Клапан сброса давления является последней линией защиты в любой системе, находящейся под давлением. Когда этот критически важный компонент безопасности выходит из строя, последствия варьируются от незначительного снижения эффективности эксплуатации до катастрофического разрушения оборудования. Понимание того, что происходит в случае неисправности предохранительного клапана, помогает руководителям предприятий и группам технического обслуживания распознавать проблемы до того, как они перерастут в опасные ситуации.
Последствия выхода из строя предохранительного клапана полностью зависят от того, как он вышел из строя. Эти клапаны могут заесть в закрытом состоянии и удерживать опасное давление внутри сосудов, или они могут застрять в открытом положении и постоянно стравливать давление в системе. Они также могут привести к частичным отказам, которые приводят к износу оборудования, перерасходу энергии и экологическим нарушениям. Каждый режим отказа создает отдельные симптомы и требует разных мер реагирования.
Два основных режима отказа
Клапаны сброса давления выходят из строя принципиально по-разному, и понимание того, с каким типом неисправности вы имеете дело, определяет срочность вашего реагирования.
Застрял закрытым: Тихий убийца
Когда предохранительный клапан застревает в закрытом положении, он полностью перестает выполнять свою защитную функцию. Клапан становится физически неспособным открыться, даже когда давление в системе превышает безопасные пределы. Это представляет собой наиболее опасный сценарий отказа, поскольку он не дает никаких предупреждений до тех пор, пока давление не достигнет критического уровня.
Несколько физических механизмов приводят к застреванию клапанов в закрытом состоянии. Коррозия между диском и седлом может создать металлургическую связь, достаточно прочную, чтобы предотвратить раскрытие. Инородный материал, попавший в направляющую втулку, препятствует подъему диска. В некоторых случаях транспортировочные ограничители, установленные производителями, остаются прикрепленными во время ввода в эксплуатацию, физически блокируя клапан в закрытом состоянии. Излишнее распыление краски во время технического обслуживания объекта может склеить движущиеся части. Эти, казалось бы, незначительные проблемы превращают защитное устройство в обузу.
Термодинамические последствия заклинивания закрытого клапана серьезны. В закрытой системе с постоянным потреблением энергии давление растет без ограничений, пока что-нибудь не выйдет из строя. Рассмотрим паровой котел, в котором горелка продолжает гореть, но предохранительный клапан не может открыться. Вода при температуре 300°F под давлением содержит огромную запасенную энергию. Когда стенки сосуда наконец разрываются, перегретая вода мгновенно превращается в пар, расширяясь примерно в 1600 раз за миллисекунды. В результате взрыва создаются сверхзвуковые ударные волны, способные сравнять с землей здания и разбросить металлические фрагменты на сотни футов.
Расследования промышленных аварий постоянно показывают, что заклинивание закрытых клапанов является фактором, способствующим катастрофическим отказам. Стандарт API 576 Американского института нефти классифицирует этот вид отказа как требующий немедленных корректирующих действий, поскольку обнаружение обычно происходит только во время реальных событий избыточного давления.
Застрял открытым: непрерывное кровотечение
Клапан, застрявший в открытом положении, создает совершенно другой набор проблем. Вместо улавливания давления он непрерывно стравливает технологическую среду независимо от состояния системы. Клапан либо не возвращается на место после открытия, либо физически застревает в выпускном положении.
Этот вид неисправности четко проявляется в постоянном шуме из нагнетательной линии и неспособности поддерживать давление в системе. Однако операторы иногда ошибочно диагностируют проблему, поскольку панели управления могут показывать, что клапан получил команду на закрытие, не подтверждая фактическое положение диска. Ядерная авария на Три-Майл-Айленде в 1979 году продемонстрировала этот диагностический пробел с разрушительными последствиями. Предохранительный клапан с пилотным управлением застрял в открытом положении, в то время как приборы диспетчерской показывали только, что были отправлены сигналы закрытия. Операторы отключили системы аварийного охлаждения на основании ложной информации, в то время как тысячи галлонов охлаждающей жидкости вытекли через заклинивший клапан, что привело к частичному расплавлению активной зоны.
В промышленных системах сжатого воздуха застрявший в открытом положении предохранительный клапан не позволяет компрессору достичь давления отключения. Машина работает непрерывно с полной нагрузкой, а не работает в обычном режиме. Это приводит к тепловой перегрузке двигателя, коксованию смазочного масла и ускорению износа поршневых колец и тарелок клапанов. В течение нескольких дней или недель компрессор, который должен был прослужить годы, терпит катастрофический механический отказ.
Гидравлические системы испытывают другие последствия, когда их предохранительные клапаны не открываются. Гидравлический насос продолжает генерировать поток, но вместо питания приводов весь поток сбрасывается обратно в резервуар через заклинивший клапан. Дроссельное действие преобразует гидравлическое давление в тепло с огромной скоростью. Температура масла быстро повышается, ухудшая уплотнения и смазочные свойства. Если не принять меры, тепловое накопление может полностью вывести из строя насос.
Экономический эффект непрерывной вентиляции поддается количественной оценке и является существенным. Используя формулу Нейпира для паровых систем, открытие на полдюйма при давлении 100 фунтов на квадратный дюйм приводит к потере примерно 84 000 долларов США в год на затраты на топливо и очистку воды при типичных тарифах промышленных предприятий. В этот расчет не включены затраты на простой и повреждение оборудования из-за недостаточного давления.
Промежуточные состояния отказа
Не все неисправности клапанов являются бинарными. Несколько режимов частичной неисправности создают постоянные проблемы без полного прекращения работы клапана.
Вибрация: высокочастотное механическое разрушение
Вибрация возникает, когда предохранительный клапан быстро колеблется между открытым и закрытым положениями, иногда совершая циклические движения десятки раз в секунду. Такое агрессивное поведение связано с проблемами гидродинамики, а не с механическим заклиниванием. Две основные причины, вызывающие вибрацию: выбор клапана слишком большого размера и чрезмерное падение давления на входе.
Когда номинальная пропускная способность клапана намного превышает фактические требования по сбросу давления в системе, открытие клапана мгновенно снижает давление в системе ниже точки возврата. Клапан захлопывается, давление немедленно восстанавливается, и цикл повторяется. Каждый цикл подвергает диск и седло ударным силам, подобным ковочному молотку. Стандарт ASME Раздел I Американского общества инженеров-механиков ограничивает потерю давления во впускной линии тремя процентами от установленного давления специально для предотвращения этого явления.
Механические последствия продолжительной вибрации катастрофичны. Уплотнительные поверхности, обработанные с высокой точностью, деформируются и трескаются под воздействием повторяющихся ударов. В обратных клапанах сильфонного типа в гибких элементах металла образуются усталостные трещины, в результате чего технологическая среда попадает в атмосферу. Монтажные фланцы ослабляются, поскольку вибрация распространяется по подключенным трубопроводам. В задокументированных случаях вибрация приводила к полному разрушению клапана и разрушению трубопровода в течение нескольких часов.
Зиммеринг: экологическая бомба замедленного действия
Симмеринг описывает непрерывную утечку низкого уровня, когда давление в системе приближается, но не превышает заданное значение клапана. Обычно это происходит, когда рабочее давление составляет от 95 до 98 процентов от давления сброса или когда пружины клапана со временем ослабевают из-за термической ползучести.
Технологическая жидкость, выходящая через микроскопические зазоры между диском и седлом, движется с чрезвычайно высокой скоростью. Когда этот поток содержит частицы или возникает в условиях коррозионной эксплуатации, он вызывает эрозию волочения проволоки. Это явление напоминает гидроабразивную резку, при которой на уплотнительных поверхностях постепенно вырезаются канавки. Как только начинается волочение проволоки, интенсивность утечек увеличивается в геометрической прогрессии, и повреждение становится необратимым без замены деталей.
С точки зрения регулирования, кипение представляет собой значительный риск нарушения требований. Данные Агентства по охране окружающей среды показывают, что на долю клапанов приходится примерно 60 процентов неорганизованных выбросов промышленных объектов, причем значительную часть составляют предохранительные клапаны, поскольку они обычно сбрасываются непосредственно в факельные системы или в атмосферу. Непрерывные выбросы летучих органических соединений приводят к нарушениям Закона о чистом воздухе и соответствующим штрафам. Утечка материала также представляет собой прямые потери продукта, измеряемые тысячами долларов в год на один клапан.
| Режим отказа | Корневой механизм | Основной системный эффект | Наблюдаемые симптомы |
|---|---|---|---|
| Застрял закрытым | Коррозионные связи, мусор, транспортировочные ограничения | Катастрофический разрыв/взрыв | Нет (тихий сбой) |
| Застрял открытым | Мусор на сиденье, заклинивание направляющей, неисправность пилота. | Разгерметизация системы | Сильный шум, низкое давление. |
| болтовня | Клапан увеличенного размера, падение давления на входе >3 % | Современные диагностические подходы | Сильная вибрация |
| Кипящий | Давление около заданного значения, релаксация пружины | Неорганизованные выбросы, эрозия | Шипение, ультразвуковой шум |
Физические первопричины
Чтобы понять, почему предохранительные клапаны выходят из строя, необходимо изучить процессы металлургической, химической и механической деградации, которые происходят в течение срока службы.
[Изображение ржавых внутренних компонентов предохранительного клапана]Коррозия и коррозионное растрескивание под напряжениемКоррозия поражает предохранительные клапаны несколькими путями. Равномерная коррозия постепенно уменьшает толщину стенок смачиваемых деталей. Питтинговая коррозия создает локальные глубокие полости, которые нарушают плоскостность уплотняющей поверхности. Гальваническая коррозия возникает на соединениях разнородных металлов, если во время сборки не была соблюдена надлежащая изоляция.
Самый коварный механизм коррозии – коррозионное растрескивание под напряжением. Для этого явления необходимы три одновременных условия: чувствительный материал, коррозионная среда и растягивающее напряжение. Пружины из аустенитной нержавеющей стали, подвергающиеся воздействию хлоридсодержащей атмосферы на прибрежных объектах, обычно подвергаются SCC. Трещины распространяются медленно, пока не происходит внезапное хрупкое разрушение. Когда пружина выходит из строя, клапан теряет весь контроль установленного давления и может открыться при давлении, значительно ниже проектного, или вообще не открыться, в зависимости от местоположения трещины.
Сероводородная среда при работе с высокосернистым газом вызывает сульфидное растрескивание под напряжением в компонентах из углеродистой стали. Эта форма растрескивания под воздействием окружающей среды может возникнуть при уровнях напряжения, значительно ниже нормальных проектных допусков. Отраслевые стандарты, такие как NACE MR0175, определяют устойчивые материалы для этих применений, но многие сбои возникают из-за установки неподходящей металлургии клапана в условиях коррозионно-активной среды.
Гидравлические системыКлапанные пружины работают при постоянном сжатии в условиях повышенных температур. За годы эксплуатации материал пружины испытывает ползучесть — зависящую от времени деформацию под постоянной нагрузкой. В металлургическом отношении дислокации в кристаллической структуре постепенно мигрируют и перестраиваются. Практическим результатом является постоянное снижение жесткости пружины, явление, называемое релаксацией пружины или потерей упругости.
Клапан, изначально настроенный на открытие при давлении 150 фунтов на квадратный дюйм, может открыться при давлении 140 фунтов на квадратный дюйм после пяти лет эксплуатации из-за ослабления пружины. Такое отклонение заданного значения приводит к преждевременному открытию и сбоям в процессе. И наоборот, если продукты коррозии накапливаются на витках пружины или между пружиной и ее корпусом, эффективная жесткость пружины увеличивается, и клапан открывается при давлении выше сертифицированного заданного значения.
Температура экспоненциально ускоряет деградацию весны. Пружины, работающие при температуре 400°F, деградируют примерно в два раза быстрее, чем идентичные пружины при температуре 200°F. Кодекс ASME учитывает это, требуя более частых интервалов испытаний для высокотемпературных применений.
Человеческая ошибка и халатное отношение к техническому обслуживаниюМногие неисправности клапанов напрямую связаны с человеческими ошибками во время установки или обслуживания. Клапаны большого размера поставляются с запорными устройствами, которые механически блокируют диск во избежание повреждения во время транспортировки. Процедуры установки требуют снятия этих ограничений, но недосмотр происходит с тревожной частотой. Клапан с прикрепленными транспортировочными ограничителями обеспечивает нулевую защиту от избыточного давления, несмотря на то, что внешне он выглядит нормально.
Неправильная смазка приводит к многочисленным неисправностям. Некоторые специалисты по техническому обслуживанию наносят на штоки клапанов масла или смазки общего назначения, не проверяя совместимость. Некоторые смазочные материалы полимеризуются при повышенных температурах, образуя липкие остатки, которые увеличивают силу отрыва. Другие смазочные материалы притягивают и удерживают частицы, образуя абразивное соединение, ускоряющее износ.
Загрязнение краски представляет собой повторяющуюся проблему во время проведения покрасочных работ по обслуживанию объектов. Избыточный распылитель попадает на крышку клапана и покрывает поверхности скольжения. Когда краска затвердевает, она склеивает движущиеся части вместе. Исследования показали, что увеличение давления открытия превышает 50 процентов только из-за загрязнения краски. Правильные процедуры требуют упаковки или снятия предохранительных клапанов перед началом близлежащих операций по окраске.
Последствия для конкретного приложения
[Изображение установки предохранительного клапана промышленного парового котла]
Нормы ASME Раздел I для котлов предъявляют строгие требования к предохранительным клапанам энергетических котлов. Клапаны секции I должны иметь двойные регулировочные кольца для обеспечения точного контроля продувки. Установка клапана Раздела VIII на котле приводит к нарушению правил и угрозе безопасности. В клапанах секции VIII отсутствует внутренняя геометрия трима, обеспечивающая достаточную разгрузочную способность и надлежащие характеристики повторного закрытия для эксплуатации котла.
Экономика утечки пара особенно сурова. Относительно небольшая утечка диаметром в четверть дюйма при давлении 100 фунтов на квадратный дюйм теряет около 240 фунтов пара в час. В пересчете на 10 долларов за тысячу фунтов пара эта единственная утечка обходится в 21 000 долларов в год. Большие утечки масштабируются геометрически, а не линейно, поскольку увеличенная площадь отверстия обеспечивает более высокую скорость и массовый расход.
[Изображение установки предохранительного клапана промышленного парового котла]Гидравлические системы
Гидравлические предохранительные клапаны выполняют двойную роль: как предохранительные устройства, так и регуляторы давления. Когда гидравлический предохранительный клапан застревает в открытом положении, вся мощность насоса течет прямо через клапан обратно в резервуар. Уравнение энергии для этого условия показывает, что вся входная мощность насоса преобразуется в тепло в жидкости. Насос мощностью 20 лошадиных сил, работающий на полную мощность с открытым предохранительным клапаном, добавляет к гидравлическому маслу примерно 50 000 БТЕ в час. Повышенная температура масла вызывает каскад проблем: от снижения вязкости до выхода из строя уплотнений.
Безопасность жилого водонагревателя
Клапаны сброса температуры и давления (перепускные клапаны) защищают как от избыточного давления, так и от перегрева. Когда клапан T&P не закрывается, неисправный термостат может нагреть воду значительно выше точки кипения под давлением. Если резервуар затем разорвется, перегретая вода мгновенно превратится в пар с взрывной силой. Несмотря на свои небольшие размеры, вышедшие из строя бытовые водонагреватели разрушали дома и приводили к гибели людей.
Системы сжатого воздуха
Когда номинальная пропускная способность клапана намного превышает фактические требования по сбросу давления в системе, открытие клапана мгновенно снижает давление в системе ниже точки возврата. Клапан захлопывается, давление немедленно восстанавливается, и цикл повторяется. Каждый цикл подвергает диск и седло ударным силам, подобным ковочному молотку. Стандарт ASME Раздел I Американского общества инженеров-механиков ограничивает потерю давления во впускной линии тремя процентами от установленного давления специально для предотвращения этого явления.
Нормативно-правовая база и юридическая ответственность
Эксплуатация оборудования с неисправными предохранительными клапанами нарушает множество нормативных стандартов и создает серьезные юридические риски.
Годовая стоимость (долл. США)Управление по охране труда регулирует системы сброса давления в первую очередь посредством своего стандарта управления безопасностью процессов, 29 CFR 1910.119. Это правило применяется к предприятиям, работающим с пороговыми количествами опасных химикатов, и требует письменных программ обеспечения механической целостности. Распространенные цитаты включают несоблюдение признанных и общепринятых передовых инженерных практик (RAGAGEP).
Стандарты и соответствие кодексуНормы ASME по котлам и сосудам под давлением устанавливают требования к проектированию. Клапаны должны иметь соответствующие кодовые штампы (V или UV). Национальный совет инспекторов котлов и сосудов под давлением поддерживает программу штампов VR для ремонтных организаций. Организации, выполняющие техническое обслуживание арматуры без соответствующей сертификации, нарушают требования ASME.
Соображения ответственностиЗакон об ответственности за качество продукции рассматривает взрывы сосудов под давлением в соответствии с принципами строгой ответственности. Истцам не нужно доказывать халатность; Доказательство того, что неисправное защитное устройство способствовало несчастному случаю, влечет за собой ответственность. Документированные доказательства того, что на предприятии не удалось реализовать программу испытаний клапанов в соответствии с признанными стандартами, значительно усиливают аргументы истцов.
| Диаметр утечки | Скорость потери пара (фунт/час) | Годовая стоимость (долл. США) | Операционное воздействие |
|---|---|---|---|
| Системы сжатого воздуха | 15 | 1300 долларов США | Незначительная потеря эффективности |
| 1/8 дюйма | 60 | 5200 долларов США | Заметное увеличение стоимости |
| 1/4 дюйма | 240 | 21 000 долларов США | Значительная финансовая утечка |
| 1/2 дюйма | 960 | 84 000 долларов США | Крупная потеря активов |
Современные диагностические подходы
Обнаружение деградации клапана до функционального отказа требует перехода от календарных испытаний к мониторингу состояния.
Технология поточного тестированияТрадиционные испытания клапанов требуют снятия и стендовых испытаний, что сопряжено с риском. Системы линейного тестирования проверяют работу клапана во время установки и под рабочим давлением. Устройства гидравлического подъема прикрепляются к крышке клапана и применяют контролируемое усилие. Прецизионные датчики давления контролируют давление на входе, в то время как подъемная сила постепенно увеличивается, рассчитывая фактическое давление открытия без полной продувки.
Интеграция промышленного Интернета вещей (IIoT)На современных объектах используются беспроводные сенсорные сети. Датчики давления WirelessHART отслеживают перепады давления, указывая на открытие клапана. Акустические датчики позволяют анализировать тенденции, при этом алгоритмы машинного обучения устанавливают базовые сигнатуры. Отклонения сигнализируют о развитии таких проблем, как закипание или частичный подъем.
Заключение
Неисправность предохранительного клапана превращает защитное устройство в обузу благодаря различным механизмам: от взрывного разрыва до коварного экономического кровотечения. Режим отказа с заклиниванием в закрытом состоянии представляет собой реальную угрозу, когда обнаружение происходит только во время катастрофического события, для предотвращения которого был установлен клапан. Заклинивание в открытом состоянии создает другую, но существенную проблему: постоянную потерю технологической среды, повреждение оборудования из-за недостаточного давления и потенциальные нарушения окружающей среды.
Судебно-медицинский анализ вышедших из строя клапанов неизменно показывает, что большинство отказов происходит не в результате случайной механической поломки, а в результате предсказуемых процессов деградации: накопления коррозии, неправильного выбора клапана, неадекватных программ технического обслуживания и человеческих ошибок во время установки или обслуживания. Снижение этих рисков требует строгого соблюдения стандартов ASME и API, внедрения программ проверки с учетом рисков и внедрения современных диагностических технологий, включая акустический мониторинг и поточные испытания.
Нормативно-правовая база, касающаяся систем сброса давления, налагает четкие юридические обязательства. Несоблюдение этих требований не только ставит под угрозу безопасность персонала, но и создает серьезные юридические риски. В промышленных системах высокого давления предохранительный клапан действует как последний барьер между контролируемой работой и катастрофическим отказом. Стоимость комплексных программ обеспечения надежности клапанов меркнет по сравнению с последствиями катастрофических отказов: разрушением объекта, загрязнением окружающей среды, соблюдением нормативных требований и человеческими жертвами.
