В широком смысле термин «предохранительный клапан» используется для описания типа клапана, предназначенного для предотвращения возникновения условий избыточного давления, которые могут вызвать значительный риск взрыва, выхода из строя оборудования, а также возможность травмирования или гибели персонала. Предохранительные клапаны могут обеспечивать защиту путем выпуска жидкости из емкости или системы, находящейся под давлением, или путем добавления жидкости для предотвращения образования вакуума, который может привести к разрушению резервуара для хранения. Жидкость в данном контексте может относиться либо к жидкости, либо к газу, в зависимости от обсуждаемого применения.

В этой статье будет представлена информация о перепускных клапанах, включая обзор соответствующей терминологии, работы, применения и технических характеристик этих устройств.

Основные понятия

Предохранительные клапаны встречаются во многих системах, работающих под давлением и связанных с управлением потоком жидкости, например, в системах с электронным, гидравлическим или пневматическим управлением.  В то время как типичные системы, подобные этим, требуют определенного источника энергии для работы, предохранительные клапаны по своей природе должны быть способны работать при любых условиях, особенно в случае отключения основного питания, когда органы управления системой могут быть неработоспособны. По этой причине перепускные клапаны в основном не являются устройствами с отдельным питанием и используют пассивную силу давления технологической жидкости для приведения клапана в действие.

Кроме того, необходимо, чтобы перепускные клапаны были надежными по своей сути, поскольку они могут быть единственным устройством, которое предотвращает возникновение катастрофического состояния. Поэтому конструкции перепускных клапанов стремятся к простоте действия, поскольку усложнение устройства может снизить его надежность.

Предохранительные клапаны предназначены для открытия при заданном значении давления, затем обеспечивают поток жидкости из клапана при номинальной пропускной способности и закрываются, когда состояние давления ослабевает. Эти устройства также должны быть совместимы с различными жидкостями, от воздуха, воды и пара до более агрессивных и вязких жидкостей. Выбор материала в конструкции предохранительного клапана должен отражать предполагаемые условия давления и температуры, а также потенциал коррозии или химического воздействия жидкости в системе. В зависимости от среды, жидкость, выводимая через клапан, может отводиться непосредственно в атмосферу или в закрытую систему в случае, если среда коррозионная, токсичная или имеет достаточно высокую степень восстановления. Выпуск в закрытую систему требует оценки и учета условий противодавления, которые могут существовать, и которые могут негативно повлиять на работу предохранительного клапана. Это может произойти, когда выход клапана подключен к системе, которая обычно находится под давлением, или когда могут быть другие предохранительные клапаны, выходящие в один общий коллектор.

Ключевые термины

Хотя термины «предохранительный клапан», «клапан сброса давления», «предохранительный клапан» и «предохранительный клапан» на первый взгляд кажутся синонимами, на самом деле для этих терминов существуют специальные определения, которые, как представлено ниже, адаптированы из ANSI/ASME Performance Test Code PTC-25-2008. С иерархической точки зрения может быть полезно охарактеризовать семейство продуктов, выполняющих эту функцию, как устройства сброса давления, а затем в рамках этого семейства определить конкретные типы устройств как относящиеся к одному из двух классов:

• Устройства для сброса давления без реклокинга
• устройства для сброса давления без реклокинга

Различие между этими двумя классами заключается в том, что незакрывающиеся устройства предназначены для того, чтобы оставаться открытыми после срабатывания и могут требовать ручного сброса. Устройства повторного закрытия обычно закрываются или сбрасываются после того, как избыточное или пониженное давление, вызвавшее открытие клапана, исчезнет.

Перекрытие устройств сброса давления

К устройствам сброса давления относятся:

• Клапаны сброса давления
• Предохранительные клапаны
• Предохранительные клапаны
• Предохранительные сбросные клапаны

Предохранительные клапаны (PRV) — это пружинные клапаны, которые предназначены для открытия при наличии избыточного давления и закрытия для предотвращения потока жидкости после восстановления нормальных условий эксплуатации. Обычно это быстро открывающиеся клапаны, или клапаны со срабатыванием, или они могут открываться пропорционально величине давления, превышающего давление открытия.

Предохранительные клапаны обычно представляют собой клапаны сброса давления, которые реагируют на статическое давление на входе и быстро открываются. Они обычно используются в системах со сжимаемыми жидкостями.

Перепускные клапаны — это клапаны, которые характеризуются более постепенным открытием или закрытием, что, как правило, пропорционально увеличению или уменьшению давления в системе. Эти устройства обычно используются в системах с несжимаемыми жидкостями.

Предохранительные сбросные клапаны сочетают в себе характеристики как предохранительных, так и сбросных клапанов. Они способны как быстро, так и постепенно открываться и закрываться и, как правило, реагируют пропорционально изменению давления. Они могут использоваться как со сжимаемыми, так и несжимаемыми жидкостями или средами.

Неразборные устройства сброса давления

Не закрывающиеся устройства сброса давления остаются открытыми после срабатывания, что требует ручного сброса. Они не являются предохранительными клапанами как таковыми, а больше похожи на предохранители, которые необходимо заменить, если перегрузка по току привела к размыканию плавкой вставки.

Примерами незакрывающихся устройств сброса давления являются разрывные мембраны и разрывные штифты.

Типы предохранительных клапанов (PRV)

Клапаны сброса давления обычно относятся к одному из этих типов:

• PRV с ограниченным подъемом — клапан, в котором зона разгрузки определяется положением диска в клапане.
• ПРВ с полным подъемом — такой, в котором зона разгрузки не определяется положением диска в клапане.
• PRV с уменьшенным проходом — определяется как клапан, в котором площадь проходного сечения под седлом меньше, чем на входе клапана.
• Полнопроходной PRV — определяется как такой, в котором площадь отверстия равна площади потока на входе.
• PRV с прямой пружиной — клапаны, в которых для удержания диска в закрытом состоянии используется пружина.
• PRV с пилотным управлением — клапаны, в которых давление в системе используется для удержания поршня или мембраны на месте (вместо пружины), а конкретное давление удержания контролируется давлением в системе, приводящим в действие пилотный клапан.
• Обычный PRV с прямой пружиной — клапан с прямой пружиной, работа которого напрямую зависит от изменения противодавления.
• Сбалансированный прямой пружинный PRV — прямой пружинный клапан, разработанный для минимизации влияния противодавления на рабочие характеристики клапана. Также называется сбалансированным сильфонным PRV.
• PRV с внутренней пружиной — клапан с прямой пружиной, в котором пружинный механизм находится под воздействием давления в системе, когда клапан находится в закрытом состоянии.
• Предохранительный клапан температуры и давления — предохранительный клапан, который может реагировать как на условия давления, так и на условия температуры на входном отверстии клапана.
• PRV с силовым приводом — перепускной клапан, срабатывание которого осуществляется при помощи устройства с внешним приводом.
• Вакуумный предохранительный клапан — срабатывает для пропуска жидкости в систему при возникновении внутреннего вакуума, который может привести, например, к разрушению емкости для хранения.

Компоненты и работа обычных предохранительных клапанов

Обычный предохранительный клапан состоит из трех основных компонентов:

1. Входной патрубок клапана, который подключается к системе или сосуду под давлением, для которого обеспечивается защита.
2. Подвижный диск или мембрана, которая контролирует поток жидкости через клапан и к выходному отверстию.
3. Пружина, которая удерживает диск в закрытом состоянии и позволяет клапану открыться, когда давление в системе превышает заданное значение.

Перепускной клапан остается нормально закрытым, предотвращая выброс жидкости из системы под действием давления пружины, удерживающей диск в сопле. Если давление в системе повысится настолько, что давление на входе в клапан превысит заданное, то давление на входе сожмет пружину, позволяя диску подняться из сопла и позволяя жидкости выходить через выпускное отверстие до тех пор, пока состояние избыточного давления не будет устранено и оно не вернется к значению ниже заданного.

Материалы предохранительных клапанов

Предохранительные клапаны изготавливаются из различных материалов, от латуни до полисульфона. Для разных сред и номинальных давлений требуются разные материалы; например, клапан сброса давления пара может быть изготовлен из литого алюминия с полиэфирной мембраной, в то время как бронзовый клапан — отличный выбор для низкотемпературных применений. Нержавеющая сталь может использоваться в системах, требующих поддержания санитарных или гигиенических условий. Во многих предохранительных клапанах используются компоненты, изготовленные не из корпуса, а из другого материала. Флуоросиликон, неопрен, пропилен и этилен используются в уплотнениях перепускных клапанов и подобных компонентах. Сочетание различных материалов позволяет получить прочный, долговечный корпус, в котором в полной мере используются уплотнительные и эластичные свойства синтетических полимеров и пластмасс. Цельнопластиковые клапаны, хотя и не подходят для любого применения, имеют преимущество в том, что они не подвержены разрушению под воздействием коррозии.

Предохранительные клапаны могут быть сконструированы таким образом, чтобы выдерживать экстремальные внутренние давления и работать в воздушной, паровой или жидкой среде. Некоторые клапаны могут быть настроены на реакцию на различные уровни давления простым поворотом маховика или циферблата. Другие могут быть спроектированы на заказ для реагирования на определенное номинальное давление.

Технические характеристики предохранительных клапанов и соображения по выбору

Ниже приводится краткое описание некоторых типичных технических характеристик, связанных с клапанами сброса давления. Понимание этих параметров и их связи с условиями применения поможет упростить процесс выбора подходящего варианта для использования. Обратите внимание, что разные производители могут по-разному оценивать свою продукцию, поэтому данная сводка предназначена для общего сведения.

• Материал уплотнения — материал, из которого изготовлено уплотнение клапана
• Номинальный расход — пропускная способность клапана в открытом положении
• Диапазон регулировки давления — диапазон, в котором может быть установлено давление на перепускном клапане
• Диапазон рабочих температур — диапазон температур, для которых рассчитан клапан.
• Материал клапана — основной материал корпуса клапана и механических компонентов, за исключением седел и уплотнений.
• Тип регулировки — при наличии функции регулировки описывается ее тип, например, винт, ручка или защита от вскрытия.
• Тип среды — описывает характер среды, на которую рассчитан клапан, например, воздух, аммиак, хладагент, топливо, масло, газ, вода, пар и т.д.
• Тип крепления — представляет собой механический способ крепления клапана к системе или сосуду под давлением, например, резьбовое, фланцевое или коллекторное крепление.

Выбор подходящего предохранительного клапана требует внимания к этим факторам:

• Давление настройки — значение входного статического давления, при котором клапан начинает открываться.
• Противодавление — значение выходного статического давления, которое возникает из-за давления в системе сброса, если не используется прямой сброс в атмосферу.
• Технологическая среда — характер жидкости, содержащейся в системе под давлением.
• Присоединительные размеры — размеры и типы соединений на входном и выходном отверстиях клапана, включая тип резьбы, если она нарезана.
• Необходимая пропускная способность — расход или пропускная способность клапана, измеряемая в объемных единицах.
• Накопление — нарастающее увеличение давления сверх максимально допустимого рабочего давления защищаемой системы или блока.

Производители клапанов предоставляют специальные процедуры определения размеров клапанов, которые основаны на давлении рабочей среды и условиях эксплуатации (пример см. в главе 5 справочника 8 ниже). Эти процедуры включают необходимые уравнения для расчета потребляемой тепловой энергии и требуемой пропускной способности для различных условий применения. Для подтверждения правильности выбора и установки перепускного клапана следует обратиться к квалифицированным инженерам.

Применение предохранительных клапанов

Перепускные клапаны находят многочисленные применения для обеспечения безопасной работы систем и оборудования в таких отраслях, как:

• авиационная и аэрокосмическая промышленность
• нефть и газ
• нефтехимическая
• производство электроэнергии
• химическое производство и переработка
• гидравлические контуры
• пневматические системы
• охлаждение
• криогенная техника
• полупроводники

На предприятиях, где в технологических процессах и операциях используется большое количество предохранительных клапанов, обычно устанавливаются системы автоматизации с использованием беспроводных акустических передатчиков или аналогичных технологий для упрощения контроля состояния клапанов и снижения усилий, необходимых для выполнения требований к отчетности.

В жилых помещениях в системах отопления, использующих котлы для гидравлического отопления и баки для горячей воды, используются предохранительные клапаны для обеспечения безопасности и предотвращения взрывов. Поскольку нагретая вода увеличивается в объеме, использование этих клапанов в сочетании с другими предохранительными устройствами, такими как расширительные баки и газовые запорные клапаны, помогает обеспечить безопасную эксплуатацию этих сосудов под давлением. Многие модели, используемые в жилых помещениях, оснащены контрольными рычагами, чтобы их работу можно было проверить при плановом обслуживании оборудования.

Заключение

В этой статье представлен обзор информации о перепускных клапанах, включая их сущность, ключевую терминологию, типы, технические характеристики и соображения по выбору.