для ручной сработки, когда необходимо в ручном режиме обеспечить сработку клапана.
Принцип работы такой же. Есть седло, есть золотник и импульсные предохранительные устройства, предназначенные для большей пропускной способности. То есть у них площадь прохождения избыточной среды гораздо больше. Соответственно за меньшее время давление сбрасывается быстрее.
Но если у нас большая площадь золотника для сброса большого давления потребовалась бы либо значительная масса груза, чтобы удерживать седло в золотнике либо слишком большая пружина. Поэтому в данном случае принцип срабатывания следующий: рабочая среда и ее давление наоборот удерживает золотник в седле, то есть прижимает. Но когда давление в системе превышает установленное, срабатывает маленький клапан. Он как раз может быть рычажно-грузовым либо пружинным. Он срабатывает и тогда избыточное давление в системе поступает сверху на главный предохранительный и, давя сверху воздействует против давления в системе и открывает его. То есть изначально давление в системе прижимает золотник в седло.
Но когда давление повышается, срабатывает импульсный клапан и это давление начинает давить в противоположном направлении и открывает седло в золотнике, тем самым выпуская рабочую среду. Казалось бы, на золотник у нас действует одинаковое давление одной и той же системы, но срабатывание происходит за счет разности площадей. То есть в верхней части площадь воздействия больше чем в нижней части.
Как уже было сказано, она является разрывным устройством. То есть устанавливается мембрана в специальном приспособлении, которое ее удерживает. Когда давление превышает установленное, мембрана разрывается, открывая всю площадь проходного сечения и пропуская избыточную среду в нужном направлении. Пока давление не превысило допускаемые значения для срабатывания мембраны, она перекрывает проходное сечение, удерживает и герметизирует среду в нужном пространстве. После того, как мембранное предохранительное устройство сработало, придется разобрать устройство и поменять мембрану. Она является одноразовым устройством.
Размещение предохранительных устройств
В каких случаях устанавливают на сосудах
Предохранительные устройства размещаются на сосудах, в которых возможно превышение рабочего давления. Превышение рабочего давления может произойти:
- от питающего источника,
- вследствие химической реакции,
- из-за нагрева подогревателя,
- из-за солнечной радиации,
- в случае возникновения пожара рядом с сосудом.
Это различные причины, но не все, могут быть еще. Но на сосудах, в которых возможно превышение давления мы устанавливаем предохранительные устройства
Как устанавливают на сосудах
Клапаны на вертикальных сосудах устанавливают на верхнем днище. На горизонтальных – на верхней образующей в зоне газовой или паровой фазы.
На взрывоопасных объектах
Для пожаро- и взрывоопасных опасных веществ, а также веществ 1-го и 2-го класса опасности следует предусматривать систему клапанов, состоящую из рабочего и резервного клапанов.
На аппаратах колонного типа
На аппаратах колонного типа, а мы помним, что это вертикальные аппараты и казалось бы необходимо предохранительный клапан установить на верхнем днище. Но для аппаратов колонного типа с большим числом тарелок зачастую больше 40, при возможности резкого увеличения их сопротивления предохранительные клапаны устанавливают и в зоне паровой фазы куба аппарата. То есть, если в колонне большое число тарелок, то в нижней, кубовой части колонны давление может повыситься значительно больше допускаемого.
Мы помним с вами, что давление в колонне неравномерно:
- давление в верхней части колонны меньше,
- давление в нижней части колонны больше из-за гидравлического сопротивления тарелок.
Поэтому для колонных аппаратов со значительным числом тарелок и в зоне паровой фазы куба также следует устанавливать предохранительные клапаны.
Указание данных в паспорте сосуда
Сведения о предохранительных устройствах, основной арматуре, контрольно-измерительных приборах и приборах безопасности следует заносить в паспорт сосуда.
Стандартная таблица для паспорта сосуда, как и все элементы, необходимые для паспорта сосуда установлена в ГОСТ 34247-2017. Это сосуды и аппараты, общие технические требования.
| Наименование | Количество шт. | Место установки | Номинальный диаметр, мм | Номинальное давление, МПа | Материал корпуса | |
| Марка | Стандарт | |||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Блок предохранительных устройств
При необходимости установки системы клапанов состоящей из рабочего и резервного клапанов, используют блоки предохранительных устройств. Вот блок предохранительных устройств, например, в таком исполнении приведен на слайде.
Состоит он из 2 предохранительных клапанов [1]. В данном случае мы видим пружинные предохранительные клапаны: один является рабочим, другой резервным;
переключающее устройство на входе в клапаны [2], на выходе из клапанов [3];
и устройство контроля синхронности перемещения [4] обоих запорных органов переключающего устройства.
То есть если с одной стороны у нас устройство перекручено на левый клапан, то синхронно и на выкидке тоже будет переключение на левый клапан и точно также на правый клапан. Перемещение переключение синхронизируется
Давление
Давление сосуда (аппарата)
Разберем различные понятия давления. Для начала вспомним понятие давления сосуда или аппарата. Для сосуда аппарата мы различаем: технологическое давление, рабочее давление, расчетное давление.
– это давление, при котором производится технологический процесс в сосуде. Зачастую технологическое давление определяется некоторым допустимым диапазоном. Мы говорим об избыточном давлении, поэтому технологическое давление – это допустимый диапазон избыточного давления проведения технологического процесса в сосуде.
Под рабочим давлением понимается максимальное внутреннее избыточное либо наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса. Рабочее давление не учитывает гидростатическое давление среды и не учитывает допустимое кратковременное повышение давления во время срабатывания предохранительного клапана и других предохранительных устройств. То есть рабочее давление максимальное внутреннее при нормальном протекании рабочего процесса.
– это давление, при котором мы сами производим расчет на прочность элементов сосудов и аппаратов.
Как соотносятся давления между собой:
Рабочее давление больше чем технологическое и меньше либо равно чем расчетное давление. То есть расчетное давление учитывает гидростатическое давление как минимум. Оно может быть равно рабочему, но зачастую оно больше.
Рабочее давление должно быть выше, чем технологическое не меньше чем на 10 процентов и не меньше чем на 0,2 МПа.
Это установлено для сосудов, предназначенных для пожаровзрывоопасных веществ и веществ 1 и 2 класса опасности. Для остальных веществ это превышение чуть меньше.
Давление предохранительных клапанов
Теперь про понятие предохранительных клапанов. Для предохранительных устройств установлены следующие понятия давления:
наибольшее избыточное давление на входе в клапан, при котором обеспечивается заданная герметичность в затворе. То есть затвор закрыт и герметичность обеспечена, клапан закрыт. Давление настройки равно рабочему давлению сосуда, Либо давление настройки должно быть равно рабочему давлению за вычетом противодавления
– это давление, при котором начинает срабатывать предохранительный клапан, начинает открываться золотник в седле. Давление начала открытия – это избыточное давление на входе в клапан, при котором усилие, стремящееся открыть клапан, уравновешенно усилиями, удерживающими запирающий элемент в седле. То есть силы уравновешены и малейшее изменение давления либо сильнее его закроет, если давление снизится, либо малейшее превышение и золотник откроется и предохранительный клапан сработает.
избыточное давление на входе в клапан, при котором достигается его требуемая пропускная способность. То есть золотник поднялся на максимальную высоту и отверстие для выхода рабочей среды открыто максимально.
– это максимальное избыточное давление за предохранительным клапаном. То есть в трубопроводном коллекторе сброса рабочей среды.
Диапазон давлений клапана
Давление начала открытия, давление полного открытия, этот диапазон от начала до полного открытия, от Рн.о. до Р1 представлен в виде таблицы.
| Давление начала открытия | Давление полного открытия |
| При давлении настройки (Pн) до 0,3 Мпа: | |
| Pн.о.= Pн +0,02 | P1 = Pн +0,05 |
| При давлении настройки (Pн) до 0,3 Мпа до 6,0 Мпа: | |
| Pн.о.=1,07* Pн | P1 = 1,15* Pн |
| При давлении настройки (Pн) свыше 6,0 Мпа: | |
| Pн.о.=1,05*Pн | P1 = 1,1* Pн |
Рн – это давление настройки клапана и сейчас возьмем случай, что давление настройки клапана равно рабочему давлению в аппарате. Получается, что давление начала открытия равно рабочему + 0,02 МПа. Давление полного открытия 0,05 МПа. Это для сосудов и аппаратов, у которых рабочее давление и давление настройки невысокое: всего лишь до 0,3 МПа. От 0,3 до 6 МПа давление начала открытия, и давление полного открытия составляют от 7 процентов до 15 процентов, выше, чем давление настройки.
То есть превышение давления на 15 процентов от рабочего – уже клапан должен сработать полностью, должно максимально открыться проходное сечение для сброса рабочей среды. Если давление настройки выше, чем 6 МПа, то здесь требования жестче. Давление уже высокое, здесь уже допускается 10 процентов превышения давления в аппарате.
Если же достигло значения 10 процентов от давления настройки, то клапан должен быть полностью открыт и рабочая среда должна выходить через максимальное открытое проходное сечение.
Расчет предохранительных клапанов
Предохранительные клапаны рассчитывают и подбирают под задачи расчета. Что определяется при расчете? При расчете определяется: пропускная способность, тип и количество клапанов. Исходными данными для расчета являются:
Давление полного открытия предохранительного клапана (Р1). Оно зависит от давления настройки, рабочего давления в аппарате, поэтому оно является исходным данным.
Температура среды перед клапаном. Также исходные данные – это температура среды в аппарате – это расчетная температура в аппарате.
Максимальное избыточное давление за клапаном. Мы должны знать, куда сбрасывается разведочная среда и какое давление в противосистеме.
Фазовое состояние и состав среды. Это повлияет на расчетные зависимости.
Где можно посмотреть расчеты:
они приведены в нормативных документах – это
ГОСТ 12.2.085-2002 Сосуды, работающие под давлением. Клапаны предохранительные
Руководящий документ, РД 51-0220570-93: Клапаны предохранительные. Выбор, установка, расчет
Расчет пропускной способности клапана предохранительного
Разберем 2 основных понятия.
Пропускная способность
– это весовой расход рабочей среды через клапан. То есть, какое количество рабочей среды в единицу времени проходит через отверстие клапана. Весовой расход формулы зависит от фазового состояния среды: для паров и газов или для жидкостей.
Пропускная способность клапана зависит:
- от площади сечения клапана (F)
- от давления полного открытия клапана
- от давления в противосистеме
- от плотности рабочей среды
Коэффициенты альфа – это коэффициенты расхода. Соответственно, для газообразных и жидких сред с индексом 1 или 2. Коэффициенты альфа зависят от конструкции клапана и являются стандартными параметрами и их можно определить, выбирая клапан по каталогу, по справочникам. То есть эти коэффициенты идут вместе с клапаном. Коэффициент В вводится только для паров и газов. Коэффициент физико-химических свойств газов и паров при рабочих температурах. Таким образом, мы рассчитываем пропускную способность клапана.
Требуемая площадь
Либо мы должны посчитать площадь. Дело в том, что пропускная способность зависит от объема аппарата, от того сколько требуется сбросить рабочей среды и от того количества сколько требуется сбросить рабочей среды. И от этих значений мы и будем подбирать предохранительный клапан и их количество.
G – Требуемая пропускная способность предохранительного клапана. Она определяется по максимальной производительности сосуда, из условия подачи в сосуд среды при закрытых выходах из него.
То есть чем больше объем сосуда, чем больше производительность этого сосуда и если принять, что все выходы, все штуцеры выхода среды закрыты, то сырье будет поступать в этот сосуд, давление будет повышаться и, исходя, из максимальной производительности сосуда определяется требуемая пропускная способность. Теперь уже в зависимости от объема сосуда, в зависимости от требований пропускной способности мы посчитаем, какая потребуется площадь для вывода избыточной среды сосуда с помощью предохранительного устройства.
Площадь сечения в проточной части седла, мы ее определим, здесь параметры те же самые, в этой формуле: коэффициент В, коэффициент альфа, давление полного открытия, противодавление, плотность.
Таким образом, мы определили F – какая требуется площадь сечения в проточной части седла и далее можем определить количество клапанов, если площадь окажется значительной и мы не сможем подобрать один предохранительный клапан, обеспечивающий нам данную площадь. Тогда может быть несколько клапанов. Требуемую площадь мы относим к площади проходного сечения, выбранного клапана и определяем количество клапанов.
Конструкция клапана предохранительного пружинного
В заключении подробнее представлена конструкция клапана предохранительного устройства со всеми элементами, которые в него входят. Данная конструкция принята для слайда из каталога Благовещенского арматурного завода. В этом каталоге можно найти и другие конструкции предохранительных устройств, а так же их характеристики: по пропускным способностям, по размерным характеристикам, по коэффициенту альфа и по всем необходимым размерам.
