Типы предохранительных клапанов

Когда давление жидкости в гидравлических системах, котлах или технологическом оборудовании превышает безопасные пределы, что-то приходится сдавать. Вот тут-то и приходят на помощь предохранительные клапаны — они являются последней линией защиты вашей системы от катастрофического отказа. Но зайдите в любой каталог промышленных товаров, и вы найдете десятки типов клапанов, каждый из которых предназначен для определенных условий. Выбор неправильного типа – это не просто трата денег; это может поставить под угрозу безопасность.

В этом руководстве описаны основные типы предохранительных клапанов, с которыми вы можете столкнуться, и объясняется, как каждый из них работает и когда их использовать. Независимо от того, проектируете ли вы новый гидравлический контур или заменяете существующий клапан, понимание этих различий имеет важное значение.

Как на самом деле работают предохранительные клапаны

Прежде чем углубляться в конкретные типы, давайте установим основной принцип. Каждый предохранительный клапан работает по принципу баланса сил. Клапан остается закрытым, когда сила закрытия (обычно пружины) превышает силу открытия, вызванную давлением системы, действующим на область диска клапана.

Основное уравнение простое:

Когда давление в системе поднимается достаточно высоко, сила открытия превышает силу пружины, и клапан открывается для выпуска жидкости. Как только давление падает достаточно, пружина толкает диск обратно на свое место, останавливая поток.

Вот что самое интересное: противодавление давит на заднюю часть диска вниз, но одновременно поднимает нижнюю часть сильфона. Поскольку обе площади равны, эти силы компенсируются:

Пружинные клапаны прямого действия: рабочая лошадка в отрасли

Пружинные клапаны — наиболее распространенный тип, который можно встретить в промышленности. Винтовая пружина расположена над диском клапана и обеспечивает закрывающее усилие. По мере увеличения входного давления пружина сжимается до тех пор, пока диск не поднимется со своего седла.

Pop-Action против модулирующих пилотов

Это базовая конструкция. Крышка (колпачок), в которой находится пружина, выходит на выпускную сторону клапана. Эта простая схема прекрасно работает во многих приложениях, но у нее есть критическое ограничение.

Противодавление – любое давление на стороне выхода – действует на заднюю часть тарелки клапана, увеличивая силу закрытия. Это означает:

Если противодавление меняется (обычно, когда несколько клапанов сливаются в общий коллектор), фактическое давление открытия клапана смещается. По этой причине стандарты API 520 ограничивают использование обычных клапанов приложениями, в которых противодавление остается ниже 10% от давления срабатывания.

Сбалансированные сильфонные клапаны: борьба с противодавлением

Чтобы преодолеть чувствительность к противодавлению, инженеры разработали конструкцию сбалансированного сильфона. Гибкий металлический сильфон оборачивается вокруг штока клапана, изолируя крышку от технологической жидкости. Эффективная площадь сильфона соответствует площади сиденья.

Вот что самое интересное: противодавление давит на заднюю часть диска вниз, но одновременно поднимает нижнюю часть сильфона. Поскольку обе площади равны, эти силы компенсируются:

Эта конструкция выдерживает противодавление до 30-50% от установленного давления, не влияя на производительность клапана.

Предохранительные клапаны с пилотным управлением: точность под давлением

Когда вам нужен жесткий контроль или вы сталкиваетесь с экстремальными условиями (очень высокое давление, большой расход или крайне нестабильное противодавление), подпружиненные клапаны достигают своих пределов. Пружины становятся слишком большими и громоздкими. Вот где на помощь приходят предохранительные клапаны с пилотным управлением (PORV).

Раздел VIII ASME (Сосуды под давлением):

PORV состоит из главного клапана (обычно поршневого типа) и небольшого пилотного клапана. Магия заключается в разнице площадей. Верхняя часть поршня (область купола) на 30-50% больше нижней части (область седла). Давление системы заполняет купольную камеру через соединительную трубку.

Пружинные клапаны — наиболее распространенный тип, который можно встретить в промышленности. Винтовая пружина расположена над диском клапана и обеспечивает закрывающее усилие. По мере увеличения входного давления пружина сжимается до тех пор, пока диск не поднимется со своего седла.

Pop-Action против модулирующих пилотов

Пилотные клапаны имеют два принципа управления:

• Пилоты поп-экшена:Полностью откройте клапан при достижении заданного давления. Имитирует поведение обычного предохранительного клапана для газовых служб, требующих быстрого сброса давления.
• Модулирующие пилоты:Трещина открывается пропорционально избыточному давлению. Необходим для защиты жидкостной линии от гидравлического удара.

Плавный и неплавный дизайн

Пилоты проточного типапозволяют технологической жидкости проходить через пилотный механизм, который может засориться, если жидкости загрязнены.Нетекущие конструкцииотводят технологическую жидкость от пилотного клапана, что делает их идеальными для грязных сервисов, таких как сырая нефть или природный газ с вовлеченными жидкостями.

Предохранительные клапаны против предохранительных клапанов: жидкость имеет значение

Вы часто будете слышать, как эти термины используются как взаимозаменяемые, но Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением проводят четкое различие, основанное на сжимаемости жидкости.

Раздел I ASME против раздела VIII: почему кодекс имеет значение

Не все предохранительные клапаны, соответствующие стандартам ASME, являются взаимозаменяемыми.

• Раздел I ASME (Котлы):Для паровых котлов >15 фунтов на квадратный дюйм. Штамп «В». Избыточное давление не более 3%. Приоритет: предотвращение взрыва при сохранении пара.
• Раздел VIII ASME (Сосуды под давлением):Для реакторов, баков, теплообменников. Штамп «УФ». Избыточное давление макс. 10%. Приоритет: работа с различными технологическими жидкостями.

Выбор по приложению: реальные сценарии

Насос работает с закрытым выпускным отверстием. Клапан должен обеспечивать полную пропускную способность насоса. Это часто определяет выбор размера жидкостей.

Под воздействием тепла жидкость быстро закипает. Расширяющийся пар требует огромной разгрузочной способности. Сценарии пожара часто определяют наибольший требуемый размер отверстия.

Жидкость, попавшая в трубы, нагревается (солнечное/нагревательное оборудование). Даже несколько градусов вызывают резкое повышение давления. Здесь необходим небольшой предохранительный клапан.

Установка и режимы отказа

Впускной трубопровод и правило 3%

API 520 утверждает, что падение давления на впускном трубопроводе не должно превышать 3% от установленного давления, чтобы предотвратитьболтовня. Вибрация — это резкий цикл, при котором клапан открывается, давление на входе падает из-за трения, клапан захлопывается, давление растет, и он снова открывается. Это быстро повреждает посадочные поверхности и фланцы.

Распространенные виды отказов

• Утечка/Типение:Грязь застряла на седле или давление слишком близко к заданному (протяжка провода).
• Болтовня:Превышение номинального значения или чрезмерное падение давления на входе.
• Застрял:Коррозия или полимеризованные жидкости, склеивающие компоненты.
• Разрыв сильфона:Усталостный отказ, приводящий к воздействию агрессивных жидкостей на пружины.

Техническое обслуживание и интеллектуальный мониторинг

Стратегии тестирования

• Стендовые испытания:Снимите клапан и проверьте его в магазине. Требует выключения.
• Испытания на месте:Используйте вспомогательное гидравлическое оборудование для проверки во время установки. Проверяет заданное давление, но не пропускную способность.

Новая технология: интеллектуальный мониторинг

Заключение

Клапаны сброса давления представляют собой отработанную технологию, но выбор неправильного типа вызывает проблемы, начиная от нежелательных утечек и заканчивая катастрофическими повреждениями. Уделите время анализу условий эксплуатации, особенно противодавления и типа жидкости, и сопоставьте характеристики клапана с вашими фактическими требованиями.