Предохранительные клапаны и устройства

Широкое применение в нефтяной и химической промышленности процессов, протекающих под высоким давлением, а также тенденция к дальнейшему его повышению, предъявляют высокие требования к безопасной работе с оборудованием, находящимся под этим давлением, тем более что используемые среды, как правило, взрыво — и пожароопасны, а также иногда и токсичны.

Для защиты сосудов аппаратов, емкостей, трубопроводов и другого технологического оборудования от разрушения при чрезмерном превышении давления чаще всего применяют предохранительные клапаны. Предохранительный клапан обеспечивает безопасную эксплуатацию оборудования в условиях повышенных давлений газа или жидкости. При повышении в системе давления выше допустимого предохранительный клапан автоматически открывается и сбрасывает необходимый избыток рабочей среды, тем самым, предотвращая возможность аварии. После окончания сброса давление снижается до величины, меньшей начала срабатывания клапана, предохранительный клапан автоматически закрывается и остается закрытым до тех пор, пока в системе вновь не увеличится давление выше допустимого.

В зарубежной практике, кроме названия, «предохранительный клапан», часто встречаются названия «перепускной» и «предохранительно-перепускной» клапан.

Предохранительный клапан — автоматическое устройство для сброса давления, приводимое в действие статическим давлением, возникающим перед клапаном, и отличающееся быстром полным подъемом золотника за счет динамического действия выходящей из сопла струи сбрасываемой среды. Предохранительные клапаны используют для газов и паров.

Перепускной клапан — автоматическое устройство для сброса давления, приводимое в действие статическим давлением, возникающим перед клапаном, и отличающееся постепенным подъемом золотника пропорционально увеличению давления сверх давления открывания. Перепускные клапаны используют, главным образом, для жидкостей.

Предохранительно-перепускной клапан — автоматическое устройство, которое можно использовать в качестве либо предохранительного, либо перепускного клапана в зависимости от вида применения. Эти клапаны, как правило, на газах работают как предохранительные, а на жидкостях — как перепускные.

Основные требования к предохранительным клапанам стандартизированы и соблюдаются в законодательном порядке.

«Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» определяют область обязательного применения предохранительных клапанов и требования к ним, а также основные правила их установки и обслуживания.

Документы, определяющие требования к предохранительным клапанам в некоторых странах, приведены в табл.13.23. По предохранительным клапанам основные положения этих правил близки друг к другу.

Основные положения этих правил следующие.

Технологическое давление в сосуде (аппарате, трубопроводе и т. п.) — максимально избыточное давление, которое может возникнуть при нормальном режиме процесса.

Таблица 13.23

Документы, определяющие требования к предохранительным клапанам

Расчетное (рабочее) давление сосуда — давление, на которое рассчитаны стенки корпуса или узлов сосуда. Величина расчетного давления должна превышать технологическое давление в аппарате, чтобы исключить нежелательное срабатывание предохранительных клапанов.

Рис. 13.42. Соотношения между различными давлениями:

I- технологическое; II- рабочее и установочное; III- максимально допустимое; IV- давление закрытия.

Максимально допустимое рабочее давление — давление, превышение которого недопустимо из соображений безопасности. Это давление зависит от материала, его толщины и условий эксплуатации, положенных в основу расчета.

Установочное давление (давление срабатывания) — давление, при котором открывается предохранительный клапан.

Продув или гистерезис — разность между давлением срабатывания и давлением закрытия клапана, выражаемая е процентах от давления срабатывания. Подъем — перемещение золотника клапана при его срабатывании. Как правило, выражается отношением высоты подъема золотника к диаметру сопла.

Статическое противодавление — давление в выкидной трубе или коллекторе при закрытом клапане.

Динамическое противодавление — давление в выкидной трубе или коллекторе при сбросе из предохранительного клапана.

Пример соотношения между вышеприведенными давлениями приведен на рис. 13.42.

Основной характеристикой предохранительных клапанов является их пропускная способность, определяемая количеством сбрасываемой жидкости в единицу времени при открытом клапане.

Общие требования к предохранительным клапанам следующие.

• Автоматическое и безотказное срабатывание клапана при заданном давлении.
• Пропуск такого количества среды при открытом положении клапана, чтобы давление в сосуде не превысило установленные пределы.
• Автоматическое и безотказное закрытие клапана при давлении, не нарушающем технологический процесс в защищаемой системе.
• Сохранение необходимой герметичности затвора клапана в закрытом состоянии даже после неоднократных сбросов среды.

Однако необходимо учитывать, что безотказность открытия предохранительных клапанов и их необходимая пропускная способность — основные требования, которым должны быть подчинены все остальные. Предохранительный клапан должен сработать при определенном предварительно рассчитанном давлении и оставаться полностью открытым (без колебания запорного органа), чтобы пропустить среду в таком количестве, при котором давление в системе в дальнейшем не будет повышаться. Установочное давление должно быть практически постоянным при неоднократных сбросах. В Правилах Госгортехнадзора допустимое отклонение от установочного давления при многократных срабатываниях не регламентируется, однако в технических условиях на полноподъемные пружинные предохранительные клапаны для нефтяной промышленности отклонение давления срабатывания может быть ±0,5%.

Малая величина продува предохранительного клапана является положительным качеством, так как при запаздывании закрытия клапана давление в системе может упасть ниже предела, при котором возможно нормальное течение технологического процесса. Это недопустимо, так как не всегда срабатывание клапана вызывается причинами, требующими остановки системы и ее ремонта. Иногда клапан срабатывает из-за случайных причин, например неправильного управления технологическим процессом. Кроме того, недостаточно быстрое закрытие клапана не в состоянии прервать пленку протекающей между уплотнительнымя поверхностями затвора среды. При этом герметичность затвора при рабочем давлении не восстанавливается и происходит постоянное дросселирование среды через уплотнение, что приводит к эрозии уплотнительных поверхностей и выходу клапана из строя.