Импульсный предохранительный клапан
IMPULSE SAFETY VALVE

Предлагаемое изобретение относится к защитной энергетической арматуре и предназначено для использования, как самостоятельно, так и в составе импульсно-предохранительного устройства (ИПУ) для защиты от превышения давления в трубопроводах, емкостях, работающих под давлением на объектах тепловых и атомных электростанций.
Предохранительный клапан - это клапан, предназначенный для защиты оборудования от недопустимого давления посредством сброса избытка рабочей среды и обеспечивающий прекращение сброса при давлении закрытия и восстановление рабочего давления. [Трубопроводная арматура с автоматическим управлением: Т77 Справочник / Д.Ф. Гуревич, О.Н. Заринский, С.И. Косых и др. / Под общ. ред. С.И. Косых. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. - 320 с., ил. страница 127-155.]
Обязательными компонентами конструкции предохранительного клапана (ПК) прямого действия являются запорный орган и задатчик, обеспечивающий силовое воздействие на чувствительный элемент, связанный с запорным органом клапана. Запорный орган ПК состоит из затвора и седла. Затвор (золотник) является запирающим элементом. При установке ПК в систему должны соблюдаться определенные соотношения между давлениями рабочей среды, принятыми в защищаемой установке, и давлениями, характеризующими различные стадии работы ПК. С помощью задатчика предохранительный клапан настраивается таким образом, чтобы усилие на золотнике обеспечивало его прижатие к седлу запорного органа и препятствовало пропуску рабочей среды через запорный орган ПК. Наибольшее давление на входе в ПК, равное рабочему давлению в системе, при котором обеспечивается требуемая степень герметичности запорного органа клапана, называют давлением настройки Рн. Рабочее давление Рр - это наибольшее давление в системе, при котором обеспечивается нормальное течение рабочего процесса. В положении ПК «Закрыт» на его чувствительный элемент воздействует сила от рабочего давления в защищаемой системе (давления настройки), стремящаяся открыть ПК, и сила от задатчика, препятствующая открытию. Определенная часть от одного из этих усилий (в зависимости от конструктивного исполнения ПК) расходуется на прижатие золотника к седлу и создание необходимых контактных давлений в запорном органе, обеспечивающих требуемую степень герметичности ПК.
С возникновением в системе возмущений, вызывающих повышение давления свыше рабочего, уменьшается величина силы прижатия золотника к седлу. В тот момент, когда эта сила станет равной нулю, наступает равновесие активных сил от воздействия давления в системе и задатчика на чувствительный элемент ПК. Запорный орган клапана начинает открываться, если давление в системе не перестанет возрастать. При повышении давления в системе выше расчетного баланс сил на чувствительном элементе ПК нарушается, происходит открытие запорного органа и сброс рабочей среды через клапан.
С понижением давления в защищаемой системе, вызываемым сбросом среды через ПК, исчезают возмущающие воздействия. Запорный орган клапана под действием усилия от задатчика закрывается. Давление закрытия Рз - наибольшее давление на входе в клапан, при котором после сброса рабочей среды происходит посадка затвора на седло клапана с обеспечением требуемой степени герметичности запорного органа при последующем повышении до давления настройки. Давление закрытия в ряде случаев оказывается на 10-15% ниже давления настройки. Указанное явление частично связано с тем, что для создания герметичности запорного органа после срабатывания требуется усилие, значительно большее, чем то, которое было достаточно для поддержания герметичности клапана перед открытием. Это объясняется необходимостью преодолеть при посадке силу сцепления молекул среды, проходящей через щель между уплотнительными поверхностями золотника и седла, вытеснить эту среду. Понижению давления способствуют запаздывание закрытия запорного органа, связанное с воздействием на него динамических усилий от проходящего потока среды, и наличие сил трения, требующих дополнительного усилия для его полного закрытия.
Импульсные клапаны классифицируются:
По принципу действия:
клапаны прямого действия - они открываются непосредственно под действием давления рабочей среды;
клапаны непрямого действия - клапаны с управлением, путем использования постороннего источника давления или электроэнергии.
По характеру подъема замыкающего органа:
клапаны пропорционального действия; клапаны двухпозиционного действия.
По высоте подъема замыкающего органа:
малоподъемные (подъем замыкающего органа не превышает 1/20 диаметра седла);
среднеподъемные (подъем замыкающего органа составляет от 1/20 до 1/4 диаметра седла);
полноподъемные (подъем замыкающего органа составляет от 1/4 диаметра седла и более).
По виду нагрузки на золотник: грузовые или рычажно-грузовые; пружинные; рычажно-пружинные; магнитопружинные.
К настоящему времени в технике создано и используется большое количество предохранительных клапанов. Различные предохранительные клапаны имеют различные размеры, различные значения включения давления сброса и давления посадки, а также скорости сброса.
Основными производителями ПК являются:
2
Благовещенский Арматурный Завод «БАЗ» ОАО его продукция - клапан предохранительный СППК4Р 50-40 DN 50 мм, PN 40 кгс/см.
http://www.vniiis.ru/pic/info/product_catalog_blagoveshchensk_valving_plant.pdf
2
Клапаны предохранительные пружинные DN 25-200 PN 16-160 кгс/см.
http://bm-stroy.ru/p116/index.html
ООО «БКЗ» г. Барнаул - Клапаны предохранительные рычажные 17ч3бр, 17ч18бр, 17ч5бр, 17ч19бр.
http://armabalt.ru/catalog/klapany_chugunnye_57/klapan_predokhranitelnyy_rychazhnyy_17ch3br/
ОАО «ТКЗ» «Красный котельщик» г. Таганрог - Клапан предохранительный пружинный Т-31 мс-1; Т-31 мс-2; Т-31 мс-3.
http://pek.su/services/oao-tkz-red-coppersmith/safety-valves/t-31-ms-3/
ЗАО «Энергомаш (Чехов) - ЧЗЭМ» г. Чехов - предохранительные клапаны прямого действия 586-20-ЭМ-01.
http://armabalt.ru/catalog/klapany_impulsnye_predokhranitelnye/klapan_impulsnyy_predokhranitelnyy_586_20_em_01/
клапаны импульсные 112-25x1-0М.
http://test.armabalt.ru/catalog/995/4430/ и другие заводы.
Источник информации: [Официальные сайты заводов, каталоги продукции, Гуревич Давид Файвушев. Трубопроводная арматура: Справочное пособие. Изд. 3-е. - М.: Издательство ЛКИ, 2008. - 368 с. стр. 142-150; стр. 261-270].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является известный предохранительный клапан СППК4Р производства Благовещенского Арматурного Завода «БАЗ» [http://www.vniiis.ru/pic/info/product_catalog_blagoveshchensk_valving_plant.pdf].
[Трубопроводная арматура с автоматическим управлением: Т77 Справочник / Д.Ф. Гуревич, О.Н. Заринский, С.И. Косых и др.; Под общ. ред. С.И. Косых. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. - 320 с., ил. стр 137.]
Указанный предохранительный клапан, как и заявляемый, содержит корпус с подводящим и отводящим патрубками и фланцами, шток, запорный орган, имеющий седло и золотник, пружину-задатчик, нажимной болт пружины, верхний и нижний упоры пружины.
Недостатками ПК прямого действия являются:
1. Низкая посадка клапана после сброса давления, давление закрытия в ряде случаев оказывается на 10-15% ниже рабочего давления (давления настройки).
2
2
2. Пропуск клапана в запорном органе при рабочем давлении в силу того, что только незначительная часть усилия пружины или груза расходуется на прижатие золотника к седлу и создание необходимых контактных давлений в запорном органе. Согласно ГОСТ 24570-81 (СТ СЭВ 1711-79) (http://www.docload.ru/Basesdoc/8/8625/index.htm) разность давлений полного открывания и начала открывания клапана не должна превышать следующих значений: 15% давления начала открывания - для котлов с рабочим давлением не выше 0,25 МПа (2,5 кгс/см); 10% давления начала открывания - для котлов с рабочим давлением выше 0,25 МПа (2,5 кгс/см). Отсюда вывод: только около 10-15% от всего начального усилия пружины или груза тратится на прижатие золотника к седлу.
Допустимые протечки по затвору сведены в ГОСТ 9544-2015. http://standartgost.ru/g/%D0%93%D0%9E%D0%A1%D0%A2_9544-2015.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, - создание надежного, безотказного импульсного предохранительного клапана.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении надежности за счет безотказного и своевременного открытия клапана при заданном превышении рабочего давления в системе, обеспечения клапаном в открытом положении требуемой пропускной способности, осуществления своевременной обратной посадки (закрытия) клапана при давлении выше рабочего с требуемой степенью герметичности (класс А) после аварийного срабатывания.
Указанный технический результат достигается тем, что импульсный предохранительный клапан, включающий корпус с подводящими и отводящими патрубками и фланцами, шток, сильфон, золотник, седло, пружину-задатчик, нажимной болт, верхний и нижний упоры пружины-задатчика, дополнительно снабжен независимым устройством открывания-закрывания, состоящим из пружин, нажимной планки, упорной гайки, накрученной на шток, и расположенных на нажимной планке нижних упоров пружин, нажимных болтов, вставленных в верхние упоры пружин, расположенных в верхней планке с возможностью вращения в ней по резьбе, домкратов с рабочей средой для создания подъемной силы и со штоками, упирающимися в нажимную планку, при этом в корпусе установлены диск-разделитель полостей напорной и сбросной с седлом и фильтр, а в верхней планке дополнительно установлен полый нажимной болт с возможностью вращения в ней по резьбе, причем конструкция клапана смонтирована на общем основании.
Отличием заявляемого ПК от прототипа является наличие независимого устройства, в котором усилие от воздействия рабочей среды для открывания-закрывания клапана во много раз больше, чем в клапане прямого действия (при воздействии на золотник). Соответственно, сила пружины-задатчика, которую необходимо преодолеть устройству при открытии клапана, также пропорционально возрастает в соответствии с силой устройства открывания-закрывания. Для проверки работоспособности установлены электромагниты. Во время работы они отключены.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3.
Краткое описание чертежей:
Фиг. 1 – разрез, вид спереди.
Фиг. 2 – разрез, вид справа, наклонен вперед.
Фиг. 3 – изометрия, вид спереди.
На указанных выше чертежах показано исполнение изобретения.
На фиг. 1-3 с включением клапана в систему трубопроводов с подачей среды на золотник.
В состав импульсного предохранительного клапана входит:
общее основание 1 (металлическая конструкция, на которой смонтирован весь клапан), корпус 2. В состав клапана входят прокладки 3, 4, фильтр 5, сильфон 6, золотник 7, шток 8, диск-разделитель 9 полостей: напорной Г и сбросной Б, седло 10 диска-разделителя 9.
Шпилька 11, гайки 12, 13 составляют крепеж разъема клапана. Домкрат 14, имеющий полость В с рабочей средой, состоящий из донышка 15 сильфона 16 и штока 17, установлен на основании 1. Снаружи клапана установлены упорная гайка 18 и нижний упор 19 пружины-задатчика. Нижний упор 20 нажимной планки 21 служит для ограничения хода нажимной планки 21 вниз при настройке клапана без рабочей среды. Нижний упор 22 пружины домкрата расположен на нажимной планке 21. Пружина-задатчик 23 упирается в нижний упор 19.
Пружина 24 домкрата 14 упирается в нижний упор 22. Верхний упор 25 расположен на пружине-задатчике 23. Верхний упор 26 расположен на пружине 24 домкрата 14. Нажимной болт 27 пружины 24 вставлен в верхний упор 26 для регулировки усилия пружины 24. Рычаг 28 электромагнита с якорем 29 и электромагнит 30 с упорной гайкой 31 служат для открытия клапана при любом давлении в контуре (трубопроводов, емкостей) и для проверки работоспособности клапана.
Полый нажимной болт 32 пружины-задатчика 23 установлен в верхний упор 25. Электромагнит 33 с якорем 34, рычагом 35 и болтами 36 крепления электромагнитов служат для открытия клапана при любом давлении в контуре (трубопроводов, емкостей) и для проверки работоспособности клапана. Нажимной болт 37 расположен в верхней планке 38 основания 1. Шпилька 39, гайки 40, 41 составляют крепеж верхней планки 38 к основанию 1. Верхний упор 42 находится на пружине 43. На шток 44 накручена упорная гайка 18 и на нем жестко закреплен нижний упор 19 пружины-задатчика 23. Нижний упор 45 пружины 43 расположен на нажимной планке 21, под которой установлен упор 46. Шток 47, сильфон 48, донышко 49 сильфона составляют домкрат 50 с полостью А и с рабочей средой. Подводящие патрубки 51, 52, 53 и подводящий фланец 54 присоединены к корпусу 2 клапана и домкратам 14, 50. Регулировочный винт 55 расположен на основании 1. Электромагнит 56 служит для открытия клапана при любом давлении. Между нажимной планкой 21 и упорной гайкой 18 предусмотрен зазор - «S», для контроля правильной настройки. В верхней планке 38 выполнена резьба. Штоки 17, 47 упираются в нажимную планку 21. Полый нажимной болт 32 пружины-задатчика 23 установлен в верхней планке 38 с возможностью вращения в ней по резьбе. Отводящий фланец 58 присоединен к корпусу 2 клапана. Ремонтные фланцы 59, 60 соединяют штоки 8, 44. Ось вращения 61 рычагов 28, 35 расположена на электромагнитах 30, 33, 56.
Домкрат состоит из корпуса, сильфона, штока. Сильфон выполняет две функции - герметизирует среду от атмосферы и создает подъемную силу в домкратах.
Усилие, создаваемое домкратами, зависит от давления рабочей среды и эффективной площади их сильфонов (эффективная площадь сильфона - это площадь, при воздействии на которую давления рабочей среды возникает подъемная сила в домкрате, приблизительно равная внутренней площади сильфона) и рассчитывается по формуле:
р
с
F=Р×S
р
где Р - рабочее давление;
c
S - эффективная площадь сильфона.
Эффективная площадь сильфона в конструкции ничем не ограничена и может иметь (принимать) любые значения. Из формулы следует, что усилие, создаваемое домкратами, для открытия клапана может быть многократно большим, чем в клапане прямого действия, где усилие открытия создается давлением рабочей среды на эффективную площадь золотника и в котором площадь золотника, сила пружины, рабочее давление, давление открытия взаимосвязаны и ориентированы на диаметр седла (входного патрубка). Устройство открывания-закрывания имеет ступенчатое воздействие на пружину-задатчик.
р
В первом положении, при рабочем давлении Р, воздействия на пружину-задатчик нет. Между нажимной планкой 21 и упорной гайкой 18 установлен зазор «S», все усилие пружины-задатчика (100%) расходуется на создание контактных давлений в паре золотник-седло, что полностью устраняет протечки в затворе, в отличие от клапана прямого действия, в котором при рабочем давлении усилие пружины в запорном органе составляет около 10-15%.
Второе положение - при повышенном давлении в трубопроводе, емкости. Воздействие на пружину-задатчик осуществляется штоками 17, 47 домкратов 14, 50 через нажимную планку 21 и упорную гайку 18 для ее сжатия и открытия клапана.
оп
р
В силу того, что в заявляемом клапане нет жесткой связи между пружиной-задатчиком и независимым устройством открывания-закрывания, то усилие пружины в конструируемом клапане выбирается из условия разумной достаточности (чтобы не повредить уплотняющие поверхности седла и золотника) или требованием заказчика, а по ней создается устройство открывания-закрывания. При увеличении силы устройства, при одной и той же пружине-задатчике, уменьшается разность давлений начала открытия и полного открытия клапана. Клапан начинает открываться при более высоком давлении, значительно выше рабочего, соответственно, и его давление обратной посадки Р при закрытии будет выше рабочего Р из-за увеличенной силы пружины-задатчика.
Предварительная настройка импульсного предохранительного клапана (Фиг. 1-3)
Перед вводом клапана в работу необходимо провести настройку клапана:
1. Поджать пружину-задатчик 23 полым нажимным болтом 32 до выбранного заранее усилия при конструировании (расчете) клапана.
2. Поджать пружины 24, 43 нажимными болтами 27, 37 до усилия, равного усилию домкратов при рабочем давлении.
Усилие пружины рассчитывается по формуле:
пр
пр
Δ
пр
F=K×L
пр
где K - жесткость пружины (кг/мм);
Δ
пр
L - величина сжатия пружины (мм).
3. Установить зазор «S», равный приблизительно 1-2 мм, между нажимной планкой 21 и упорной гайкой 18 вращением ее по штоку 44.
Работа клапана с подачей среды на золотник (Фиг. 1-3)
При подключении к системе трубопроводов, емкостей рабочая среда через подводящий фланец 54 по подводящим патрубкам 51, 52, 53 поступает в полость А домкрата 50, в полость В домкрата 14, в напорную полость Г клапана 2.
В полостях А, В при рабочем давлении, воздействуя на эффективную площадь донышков 15, 49 сильфонов 16, 48, создается подъемная сила в каждом из домкратов, равная по величине силе поджатых в предварительной настройке пружин 24, 43, которая через штоки 17 и 47 передает усилие на нажимную планку 21, которая лежит на упорах 20, 46.
В напорной полости Г клапана, рабочая среда проходит через фильтр 5 к сильфону 6 и золотнику 7, оказывая давление на эффективную площадь сильфона 6 на открытие и на эффективную площадь золотника 7 на закрытие клапана (их площади примерно равны между собой). Между нажимной планкой 21 и упорной гайкой 18 установлен зазор «S» около 1-2 мм. Это рабочее состояние клапана.
Важное замечание. При этом рабочем состоянии клапана все усилие (100%) пружины-задатчика 23 расходуется на создание контактных давлений на уплотнительных поверхностях в паре золотник 7-седло 10, достаточных для герметизации запорного органа импульсного клапана, в то время, как в клапане прямого действия, при рабочем давлении используется только около 10-15%.
При повышении давления в трубопроводе, емкости будет возрастать подъемная сила домкратов 14, 50. Это усилие через штоки 17, 47 передается на нажимную планку 21, она начинает движение вверх (в сторону открытия), сжимая пружины 24, 43. Зазор «S» уменьшается и становится равным нулю. Нажимная планка 21 упрется в упорную гайку 18 и остановится. При дальнейшем повышении давления усилие домкратов 14, 50 еще больше возрастает, и как только оно превысит усилие от пружин 24, 43, пружины-задатчика 23 и усилие от эффективной площади золотника 7, клапан начнет открываться. Под золотник поступает рабочая среда; сила, прижимающая его к седлу 10, исчезает (уменьшается до нуля), и в дополнение к этому, в сбросной полости Б начинает расти давление, которое воздействует на золотник 7 в сторону открытия. Появляется разница сил, большая в домкратах. Система «скачком» (за доли секунды) приводится в равновесие сил, движением нажимной планки 21 вверх, сжимая пружины 24, 43, пружину-задатчик 23, поднимая упорную гайку 18 вместе со штоками 8, 44, ремонтными фланцами 59, 60 и золотником 7 вверх (в сторону открытия) открывая клапан. Рабочая среда проходит в сбросную полость Б, затем через выходной патрубок и фланец 58 в главный предохранительный клапан или в атмосферу. Величина хода золотника 7 зависит от хода нажимной планки 21 и регулируется винтом 55 (еще один винт не показан). После сброса давления усилия пружин 24, 43 возвращают нажимную планку 21 в прежнее рабочее состояние на упоры 20, 46, а пружина-задатчик 23, за счет увеличенной силы, закрывает его, как только появляется минимальный зазор «S» еще при повышенном давлении среды.
Для открытия-закрытия клапана при любом давлении в трубопроводе, емкости и при проверке его работоспособности на клапане установлены электромагниты. При штатной работе клапана они отключены.
Работа от силовых электромагнитов (Фиг. 1-3)
При подаче напряжения (электрического тока) на электромагниты 30, 33, 56 (и еще один на фигурах не показан) их якоря 29, 34 (и еще два на фигурах не показаны) начинают движение вниз, воздействуя на рычаги электромагнитов 28, 35 (и еще два на фигурах не показаны), опуская их вниз. Другой конец каждого рычага через ось вращения 61 поднимается вверх, поднимая упорную гайку 31 и вместе с ней верхнюю часть штока 44, нижнюю часть штока 8 и золотник 7, сжимая пружину-задатчик 23, открывая клапан. При отключении электропитания якоря электромагнитов возвращаются в первоначальное положение. Клапан закрывается усилием пружины-задатчик 23.
Клапан классифицируется как двухпозиционный полноподъемный с возможностью регулировки хода золотника винтами 55 (один не показан).
Клапан может работать с подачей среды под золотник 7. Все настройки клапана те же, кроме усилия пружины-задатчика 23. Она (пружина-задатчик) должна быть поджата сильнее на величину воздействия на нее силы от золотника 7 при рабочем давлении. Ее величина составит:
р
з
F=Р×S,
р
где Р - рабочее давление;
з
S - эффективная площадь золотника.
В этом случае клапан работает (классифицируется) как клапан пропорционального действия (чем больше давление, тем больше величина открытия) с возможностью регулировки хода золотника винтами 55, (один не показан).
Ремонт клапана осуществляется заменой дефектной детали новой. В устройстве до каждой сборочной единицы есть свободный доступ, то есть чтобы снять и поставить новую деталь, необходимо минимум время и приспособлений. Разборка клапана до седла и золотника также не потребует больших затрат времени. Для этого установлены ремонтные фланцы 59, 60, разъединив их, можно извлечь из всей конструкции ИПК сам клапан с домкратами, при этом пружины и электромагниты остаются на месте и не разбираются, впоследствии это сокращает время ремонта и настройки.
Предлагаемый импульсный предохранительный клапан может быть изготовлен из стандартных деталей, выпускаемых промышленностью.
Таким образом, предлагаемый импульсный предохранительный клапан позволяет повысить надежность за счет безотказного и своевременного открытия клапана при заданном превышении рабочего давления в системе, обеспечения клапаном в открытом положении требуемой пропускной способности, осуществления своевременной обратной посадки (закрытия) клапана при давлении выше рабочего, с требуемой степенью герметичности (класс А) после аварийного срабатывания. Кроме этого, предлагаемый клапан ремонтно-пригодный.