Ведь именно туда правила предписывают отводить среду, выходящую из предохранительных клапанов.
А ведь еще в 1771 году рудопромышленник Исмаил Тасимов обратился в Берг-Коллегию (здесь «берг» на немецком – «горная») с инициативой об учреждении Горного училища: «…чтоб начальники заводов или надзиратели их трудов и промысла были знающие люди, ибо они часто спрашиваться должны, и от умного и сведущего охотнее слушать наставления, нежели от глупого невежи…».
В 1773 году одновременно с Горным училищем был организован и Горный музей.
В музее среди прочих экспонатов скромно расположился предохранительный клапан, сконструированный Тимоти Хэквортом.
Тимоти Хэкворт был старшим сыном Джона Хэкворта, который занимал должность начальника кузнечного цеха на шахте. До своей смерти в 1804 году Джон уже приобрел известность как изобретатель парового котла. В 1807 году Тимоти взялся за продолжение и усовершенствование изобретений отца.
В знак признания многочисленных заслуг Тимоти в Шелдоне благодарными потомками воздвигнут памятник (уже второй) в его честь.
Начав службу горным инженером, Хэкворд продолжил ее руководителем на заводе, производящем паровые локомотивы.
Его сын, названный Джоном в честь деда, в 1836 году управлял первым паровозом, который был изготовлен на заводе отца для России. Команде английских путешественников пришлось проехать из Гамбурга 500 миль по замерзшей пустынной местности на деревянных санях, прежде чем они увидели шпили Санкт-Петербурга. Погода была настолько суровой, что бутылки со спиртным в пути замерзли и лопнули. Во время метели на них напали волки, и только доведя конные упряжки до безумия, молодой Хэкворт и его команда избежали щелкающих челюстей. К счастью, все закончилось благополучно, но Тимоти и вся семья были крайне удивлены и встревожены, когда Джон вернулся из Санкт-Петербурга в Англию с окладистой русской бородой, задолго до того, как бороды стали популярны в Великобритании в середине XIX века после Крымской войны.
Сохранился рисунок из блокнота Тимоти с принципиальной схемой пружинного предохранительного клапана. Основные детали – седло, диск, шток, пружина – уже присутствуют. Хотя они и видоизменились, но без них не обходятся в большинстве современных клапанов.
За время своей эволюции предохранительные клапаны спасли сотни тысяч жизней и позволили избежать экономических потерь, масштаб которых даже невозможно представить. В настоящее время их конструкция почти достигла своего совершенства.
Особенность конструкции клапанов ASME объясняется необходимостью обеспечить выполнение требований американского стандарта. Для этого в конструкции предусмотрены детали, с помощью которых с требуемой точностью настраивается давление полного открытия и давление полного закрытия клапана.
Существует большое многообразие моделей и конструкций ПК. Каждая из них обеспечивает безопасность в определенной области применения.
Какой клапан подойдет, а какой нет нам поможет понять крейсер «Варяг» с помощью мнемонического плавила: четыре трубы – четыре вопроса.
Мнемотехника – замена абстрактных объектов и фактов на понятия, имеющие визуальные представления. Наш крейсер в этом смысле подходит вот почему.
Во-первых, «Варяг» – трагически знаменитый паровой крейсер времен Русско-Японской войны. На нем было 30 паровых котлов, и каждый был оборудован предохранительным клапаном диаметром 40 мм. Подумал про предохранительный клапан – вспомни «Варяг».
Во-вторых, при выборе предохранительного клапана нужно ответить на четыре группы вопросов. Такое же количество дымовых труб было на «Варяге». Четыре трубы – четыре группы вопросов – четыре стековые гистограммы.
Казалось бы, все не так уж и сложно! Но практика убеждает в обратном. Предлагаем подробно во всем разобраться на недавнем практическом примере.
Обращение поступило к нам от проектной организации. Проблема обнаружилась после запуска спроектированной технологической установки на предприятии. Теплоноситель – пар давлением 5 бар. Сразу скажем, что после установки мановакууметра и правильной настройки предохранительного клапана часть проблемы сразу бала снята.
По версии персонала предприятия, ситуация обстояла следующим образом: «Расхода пара нет. Регулирующий клапан закрыт. Манометр перед оборудованием показывает ноль. Перед регулирующим стоит предохранительный и редукционный клапан. Редукционный клапан не держит. Предохранительный клапан из-за этого постоянно срабатывает. Он нас уже достал!»
Для того чтобы разобраться в происходящем, оказалось достаточно внимательно взглянуть на технологическую схему и несколько фотографий оборудования. Оно было смонтировано в точном соответствии с проектом.
В действительности ситуация оказалась такова. Подготовка оборудования к пуску началась летом и закончилась осенью. В конце осени установилась теплая погода и тепловая нагрузка была минимальная. Потребление пара на предприятии снизилось, давление в паропроводе поднялось. Регулирующий клапан при запуске оборудования отработал должным образом и прикрылся (почти полностью) для обеспечения малого расхода пара. При таком расходе давление пара в оборудовании упало и стало несколько ниже атмосферного, но по манометру, понятное дело, его величину увидеть было невозможно, стрелка «уперлась» в ноль. Редукционный клапан «держал» давление, работал, как ему и положено. Он был прямого действия и, соответственно, имел пропорциональную характеристику регулирования. При малом расходе держал давление больше, при большом – меньше. В полном соответствии с его полосой пропорциональности, которая определяется жесткостью пружины и диаметром мембраны. Он был настроен на заданное давление при большом расходе. При малом расходе давление оказалось близким к давлению настройки предохранительного клапана. Колебания расхода пара приводили к срабатыванию предохранительного клапана. После срабатывания он не мог до конца закрыться и издавал характерный «лязг». Давление полного закрытия оказалось ниже рабочего при малом расходе. Предохранительный клапан был настроен без учета давления полного закрытия и без учета рабочего давления при малом расходе. Чтобы не быть голословными, приведем пару формул.
Зависимость между расходом и давлениями при работе редукционного клапана:
Q – расход пара к потребителям;
D – наибольший диаметр мембраны редукционного клапана;
с – жесткость пружины редукционного клапана;
R0 – усилие сжатия пружины при h = 0;
h – перемещение штока клапана;
P1 – давление пара на входе;
P2 – давление пара на выходе.
Уравнение силового баланса редукционного клапана:
Как уже было сказано, проблема с «лязгом» предохранительного клапана была быстро решена. Кроме этой в данном случае была еще одна проблема – отвод конденсата из оборудования при давлении пара ниже атмосферного. Но об этом – в другой раз.
А сейчас мы вернемся к нашим трубам и вопросам. Что же это за вопросы?
Первая группа. Труба № 1
Параметры рабочей среды по условиям протекания технологического процесса. Например, для нагрева продукта до 80 °С без пригорания на стенках реактора температура греющего пара не должна превышать 120 °С. Для этого давление пара не должно быть более 1 бара. При этом корпус реактора может быть рассчитан на давление 6 бар. В примере с «лязгом» клапана рабочее давление пара за редукционным клапаном менялось от 4,5 до 5 бар в зависимости от расхода.
Вторая группа. Труба № 2
Какие прочностные характеристики у защищаемого оборудования?
Каково нормативно допустимое превышение разрешенного давления, например 10 %? Нормативно допустимое значение содержится в правилах безопасности. До 1 января 2027 года будут действовать «Правила промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением». Вот что там сказано по этому поводу: «Предохранительные устройства должны быть рассчитаны и отрегулированы так, чтобы давление в защищаемом элементе не превышало разрешенное более чем на 10 %, а при разрешенном давлении до 0,5 МПа – не более чем на 0,05 МПа».
Разрешенное давление – максимально допустимое рабочее давление по результатам освидетельствования. Величина разрешенного давления оборудования, находящегося в исправном состоянии, соответствует рабочему давлению, указанному организацией-изготовителем в его паспорте. Для оборудования в примере разрешенное давление составляло 6 бар. Значит, давление в оборудовании при полном открытии предохранительного клапана не должно было быть более 6,6 бара.
Третья группа. Труба № 3
Каковы конструктивные особенностями предохранительного клапана?
Давление полного открытия. Зависит от конструкции (настраивается у клапанов ASME).
У большинства современных предохранительных клапанов давление полного открытия на 5 % больше давления начала открытия.
Верхний и нижний предел значения давления настройки. Зависит от установленной пружины (для пружинных клапанов прямого действия).
Давление полного закрытия. Зависит от конструкции (настраивается у клапанов ASME).
У большинства современных предохранительных клапанов давление закрытия на 10 % меньше давления уставки.
Допустимое давление на входе и на выходе. Определяется прочностью корпуса.
Исполнение присоединения – фланцевое, резьбовое.
Уплотнение штока – сильфонное, мембранное, без уплотнений.
В нашем примере оказалось достаточным изменить настройку предохранительный клапан на 5,8 бара. Давление полного открытия при этом составило 6,1 бара, давление закрытия – 5,2 бара. И оборудование защищено, и клапан закрывается, не лязгает.
Четвертая группа. Труба № 4
Падение давления в подводящей линии, статическое и динамическое противодавление в отводящей линии. Если противодавление не учтено, то может оказаться, что система защиты неработоспособна, не обеспечивает нужный расход и не защищает оборудование, как должна.
Падение давления перед клапаном в подводящем трубопроводе при наибольшей пропускной способности не должно превышать 3 % давления настройки. Динамическое противодавление в отводящем трубопроводе не должно превышать 5 % давления настройки.
Величина расхода должна быть проверена расчетом, не полагаясь на таблицы в эксплуатационных документах. Во-первых, значения в таблицах рассчитаны без учета конкретных условий, а во-вторых, могут быть выполнены по разным стандартам.
Приведем для примера результаты расчета пропускной способности предохранительного клапана DN50 при давлении настройки 5 бар в соответствии с российским, германским и европейским стандартами.
ГОСТ 12.2.085 расход 4281 кг/ч
AD 2000-Мerkblatt А2 расход 4342 кг/ч
EN ISO 4126-1 результат расчета расхода 4541 кг/ч
И в заключение одно пожелание. Проявите нежность к предохранительному клапану. Если вы не только записываете в журнале, что он в очередной раз был проверен, но и действительно его проверяете – не дергайте его за рычаг что есть силы. Достаточно слегка за него потянуть до появления легкого характерного шипения. Помните, что число срабатываний «полное открытие – полное закрытие» до нарушения герметичности запирающего элемента зачастую составляет всего 165 циклов.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №4 (85)
