|
|
Для захисту апаратів і трубопроводів від надмірного тиску, що може виникнути за умов їх експлуатації, застосовують запобіжні та мембранні клапани, область застосування яких наводиться в правилах влаштування та безпечної експлуатації судин, які працюють під тиском.
Запобіжний клапан представляє собою пристрій автоматичної дії, призначений для випуску з ємностей надлишкової кількості газу, пари або рідини при збільшенні тиску понад встановлені межі.
Принципова схема запобіжного клапана показана на рис.5.9.
Рисунок 5.9 - Принципова схема запобіжного клапана
1- корпус; 2- золотник; 3- пружина; 4- відвідний трубопровід; 5- судина
За відсутності в судині перевищення допустимого робочого тиску на золотник 2 клапана зверху вниз діє постійне зусилля попередньо стиснутої пружини 3. У випадку виникнення тиску в судині на золотник починає діяти сила, протидіюча до зусилля пружини. Поки вона менша за зусилля пружини, їх різниця створює ущільнення між золотником 2 та сідлом корпуса 1 клапана. При збільшенні тиску в судині ущільнююча сила зменшується до нуля, після чого подальше збільшення тиску приводить до відкривання клапана, при цьому з ємності 5 газ скидається через відвідний трубопровід 4 в атмосферу або спеціальну ємність.
Запобіжні клапани класифікують за способом створення навантаження на золотник, за висотою підйому золотника, за способом відкривання клапана та за способом випуску з нього середовища.
За способом створення навантаження на золотник клапани бувають:
-
вантажні з прямим навантаженням золотника;
-
вантажні важільні;
-
пружинні з прямим навантаженням золотника;
-
пружинні важільні;
-
пружинні з допоміжним поршнем.
Вантажні запобіжні клапани з прямим навантаженням золотника застосовуються в основному для захисту апаратів, які працюють при низькому тиску (рис. 5.10).
Вантажні важільні клапани (рис.5.10 б) мають більш широку сферу застосування, оскільки дозволяють у великих межах змінювати тиск спрацьовування. Перевагою вантажних клапанів є простота конструкції та постійність навантаження на золотник при його підйомі; недоліками – великі габарити, схильність до вібрації та неможливість застосування на пересувних установках.
Рисунок 5.10 - Вантажні запобіжні клапани
а- вантажний з прямим навантаженням; б- вантажний важільний; 1-вантаж; 2- золотник; 3- важіль
Пружинні запобіжні клапани з прямим навантаженням золотника (рис. 5.11) є найбільш розповсюдженим типом клапанів. Вони мають малі габаритні розміри за більших прохідних перерізів і їх можна улаштовувати на пересувних установках, наприклад, на автомобільних та залізничних цистернах. Недоліком пружинних клапанів є те, що при підйомі золотника зростає зусилля пружини, внаслідок її стиснення.
За висотою підйому золотника запобіжні клапани поділяються на низькопідйомні, середньопідйомні та повнопідйомні.
Низькопідйомні клапани застосовують для рідких середовищ, головним чином в тих випадках, коли не вимагається велика пропускна спроможність.
Середньопідйомні клапани застосовуються як перепускні.
Повнопідйомні клапани відрізняються високою продуктивністю, оскільки переріз щілини при підйомі золотника дорівнює або є більшим перерізу сопла клапана.
За способом відкривання клапани бувають прямої та непрямої дії.
Рисунок 5.11 - Пружинні запобіжні клапани
а- пружинний з прямими навантаженням; б- пружинний з допоміжним поршнем; 1-золотник; 2- пружина; 3- поршень
Запобіжні клапани прямої дії відкриваються під дією сили, яка створюється тиском середовища в системі. До них відносяться всі розглянуті вище клапани. Для відкривання клапана непрямої дії на нього подається регулюючий імпульс. На рис. 5.12 показано основний запобіжний клапан 6 непрямої дії, під поршень якого подається регулюючий імпульс від допоміжного клапана 7 з голчастим вентилем 8. Зусилля пружини основного клапана 6 розраховано на величину, більшу за силу тиску середовища на золотник, тому в закритому стані золотник щільно прижатий до сопла і забезпечує цим самим надійну герметичність. При перевищенні тиску понад встановлений в ємності, яка захищається, спрацьовує запобіжний клапан 7, і середовище, яке скидається, подається під поршень основного клапана, забезпечуючи його відкривання. Повна пропускна спроможність такої системи досягається вже за незначного перевищення тиску в ємності.
Рисунок 5. 12– Клапан непрямої дії
1- золотник; 2- важіль; 3- поршень; 4- основний запобіж- ний клапан; 5- допоміжний клапан; 6 - вентиль
Перевагою запобіжних клапанів непрямої дії є можливість отримання високої пропускної спроможності за рахунок збільшення діаметра сопла. Недоліком їх є залежність надійності від працездатності основного та допоміжного клапанів.
За способом випуску середовища запобіжні клапани бувають відкритого та закритого типу.
Клапани відкритого типу не мають патрубка для підключення відвідних трубопроводів і випускають робоче середовище в атмосферу.
Клапани закритого типу мають патрубок для підключення відвідного трубопроводу. Середовище, яке скидається через клапан, може відводитися на безпечну відстань або в спеціальну герметичну ємність. Клапани закритого типу мають широке застосування в хімічній галузі, оскільки вони можуть використовуватися на установках з вибухонебезпечними і токсичними газами.
-
До роботи запобіжних клапанів пред’являються наступні основні вимоги:
-
безвідмовне відкривання клапана за заданим тиском;
-
безвідмовне закривання клапана;
-
зберігання повної герметичності клапана в закритому стані;
-
у відкритому стані клапан повинен мати таку пропускну спроможність, щоб після його спрацьовування тиск в ємності, яка захищається, не міг більше підвищуватися.
Слід відмітити, що вимоги безвідмовності відкривання та достатньої пропускної спроможності повинні виконуватися безперечно, оскільки від цього повністю залежить надійність захисту технологічного обладнання від руйнування.
Пропускна спроможність запобіжних клапанів повинна бути розрахована таким чином, щоб при їх спрацьовуванні тиск, який утворюється в системі, не міг перевищити встановлених визначених значень, що залежать від робочого тиску системи. Пропускна спроможність визначається висотою підйому золотника, яка є однією з основних характеристик запобіжних клапанів.
При розрахунках пропускної спроможності G (кг/с) або площі перерізу запобіжного клапана для парів та газів користуються наступною формулою:
 (5.22)
де α – коефіцієнт витрати, який наводиться в паспорті клапана або приймається приблизно 0,75  0,85;
F – площа прохідного перерізу клапана, м2;
В – коефіцієнт, який визначається за таблицею 5.1. Для рідин коефіцієнт В приймають рівним 1;
 – надлишковий тиск спрацьовування клапана, МПа;
 – надлишковий тиск за запобіжним клапаном, МПа;
 - густина середовища за умов спрацьовування клапана (і t1).
Таблиця 5.1 - Значення коефіцієнтів В
р2/р1 |
Коефіцієнти В за значенням показника адіабати К |
1,24 |
1,30 |
1,40 |
1,66 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
0,00
0,04
0,12
0,20
0,32
0,40
0,50
0,60
0,72
0,80
0,92 |
0,464
0,474
0,495
0,519
0,563
0,598
0,656
0,730
0,818
0,873
0,951 |
0,472
0,482
0,503
0,527
0,572
0,609
0,667
0,741
0,826
0,878
0,953 |
0,484
0,494
0,516
0,531
0,587
0,625
0,685
0,757
0,837
0,886
0,956 |
0,513
0,524
0,547
0,573
0,622
0,662
0,725
0,790
0,860
0,903
0,963 |
0,544
0,556
0,580
0,609
0,660
0,702
0,765
0,822
0,883
0,919
0,969 |
0,582
0,594
0,620
0,651
0,706
0,751
0,807
0,855
0,905
0,935
0,975 |
0,612
0,625
0,653
0,685
0,743
0,788
0,836
0,878
0,920
0,945
0,979 |
|
Запобіжні клапани необхідно влаштовувати безпосередньо на штуцері апарата у вертикальному положенні. Якщо конструкція апарата або інші виробничі умови не дозволяють встановити клапан на штуцері, то допускається влаштування його на трубопроводі або на спеціальному патрубку безпосередньо поруч із штуцером апарата за умов, що між апаратом та клапаном не повинно бути запірної арматури. Діаметр підвідного штуцера повинен бути не менше діаметра прохідного перерізу з’єднувального фланця з боку входу продукту в запобіжний клапан. Діаметр відвідного трубопроводу повинен бути не менше діаметра випускного фланця клапана. У всіх випадках, коли це можливо, рекомендується застосовувати короткий відвідний трубопровід із скиданням середовища безпосередньо в атмосферу; при цьому скидний стояк повинен мати дренажний отвір діаметром 20-50 мм для спуску рідини з його нижньої частини до збірника або промислової каналізації.
Для кожного запобіжного клапана бажано влаштовувати окрему вихлопну трубу. Допускається об’єднувати декілька вихлопних труб від запобіжних клапанів в загальний колектор. При цьому колектор повинен мати більший прохідний переріз, ніж вихлопний патрубок будь-якого з клапанів, що входять в дану групу, і мати мінімальне число поворотів та мінімальну довжину.
Розміри, кількість, а також тиск спрацьовування запобіжних клапанів підбирають з таким розрахунком, щоб в апараті не міг утворитися тиск, що на 0,05 МПа перевищує робочий ( для апаратів з надлишковим тиском від 0,07 до 0,3 МПа), більше ніж на 15% - для апаратів з робочим тиском до 6 МПа і на 10% - для апаратів з тиском понад 6 МПа.
Запобіжні клапани регулюють на тиск, за яким вони повинні працювати. Клапани мають захисний пристрій з пломбою, який не дозволяє довільно змінювати навантаження клапана.
На апаратах колонного типу з великою кількістю тарілок або великою висотою насадок запобіжні клапани влаштовують зверху та на кубовій частині колони.
На апаратах та ємностях із скрапленими газами влаштовують по два запобіжних клапани – кожний на повну пропускну спроможність. Резервуари та ємності із скрапленими газами представляють собою велику небезпеку в умовах пожежі, оскільки обігрів резервуара при пожежі приводить до інтенсивного випаровування скрапленого газу. Оскільки клапани можуть бути не розраховані на такі умови, при підвищенні тиску можуть виникнути умови для пошкодження ємності. Тому на практиці експлуатації резервуарів з скрапленими газами при розрахунках запобіжних клапанів доцільно враховувати вплив на ємності теплоти можливої пожежі.
На ємностях для зберігання бутану, бутадієну, газового бензину та інших подібних речовин, крім запобіжних клапанів, повинні бути встановлені два вакуумних клапани, розраховані на підсмоктування азоту при вакуумі, рівному 3 кПа та вище, що утворюється за низьких температур зовнішнього середовища.
З метою перевірки справності запобіжних клапанів їх забезпечують пристроями для примусового відкривання під час роботи апарата.
Для зниження витоків через запобіжні клапани (через нещільне прилягання тарілки клапана до сідла або пульсації тиску), а також для захисту деталей клапана від корозії агресивним технологічним середовищем між клапаном та апаратом влаштовують розривну мембрану, яка представляє собою тонку пластину, що руйнується при підвищенні тиску в апараті. Більш детально мембранні пристрої розглянуті у главі 10 даного посібника.
|