Назначение и устройство предохранительных клапанов

Предохранительные клапаны — специальные устройства, предназначенные для защиты трубопроводных систем и сосудов под давлением от превышения допустимого рабочего давления. Это достигается путем автоматического сброса избытка рабочей среды (жидкости, газа, пара) в дренажную систему, специальный резервуар или атмосферу, возвращая тем самым давление в системе к безопасному уровню. После нормализации давления клапан автоматически закрывается, предотвращая дальнейшую утечку рабочей среды.

Устройство и преимущества предохранительных клапанов

Предохранительные клапаны производятся в разнообразных конструктивных исполнениях, которые определяются типом рабочей среды, диапазоном рабочего давления, требуемой пропускной способностью и условиями эксплуатации. Например, существуют клапаны для жидкостей, газа, пара, а также для сред с высокой или низкой температурой.

Наиболее распространены пружинные предохранительные клапаны прямого действия. В них усилие, необходимое для удержания запорного органа в закрытом состоянии при нормальном давлении, обеспечивается пружиной. Ключевым элементом такого клапана является задающий орган, который включает в себя регулируемую пружину и запорный орган. Задающий орган воздействует на чувствительный элемент (например, золотник), который непосредственно контактирует с рабочей средой. При достижении давления срабатывания, усилие среды преодолевает противодействие пружины, и запорный орган (состоящий из затвора, часто называемого золотником, и седла – места герметичного контакта затвора с корпусом клапана) открывается, выпуская избыток среды. После снижения давления до заданного значения, пружина возвращает затвор в седло, герметично закрывая клапан.

Кроме пружинных клапанов, существуют и другие типы, например, рычажно-грузовые, где усилие создаётся грузом на рычаге, и пилотные, где для управления основным клапаном используется вспомогательный пилотный клапан. Выбор конкретного типа зависит от специфики применения.

Этот тип трубопроводной арматуры активно применяется в трубопроводных системах с высоким давлением среды, благодаря своим преимуществам:

• Длительный срок службы.
• Простота обслуживания, эксплуатации.
• Несложная конструкция, легкость монтажа и подбора оптимальных настроек работы.
• Большой выбор габаритов и типов моделей, что позволяет легко подобрать подходящий предохранительный клапан в зависимости от требований системы.
• Стойкость к агрессивным средам.
• Возможность установки в различном положении.

Предохранительные клапаны регулируются после того, как будет осуществлен окончательный монтаж. Необходимо убедиться, что золотник прочно прижимает устройство к седлу — настройка осуществляется с помощью пружины и специального винта.

Принцип действия предохранительных клапанов

Принцип действия предохранительных клапанов довольно простой. При закрытом положении клапана на чувствительный элемент влияет рабочее давление всей системы. При возникновении любых процессов, из-за которых давление среды начинает повышаться, золотник перестает прижиматься к седлу. Как только сила обнуляется, запорный элемент отделяется от седла, и клапан открывается. Через открывшееся отверстие рабочая среда начинает удаляться, пока давление не снизится, и пружина не прижмет запорный элемент обратно к седлу.

Для закрытия клапана необходимо снижение давления до отметки ниже в 10–15% до нормального уровня из-за того, что для обратной герметизации запорного элемента требуется большее усилие, чем для поддержания его в закрытом положении до сброса рабочей среды.

К предохранительным клапанам предъявляются высокие требования, главные из которых — скорость и четкость срабатывания, надежность использования. Это возможно за счет:

• Оперативного открытия при достижении порогового значения срабатывания устройства.
• При открытии клапана формируется достаточная пропускная способность для удаления излишков среды.
• Четкого закрытия системы при достижении допустимого уровня давления.
• Высокой герметичности и полного отсутствия протечек при обычном напоре среды, как до так и после срабатывания предохранительного клапана.
• Длительного срока эксплуатации и безотказной работы в течение паспортного времени работы, стабильность всех характеристик.

Все клапаны должны проходить периодические испытания на работоспособность и целостность уплотнительных элементов. Предохранительную арматуру демонтируют для ее последующей отправки в поверочную лабораторию, имеющую необходимую сертификацию для поверки изделий.

В случае если предохранительные клапаны работают на сложном оборудовании с непрерывным циклом, возможна поверка на месте эксплуатации в действии.

Разновидности клапанов предохранительного типа

По типу действия клапаны бывают: прямые и обратные. Первые предполагают срабатывание непосредственно под воздействие среды, на вторых применяется датчик давления и вентиль с дистанционным управлением.

По методу закрытия затвора выделяют клапаны:

• С пропорциональным действием, применяемые при малосжимаемых рабочих средах. Однако, имеется возможность применения при сжимаемой среде. Отличаются равномерным сбросом среды.
• С двухпозиционным действием с моментальным открытием при достижении предельного давления среды. Используется на трубопроводах, транспортирующих газообразную среду.

По методу нагружения золотника предохранительные клапаны делятся на пружинные, рычажно-грузовые и магнитно-пружинные.

По высоте подъема замыкателя различают:

• Малоподъемные предохранительные клапаны с высотой подъема примерно 0,05 от диаметра седла. Такие устройства не применяются в промышленных целях, устанавливаются на бытовых и технических трубопроводах.
• Полноподъемные изделия работают на двухпозиционном механизме, и высота подъема равна или выше диаметра седла. Отличаются повышенной пропускной способностью, более сложной конструкцией и высокой стоимостью.

Чем выше степень подъема, тем оперативнее будет срабатывать клапан. Полноподъемные изделия применяются для транспортировки жидких и газообразных сред в системах высокого давления. Их конструкция позволяет легко сбросить большой объем рабочей среды.

Различия в конструкциях предохранительных клапанов

Предохранительные клапаны имеют разнообразные конструкции, обусловленные требованиями к пропускной способности, типу рабочей среды, диапазону давлений и температур. Одним из ключевых отличий является количество седел. Большинство клапанов оснащены одним седлом, обеспечивающим герметичное закрытие. Однако для большей пропускной способности или специальных применений используются клапаны с двумя седлами, расположенными параллельно. В таких конструкциях сброс среды происходит через оба седла одновременно, что позволяет быстрее снизить давление в системе.

Наиболее распространенные варианты:

• Клапаны с одним седлом: Простая и компактная конструкция, в которой один запорный орган (затвор) взаимодействует с одним седлом. Такие клапаны эффективны для многих применений, обеспечивая надежное закрытие при нормальном давлении.
• Клапаны с двумя седлами: Эти модели имеют два седла, расположенных рядом, и два соответствующих затвора. Двойная конструкция обеспечивает повышенную надежность и точность регулирования давления. Клапаны с двумя седлами часто используются в критически важных системах, где требуется более высокий уровень безопасности.

Пружинные клапаны

Пружинные предохранительные клапаны наиболее распространены в бытовых системах, таких как водонагреватели, системы водоснабжения и отопления, а также в промышленности. В них усилие, прижимающее золотник (затвор) к седлу, создается калиброванной пружиной. Степень сжатия пружины, а следовательно, и давление срабатывания клапана, регулируется поворотом регулировочного винта. Вращение винта изменяет предварительную деформацию пружины, увеличивая или уменьшая усилие, необходимое для открытия клапана.

Для периодической проверки работоспособности клапана многие модели оснащаются рычагом принудительного открытия (подрывным рычагом). Воздействие на рычаг позволяет принудительно открыть клапан и убедиться в его исправности. Важно: использование подрывного рычага для контрольной продувки запрещено на клапанах, работающих с опасными средами (токсичными, взрывоопасными и т.п.) или в критически важных системах.

Рычажно-грузовые клапаны

Рычажно-грузовые предохранительные клапаны используют силу земного притяжения для балансировки давления. Их конструкция включает рычаг и груз, которые взаимодействуют с затвором. При нормальном давлении груз, действуя через шток, прижимает затвор к седлу. Когда давление повышается, сила напора преодолевает сопротивление груза, и клапан открывается.

Одно из преимуществ таких клапанов — отсутствие необходимости в пружинах, что устраняет проблему их старения. Однако при высоких значениях напора габариты рычагов и грузов могут увеличиваться, что приводит к вибрации и резонансу. Для решения этой проблемы используются двухседельные клапаны, где регулировка осуществляется путем добавления или удаления груза с рычага.

Магнитно-пружинные клапаны

Магнитно-пружинные клапаны представляют собой устройства непрямого действия, в которых соленоид (электромагнит) управляет запорным органом. При нормальном давлении соленоид прижимает затвор к седлу, обеспечивая закрытие клапана. Когда давление повышается, напряжение на катушке соленоида автоматически отключается, и затвор отжимается, открывая проход для рабочей среды.

Некоторые конструкции позволяют соленоиду не только прижимать, но и отжимать затвор, изменяя напряжение. Это обеспечивает уникальное преимущество — возможность регулировать пороговые значения давления дистанционно, без физического доступа к клапану. Такой подход особенно полезен в системах, где требуется частая настройка параметров.

Стандарты предохранительных клапанов

Предохранительные клапаны изготавливаются по ГОСТ и допускаются к использованию в соответствии со следующими отраслевыми стандартами, ТУ и ПБ:

• Правила безопасности для сосудов и установок давления — ПБ03-576-03.
• Американский стандарт для сосудов под давлением Boiler & Pressure Vessel Code.
• Предохранительные клапаны ГОСТ 24570.

Проектирование, изготовление и эксплуатация предохранительной аварийной арматуры курируется специальными уполномоченными органами, ответственными за соблюдение требований отраслевых стандартов на любом этапе создания и применения оборудования. В России данную функцию осуществляет Ростехнадзор.