Руководство по клапанам давления

Что такое клапан давления и как он работает

Клапан давления контролирует или ограничивает давление в жидкостной системе, сбрасывая избыточное давление, когда оно превышает заданное значение. Основной принцип прост: сила пружины удерживает клапан закрытым до тех пор, пока давление жидкости не создаст достаточную силу, чтобы преодолеть пружину и поднять тарелку клапана. После открытия жидкость выходит до тех пор, пока давление не упадет ниже точки закрытия, и пружина не закроет клапан.

Критический инженерный баланс достигается в тарелке клапана. С одной стороны, сжатие пружины создает закрывающую силу. С другой стороны, давление жидкости, действующее на область диска, создает открывающую силу. Когда сила открытия превышает силу закрытия, клапан поднимается. Это соотношение соответствует основному уравнению:Заменить клапаном меньшего диаметра.

Современные клапаны давления включают в себя сложные функции, выходящие за рамки простого баланса сил. Конструкция камеры сжатия, присутствующая во многих предохранительных клапанах, создает внезапный «хлопающий» эффект. Когда клапан начинает подниматься, жидкость устремляется в расширительную камеру под диском. Эта камера имеет большую площадь поверхности, чем входное отверстие, поэтому теперь одинаковое давление действует на большую площадь. Результатом является немедленное увеличение подъемной силы, которая полностью открывает клапан. Это взрывное действие имеет решающее значение для газовых и паровых служб, где постепенное открытие может привести к опасному повышению давления.

Клапаны давления прямого действия полностью полагаются на силу пружины для закрытия, что делает их простыми и надежными. Пружина расположена непосредственно на диске или штоке клапана. Эти клапаны быстро реагируют на изменения давления, но имеют ограничения. На них может влиять противодавление на стороне выхода, и они могут «закипать» (незначительная утечка), когда рабочее давление приближается к заданному значению, поскольку закрывающее усилие становится минимальным.

Клапаны давления с пилотным управлением устраняют многие ограничения прямого действия благодаря продуманной конструкции. Небольшой пилотный клапан контролирует давление в куполообразной камере над поршнем главного клапана. Давление в системе подается как на входное отверстие, так и на купол, но купол имеет большую площадь поверхности. Это означает, что главный клапан остается герметичным и не допускает утечек даже при 98 % заданного давления. Когда давление достигает заданного значения, пилотный клапан выпускает воздух из купола в атмосферу. Дисбаланс давления открывает главный клапан. Эта конструкция отлично подходит для применений с высоким давлением и в ситуациях с переменным противодавлением.

Типы клапанов давления: понимание критических различий

Термины «предохранительный клапан», «предохранительный клапан» и «редукционный клапан» часто используются как взаимозаменяемые, но они выполняют принципиально разные функции. Их смешивание в вашей системе может привести к повреждению оборудования или еще хуже.

Предохранительные клапаны давления (PSV)

Предохранительные клапаны давления разработаны специально для сжимаемых жидкостей, таких как пар, газы и пары. Определяющей характеристикой является их мгновенное действие или «хлопковое» открывание. Когда давление в системе достигает заданного значения, клапан не открывается постепенно. Вместо этого он достигает полного подъема за миллисекунды.

Такое быстрое открытие на полный ход происходит из-за сжимающейся камеры или конструкции реактивной кромки. Когда диск начинает подниматься, расширяющийся газ поступает в камеру, где воздействует на большую площадь поверхности. Внезапное увеличение подъемной силы приводит к тому, что клапан полностью открывается. Клапан остается широко открытым до тех пор, пока давление не упадет значительно ниже заданного значения, обычно на 2–4%. Эта разница давлений между открытием и закрытием называется продувкой.

Попсовое действие и большой продув не являются недостатками конструкции. Это важные функции безопасности для газовых систем, где давление может расти в геометрической прогрессии. Медленно открывающийся клапан не сбрасывает давление достаточно быстро, чтобы предотвратить взрыв в газонаполненном сосуде. Быстрое открытие быстро сбрасывает огромный объем, устраняя скачок давления до того, как он станет катастрофическим.

PSV обычно работают при избыточном давлении 3% для одноклапанных установок в соответствии с требованиями Раздела I ASME. Это означает, что если максимально допустимое рабочее давление вашего сосуда (MAWP) составляет 100 фунтов на квадратный дюйм, уставка предохранительного клапана может составлять 100 фунтов на квадратный дюйм, но давление в системе достигнет 103 фунтов на квадратный дюйм до того, как клапан полностью сбросит давление.

Клапаны сброса давления (PRV)

Клапаны сброса давления являются «рабочими лошадками» для несжимаемых жидкостей, в первую очередь таких жидкостей, как вода, масло и гидравлическая жидкость. В отличие от PSV, PRV открываются пропорционально увеличению давления. Когда давление поднимается выше заданного значения, диск постепенно поднимается. Скорость потока через клапан увеличивается пропорционально превышению давления.

Такое пропорциональное действие предотвращает гидравлический удар – разрушительную волну давления, возникающую при внезапной остановке потока жидкости. Если вы установили клапан PSV на жидкостную линию и он внезапно открылся, резкое падение давления может создать ударные волны, которые растрескают трубы и разрушат фитинги. Постепенное открытие и закрытие PRV защищает трубопроводные системы от гидравлических ударов.

PRV обычно работают с допустимым избыточным давлением 10% или 25% в зависимости от кода (Раздел VIII ASME допускает 10% для одного клапана). Закрытие происходит одинаково постепенно: клапан плавно возвращается в исходное положение по мере падения давления обратно до заданного значения.

Редукционные клапаны давления

Редукционные клапаны выполняют совершенно иную функцию, чем предохранительные или предохранительные клапаны. В то время как предохранительные клапаны обычно закрыты и открываются только во время аварийных ситуаций, связанных с избыточным давлением, редукционные клапаны обычно являются открытыми регулирующими устройствами. Они дросселируют поток для поддержания постоянного давления на выходе независимо от изменений давления на входе или изменений потребности в расходе.

Редукционные клапаны прямого действия используют выходное давление, воздействующее на подпружиненную диафрагму или поршень. Если давление на выходе возрастает, оно сжимает пружину и закрывает клапанный элемент. Если давление на выходе падает, пружина толкает клапан более открытым. Эти клапаны экономически эффективны, но испытывают «провал» (падение давления) в условиях высокого расхода, поскольку система пружина-мембрана имеет ограниченную грузоподъемность.

Редукционные клапаны с пилотным управлением обеспечивают превосходную точность за счет использования небольшого пилотного клапана для нагрузки на диафрагму главного клапана. Такое усиление управляющей силы позволяет клапану поддерживать жесткие допуски по давлению на выходе даже при значительных перепадах потока. Редукционные клапаны с пилотным управлением можно встретить на химических заводах, в распределительных сетях природного газа и в крупных системах водоснабжения, где точный контроль давления не подлежит обсуждению.

Распространенные проблемы с клапаном давления и их устранение

Понимание режимов сбоя помогает быстро диагностировать проблемы и внедрять правильные исправления вместо дорогостоящего ремонта методом проб и ошибок.

Стук клапана

Вибрация – это быстрое и резкое открытие и закрытие предохранительного клапана. Звук характерный: пулеметная грохот, который слышен по всему объекту. Этот вид отказа широко считается наиболее разрушительным, поскольку он забивает седло клапана и может разрушить внутренние детали клапана в течение нескольких часов.

Превышение размера является наиболее распространенной причиной дребезжания. Когда вы устанавливаете клапан с пропускной способностью, слишком большой для фактической нагрузки сброса, он открывается и мгновенно снижает давление в системе ниже точки закрытия. Клапан захлопывается. Давление восстанавливается немедленно, и цикл повторяется сотни раз в минуту. Решение требует замены клапана на отверстие меньшего размера, которое соответствует фактическим требованиям по сбросу давления.

Чрезмерное падение давления на входе также вызывает вибрацию по другому механизму. API 520, часть 2, определяет, что потеря давления в трубопроводе между защищаемым резервуаром и входом клапана не должна превышать 3 % от давления срабатывания. Если потери во входной линии выше, происходит следующее: клапан открывается, начинается поток, и давление на входе клапана падает ниже давления закрытия из-за потерь на трение в трубе. Клапан закрывается. Поток прекращается, давление восстанавливается, и клапан снова открывается. Этот цикл продолжается до тех пор, пока что-то не сломается. Для устранения проблемы необходимо увеличить диаметр впускной трубы или переместить клапан ближе к резервуару.

Высокое противодавление в системе нагнетания также может вызвать вибрацию. Когда давление нагнетания давит на тарелку клапана, оно эффективно увеличивает силу закрытия. Фактическое давление открытия клапана становится выше его установленного давления. Как только клапан открывается и начинается поток, давление нагнетания резко возрастает из-за внезапного потока, и клапан закрывается. Установка клапана с пилотным управлением или клапана с сильфонным уплотнением исключает влияние противодавления на работу клапана.

Утечка через седло клапана (при кипении)

Утечка до того, как клапан достигнет установленного давления, называется кипением. Вы увидите струйки пара из вентиляционного отверстия предохранительного клапана или услышите непрерывный шипящий звук. В этом случае происходит расточительство продукта, нарушение норм выбросов в окружающую среду и постепенное повреждение седла из-за эрозии и волочения проволоки.

Основная причина – работа слишком близко к заданному давлению. Раздел VIII ASME рекомендует эксплуатировать давление как минимум на 10% ниже установленного давления. Когда вы работаете при давлении 98% от заданного, закрывающая сила становится почти нулевой. Любая вибрация, тепловое расширение или незначительный скачок давления могут на мгновение поднять диск и вызвать утечку. Как только начинается утечка, вытекающая с большой скоростью жидкость прорезает канавку в мягком металле седла. Утечка становится постоянной. Понижение рабочего давления или увеличение давления срабатывания клапана (если это безопасно) прекращает кипение до того, как произойдет повреждение седла.

Еще одним распространенным источником является мусор на сиденье. Грязь, сварочный шлак, трубная окалина или частицы материала прокладки оседают между диском и седлом, препятствуя плотному закрытию. При запуске новой системы строительный мусор почти гарантирован, если не были соблюдены обширные процедуры промывки. Решение заключается в снятии клапана и ручном осмотре и очистке седла и диска. Притирочный состав способен восстановить уплотнительную поверхность при незначительных повреждениях, однако глубокие канавки требуют замены деталей.

Несоосность стержня клапана или направляющих приводит к неравномерной нагрузке на седло. Если диск не сидит идеально ровно, он протечет. Это особенно часто случается после грубого обращения во время установки или обслуживания. Проверка вертикальности шпинделя и зазоров направляющих обычно выявляет проблему.

Невозможность открытия

Это наиболее опасный вид отказа, поскольку клапан давления не выполняет свою основную функцию безопасности. Когда давление достигает опасного уровня, а клапан остается закрытым, у вас есть секунды до того, как произойдет катастрофический отказ.

Коррозия является основной причиной заклинивания клапанов. Когда клапан из углеродистой стали простаивает в течение нескольких месяцев во влажной или агрессивной среде, на стыке диска и седла образуется ржавчина. Оксид буквально сваривает поверхности вместе. К моменту возникновения избыточного давления сила пружины оказывается недостаточной, чтобы разорвать коррозионную связь. Клапан никогда не открывается. Чтобы предотвратить это, необходимо регулярно проверять подъем с помощью ручного рычага, но только тогда, когда давление в системе составляет не менее 75% от установочного давления, чтобы избежать повреждения седла из-за принудительного открытия диска при полном сжатии пружины.

Химическое образование накипи и полимеризация вызывают аналогичное прилипание. Технологические жидкости могут оставлять отложения, которые со временем затвердевают. Это особенно распространено в сфере добычи углеводородов, где полимеризация постепенно закрывает клапан. Регулярное удаление и стендовые испытания — единственный надежный метод предотвращения критически важных услуг.

Механические повреждения, такие как погнутые штоки или заклинившие направляющие, также препятствуют открытию. Обычно это происходит в результате неправильной установки, грубого обращения или повреждения от замерзания при установке на открытом воздухе. Физический осмотр во время планового технического обслуживания выявляет эти проблемы до того, как они станут критическими.

Рекомендации по выбору и размеру клапана давления

Выбор неправильного клапана давления хуже, чем отсутствие клапана вообще, потому что это создает ложное чувство безопасности. Правильный выбор требует соответствия характеристик клапана условиям эксплуатации и расчета необходимой разгрузочной способности.

Определение необходимого потенциала по оказанию помощи

Первым шагом при выборе клапана является расчет разгрузочной нагрузки, массового расхода, с которым клапан должен справиться в наихудшем сценарии избыточного давления. Это требует знаний процессов, выходящих за рамки простого объема системы. API 521 предоставляет методологии расчета для различных сценариев.

Воздействие огня на сосуд под давлением приводит к образованию огромных объемов пара, поскольку тепло испаряет жидкое содержимое. При расчете пожаротушения API 521 учитывается площадь поверхности резервуара, подвергающаяся воздействию пламени, тип изоляции и свойства жидкости. Типичный случай пожара может потребовать удаления 50 000 фунтов паров пропана в час из резервуара для хранения. Даже незначительное уменьшение размера этого клапана означает, что сосуд разорвется до того, как произойдет адекватное облегчение.

Отказ системы охлаждения в химическом реакторе может вызвать неконтролируемые реакции, приводящие к образованию огромных объемов газа. Расчет рельефа должен учитывать кинетику реакции, скорость тепловыделения и образование пара. Именно здесь инженеры-химики зарабатывают свою зарплату, поскольку расчеты разгрузочной нагрузки для реактивных систем требуют детального термодинамического моделирования.

Сценарии блокировки нагнетания возникают, когда насос продолжает работать с закрытым клапаном на выходе. Клапан сброса давления на нагнетании насоса должен обеспечивать полный расход насоса на высоте отключения. Обычно это ликвидная услуга, требующая выбора PRV, а не PSV.

Размер отверстия и коэффициенты расхода

Как только вы узнаете необходимую пропускную способность, вы выбираете размер отверстия клапана, используя уравнения определения размеров API 520, часть 1. Для работы с газами и парами уравнение учитывает эффекты сжимаемости, молекулярную массу, температуру и сертифицированный коэффициент расхода клапана. В результате расчета определяется минимально необходимая эффективная площадь разгрузки.

API 526 стандартизирует обозначения отверстий от D до T, где каждая буква представляет определенную область отверстия. Эта стандартизация позволяет осуществлять прямую замену между производителями. Отверстие «J» остается отверстием «J», независимо от того, покупаете ли вы его у Crosby, Anderson Greenwood или Leser. Фактические размеры опубликованы в таблицах API 526.

Критический коэффициент давления влияет на размер газового клапана. Когда давление на выходе падает ниже 50-60% давления на входе (в зависимости от свойств газа), поток достигает скорости звука в горловине клапана. Поток становится «заглушенным» и не может увеличиваться дальше, независимо от того, насколько ниже упадет давление на выходе. Уравнения определения размеров учитывают этот эффект сжимаемости. Игнорирование этого приводит к опасному занижению размеров.

Выбор размера жидкостного клапана основан на других принципах, поскольку жидкости по существу несжимаемы. Уравнение определения размера связывает скорость потока с перепадом давления на клапане с использованием коэффициента расхода. Расчет проще, чем расчет размера газа, но все же требует пристального внимания к влиянию вязкости и возможному всплеску, если падение давления приведет к испарению жидкости.

Выбор материала для условий эксплуатации

Совместимость материалов определяет надежность и долговечность клапана. Стандартные клапаны из углеродистой стали отлично подходят для некоррозионных условий эксплуатации при умеренных температурах. Но экстремальные условия требуют специальных материалов.

Работа с водородом требует специальной металлургии из-за водородного охрупчивания. Атомы водорода диффундируют в кристаллические структуры стали и снижают пластичность, вызывая хрупкое разрушение под напряжением. Высокопрочные стали, такие как 440C, катастрофически вышли из строя в водородных форсунках PRV. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 316L, обладают лучшей стойкостью, но даже они требуют тщательного выбора. На водородных заправочных станциях клапаны должны выдерживать 102 000 циклов давления в диапазоне температур от -40°C до +85°C. Стандартные материалы просто не могут удовлетворить эти требования.

Для работы с паром при высоких температурах необходимы материалы, сохраняющие прочность выше 450°С. Обычно выбирают хромомолибденовые сплавы, такие как SA-217 марки WC9. Пружина также должна выдерживать температуру, для чего часто требуется инконель или другие жаропрочные сплавы, а не углеродистая сталь.

Коррозионные работы могут потребовать применения экзотических сплавов. Монель (никель-медь) устойчив к морской воде и плавиковой кислоте. Хастеллой (никель-молибден-хром) работает с горячей серной кислотой и газообразным хлором. Стоимость привода клапана из этих специальных материалов значительно возрастает, но отказы обходятся гораздо дороже.

Лучшие практики установки и обслуживания

Даже идеально подобранные клапаны выходят из строя без правильной установки и обслуживания. Соблюдение отраслевых стандартов предотвращает наиболее распространенные проблемы.

Рекомендации по установке

Впускной трубопровод должен минимизировать падение давления, чтобы предотвратить вибрацию. API 520, часть 2, определяет максимальную потерю давления 3 % от резервуара до входа клапана. Это означает короткие трубопроводы большого диаметра с минимальным количеством колен и фитингов. Распространенной ошибкой является переход от 4-дюймового соединения резервуара к 2-дюймовому впускному отверстию клапана с использованием переходника. Потеря давления через этот редуктор может легко превысить 3% при полном расходе, что гарантирует проблемы с вибрацией.

Выпускной трубопровод требует иного рассмотрения. Для клапанов PSV, выходящих в атмосферу, выпускные линии должны иметь наклон в сторону от клапана для отвода конденсата. Скопление воды в выпускном трубопроводе может замерзнуть в холодную погоду и заблокировать линию. Нагнетательная линия должна иметь больший диаметр, чем выходное отверстие клапана, чтобы противодавление было ниже номинального значения клапана. Производители публикуют максимально допустимые значения противодавления, обычно 10 % от установочного давления для обычных клапанов.

Клапаны с пилотным управлением выдерживают более высокое противодавление, в некоторых конструкциях до 50% от давления срабатывания, поскольку противодавление не влияет на усилие закрытия. Это делает их идеальными для систем с длинными нагнетательными коллекторами или общими факельными коллекторами, где противодавление меняется в зависимости от работы других клапанов.

Поддерживайте клапан независимо от трубопровода. Клапан не должен выдерживать вес впускного или выпускного трубопровода. Напряжение в трубе может привести к смещению внутренних частей клапана и вызвать утечку или заедание. Используйте правильно спроектированные опоры для труб рядом с клапаном.

Интервалы технического обслуживания и тестирование

В большинстве юрисдикций требуется периодическая проверка предохранительного клапана. Интервал зависит от серьезности обслуживания и нормативных требований. Чистые, некоррозионные сервисы могут позволить проводить испытания с интервалом в 5 лет. Грязные, агрессивные или загрязняющие услуги требуют ежегодной или более частой проверки.

При испытаниях на месте используются вспомогательные гидравлические инструменты для подъема клапана, пока он остается установленным. Это подтверждает, что диск может свободно перемещаться и может треснуть. Однако испытания на месте не могут подтвердить герметичность седла или точность фактического установочного давления. Это базовая эксплуатационная проверка, а не комплексная сертификация.

Стендовые испытания в сертифицированном магазине обеспечивают полную проверку. Клапан снимают, разбирают, очищают, осматривают, снова собирают, а затем испытывают на испытательном стенде. Испытательный стенд постепенно увеличивает давление, отслеживая утечки. Когда клапан открывается, регистрируется давление открытия. В соответствии с требованиями ASME оно должно находиться в пределах ±3% от заданного давления, указанного на паспортной табличке. Затем клапан возвращается в исходное положение и регистрируется давление закрытия для проверки правильности продувки. Наконец, герметичность седла проверяется в соответствии со стандартом API 527, который определяет допустимую скорость пузырьков воздуха для клапанов разных размеров.

После прохождения стендовых испытаний клапан получает новую сертификационную бирку с указанием даты испытания, установочного давления и испытательного центра. Эта документация подтверждает соответствие требованиям во время проверок регулирующих органов.

Отраслевые стандарты и требования соответствия

Конструкция, испытания и применение клапанов давления регулируются несколькими организациями по стандартизации. Понимание этих требований не является обязательным; это предписано законом на большинстве промышленных предприятий.

Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением

Американское общество инженеров-механиков публикует окончательные стандарты безопасности сосудов под давлением для Северной Америки и многих других регионов. Раздел I ASME BPVC охватывает котлы с пламенем, в которых паровые взрывы представляют катастрофический риск. Требования здесь более строгие, чем где-либо еще.

Клапаны раздела I должны иметь штамп «V», что означает, что они были изготовлены под строгим контролем качества ASME и проверены уполномоченным инспектором. Эти клапаны требуют специального контроля продувки, обычно 2 фунта на квадратный дюйм или минимум 2%, что достигается за счет тщательной конструкции регулировочного кольца. Допустимое накопление (повышение давления выше МДРД) ограничено 3 % для одного клапана или 5 % для нескольких клапанов. Такой жесткий контроль предотвращает опасные скачки давления.

Раздел VIII ASME охватывает неиспользуемые сосуды под давлением, такие как химические реакторы, резервуары для хранения и баллоны со сжатым газом. Клапаны Раздела VIII имеют маркировку «UV» и имеют более мягкие требования, чем Раздел I. Накопление допускается до 10% для одного клапана или 16% для нескольких клапанов. Продувка не является строго обязательной.

Критический момент, который многие инженеры упускают из виду: клапаны Раздела VIII нельзя использовать на котлах Раздела I. В клапанах секции VIII отсутствуют функции обязательного управления продувкой, как в клапанах секции I, что может вызвать опасную вибрацию и потенциальное разрушение клапана при эксплуатации парового котла. Это несоответствие технических характеристик привело к серьезным авариям.

Стандарты API для нефтяной промышленности

В то время как ASME предоставляет правила строительства и требования к штампам, Американский институт нефти предоставляет практические рекомендации по выбору, определению размеров и эксплуатации на нефтегазовых объектах.

API 520 — это библия определения размеров. В части 1 представлены формулы расчета для условий пара, газа, жидкости и двухфазного потока. В части 2 описаны детали установки, важные для предотвращения потери давления на входе и управления противодавлением. Это документы, на которые инженеры по арматуре ежедневно обращаются при проектировании систем сброса давления.

API 521 фокусируется на проектировании системы, а не на выборе клапана. Он позволяет рассчитывать нагрузки сброса для различных сценариев: воздействие пожара, отказ охлаждающей воды, неконтролируемые реакции, тепловое расширение и выброс пара. API 521 определяет сценарии, с которыми должен работать ваш клапан.

API 526 стандартизирует физические размеры и номинальные значения давления и температуры для фланцевых стальных предохранительных клапанов. Эта стандартизация обеспечивает взаимозаменяемость между производителями. Вы можете заменить вышедший из строя клапан любым эквивалентом, соответствующим стандарту API 526, без модификации трубопровода.

API 527 определяет процедуры испытаний седла на герметичность и критерии приемки. Он определяет допустимую скорость пузырьков во время стендовых испытаний. Это дает количественную оценку того, что на самом деле означает «герметичность», в измеримых терминах, а не в субъективном суждении.

API 576 содержит рекомендации по проверке и испытаниям устройств сброса давления на нефтеперерабатывающих и химических заводах. В нем подробно описываются механизмы отказов (коррозия, накипь, эрозия) и предписываются интервалы и методы проверок. Это дополнение к стандартам проектирования.

Стандарты экологических и неорганизованных выбросов

Исторически клапаны давления были основным источником неорганизованных выбросов, непреднамеренных утечек, которые выбрасывают в атмосферу летучие органические соединения и парниковые газы. Современные экологические нормы требуют значительных усовершенствований в технологии уплотнений клапанов.

API 624 охватывает испытания уплотнений штока клапанов с выдвижным штоком, таких как задвижки и шаровые краны. Клапан должен выдержать 310 механических циклов плюс термические циклы с обнаруженной утечкой метана менее 100 ppm. Это тест типа «пройден/не пройден», который исключает плохие проекты.

ISO 15848 развивает эту идею, предлагая различные «классы выносливости». Клапан класса CO3 должен выдерживать 2500 механических циклов, сохраняя при этом целостность уплотнения. В этом стандарте используется обнаружение утечек гелия, обеспечивающее максимальную чувствительность. Соответствие стандарту ISO 15848 требует технологии уплотнения Low-E (низкий уровень выбросов), обычно включающей системы уплотнения с постоянной нагрузкой и тарельчатыми пружинными шайбами, которые поддерживают постоянное давление уплотнения по мере того, как материалы сжимаются с течением времени.

Эти стандарты неорганизованных выбросов не являются обязательными во многих юрисдикциях. Нормативы Европейского Союза, требования Агентства по охране окружающей среды США и корпоративная экологическая политика все чаще требуют использования сертифицированных клапанов Low-E для всех новых установок и замены существующих клапанов.

Приложения в различных отраслях

Клапаны давления выполняют совершенно разные функции в разных отраслях промышленности, и понимание требований конкретного применения помогает сделать правильный выбор.

Системы водоснабжения и отопления, вентиляции и кондиционирования

В жилых и коммерческих системах водоснабжения используются редукционные клапаны для снижения высокого давления в муниципальной системе водоснабжения до безопасного уровня в здании. Городская вода может достигать давления 120 фунтов на квадратный дюйм, но трубопроводы и арматура здания рассчитаны максимум на 80 фунтов на квадратный дюйм. Редукционный клапан на входе в здание дросселирует поток, чтобы поддерживать постоянное давление 60–70 фунтов на квадратный дюйм на выходе, независимо от колебаний на входе или потребности в расходе.

Предохранительные клапаны водонагревателя предотвращают взрыв из-за неисправности термостата. Если термостат заклинивает и нагрев продолжается бесконечно, температура воды повышается и давление пара быстро растет. Клапан сброса температуры и давления (TPRV), установленный в верхней части резервуара, открывается при давлении 150 фунтов на квадратный дюйм или 210 °F, в зависимости от того, что наступит раньше. Это простое устройство ежегодно предотвращает тысячи потенциальных взрывов.

Кавитационные повреждения являются серьезной проблемой в системах водоснабжения под высоким давлением. Когда скорость воды увеличивается через редукционный клапан, статическое давление падает. Если давление падает ниже давления пара воды, образуются пузырьки. Когда поток вниз по течению замедляется и давление восстанавливается, эти пузырьки бурно взрываются. Схлопывающиеся пузырьки порождают сфокусированные струи жидкости, движущиеся со скоростью сотни метров в секунду. Эти микроструи разрушают металл корпуса клапана в процессе, называемом точечной коррозией. Давление на ступени снижается с помощью двух последовательно соединенных клапанов или с использованием специальных антикавитационных триммеров, которые разбивают падение давления на множество небольших ступеней и отодвигают схлопывание пузырьков от металлических поверхностей.

Химическая переработка и нефтеперерабатывающие заводы

Химическим предприятиям требуются клапаны давления, предназначенные для работы с коррозионными, токсичными и химически активными материалами. Выбор материала становится первостепенным. Клапан, который хорошо работает при работе с паром, быстро выйдет из строя в серной кислоте или газообразном хлоре.

Термопредохранительные клапаны защищают заблокированные жидкостные системы. Если участок трубы, наполненный жидкостью, оказывается изолированным между закрытыми клапанами, а затем нагревается солнцем или технологическим теплом, тепловое расширение создает огромное давление. Жидкости по существу несжимаемы, поэтому повышение температуры даже на несколько градусов может привести к возникновению давления, которое приведет к разрыву трубопроводов. Эту защиту обеспечивают небольшие термопредохранительные клапаны, рассчитанные на объемы расширения жидкости.

Сценарии неконтролируемой реакции требуют тщательного анализа требований по облегчению ситуации. Экзотермическая реакция с неудачным охлаждением может привести к образованию газа с возрастающей скоростью. Предохранительный клапан должен выдерживать не только нормальное выделение пара, но и образование паров в худшем случае в результате неконтролируемой реакции. Эти расчеты требуют детальных знаний кинетики реакций и консервативных предположений о сбоях системы охлаждения.

Добыча нефти и газа

Предохранительные клапаны устьевого давления защищают от резких скачков пластового давления. Эксплуатационные НКТ работают под высоким давлением, и отказ оборудования может вызвать внезапные скачки давления. PSV, рассчитанные на полную пропускную способность пласта, обеспечивают последнюю линию защиты от выбросов.

Факельные системы собирают выбросы предохранительных клапанов со всего объекта. Несколько клапанов давления сбрасывают газ в общие коллекторы, которые направляют все выбросы на факельную головку, где углеводороды сгорают, а не выбрасываются непосредственно в атмосферу. Факельный коллектор работает с переменным противодавлением в зависимости от того, какие клапаны пропускают жидкость. Это требует тщательного проектирования, чтобы гарантировать, что номинальные значения противодавления отдельных клапанов не будут превышены при одновременной работе нескольких клапанов.

Морские платформы сталкиваются с уникальными проблемами, связанными с ограничениями по весу и пространству. Каждый фунт оборудования необходимо поднимать краном или вертолетом. Это стимулирует спрос на компактные и легкие конструкции клапанов. Подводные применения усложняют ситуацию из-за низких температур морской воды и высокого давления окружающей среды. Специальные материалы и конструкции предназначены для решения этих экстремальных условий.

Водород и альтернативные виды топлива

Стремление к водородной экономике создает беспрецедентные проблемы для технологии клапанов давления. Молекулы водорода достаточно малы, чтобы диффундировать в кристаллические решетки металлов, вызывая водородное охрупчивание, снижающее пластичность материала. Высокопрочные стали, которые прекрасно работают при работе с природным газом, катастрофически трескаются в водороде.

На станциях заправки водородом требуются клапаны давления, рассчитанные на рабочее давление 700 бар (10 000 фунтов на квадратный дюйм) с экстремальными температурными циклами от -40°C до +85°C. Стандартные материалы не могут выдержать 102 000 циклов давления в таких условиях. Новые аустенитные сплавы нержавеющей стали и специальные протоколы испытаний разрабатываются специально для применения в водороде.

Материалы уплотнений также требуют перепроектирования для работы с водородом. Стандартные эластомеры допускают чрезмерное проникновение водорода. Газообразный водород, растворенный в материале уплотнения, может вызвать взрывную декомпрессию при быстром падении давления. Растворенный газ расширяется быстрее, чем может выйти, буквально разрывая уплотнение. Для этого требуются специальные уплотнительные составы, устойчивые к проникновению и взрывной декомпрессии.

Индустрия напорных клапанов находится на стыке традиций машиностроения и цифровых инноваций. Хотя основная физика осталась неизменной, контекст, в котором работают эти устройства, изменился. Современные инженеры должны рассчитывать клапаны с использованием API 520, одновременно выбирая водородосовместимые материалы, устойчивые к охрупчиванию, обеспечивая соответствие уплотнений стандартам по неорганизованным выбросам, таким как API 624 и ISO 15848, и рассматривая возможность интеграции акустического мониторинга для профилактического обслуживания.

Интеллектуальные клапаны давления, оснащенные датчиками Интернета вещей, больше не являются изолированными механическими датчиками, а являются узлами связи в общезаводских автоматизированных системах безопасности. Аналитика данных прогнозирует выход из строя уплотнений за 45–75 дней вперед, меняя парадигмы технического обслуживания от реактивного ремонта к вмешательствам, основанным на состоянии, что экономит миллионы на затратах, связанных с простоями.

По мере того, как отрасли переходят к устойчивому развитию, клапаны давления будут играть огромную роль в обеспечении того, чтобы с энергоносителями следующего поколения, от водорода до аммиака, обращались с той же строгостью и безопасностью, которые защищают паровые и нефтяные системы. Успех на рынке будет принадлежать производителям, которые сочетают передовую металлургию с технологией уплотнений с низким уровнем выбросов и интеллектуальной диагностикой, предлагая не только оборудование, но и комплексные решения безопасности для следующей эпохи промышленной инфраструктуры.