Принцип действия предохранительной арматуры

Предохранительная арматура используется для защиты трубопроводной системы от повышенного напора рабочей среды, который может привести к нарушению герметичности системы или выходу из строя подключенного оборудования. При повышении напора среды выше нормального значения предохранительная арматура удаляет часть вещества из трубопровода, нормализуя давление. Вещество может отводиться в открытую среду или в отдельную закрытую систему. Арматура такого типа устанавливается в трубопроводных системах с подключенным оборудованием, в системах отопления, газо- и водоснабжения.

Принцип действия предохранительной арматуры

Есть три вида предохранительной арматуры:

• предохранительные клапаны;
• импульсные предохранительные устройства (ИПУ);
• мембранные предохранительные устройства (МПУ).

К этому списку иногда добавляют перепускные клапаны, которые поддерживают требуемое давление за счет постоянного отвода рабочей среды. Особенностью работы предохранительных устройств является однократное либо повторяющееся, но не непрерывное, удаление среды. Рассмотрим подробнее конструкцию, принцип действия и функции этих устройств.

Предохранительные клапаны

Клапан – наиболее простой вид арматуры, относящийся к устройствам прямого действия. Принцип работы предохранительного клапана заключается в следующем: затвор удерживается на месте задатчиком (например, пружиной), которая прижимает его к седлу. Когда напор вещества в системе растет, он преодолевает усилие пружины, сжимает ее и смещает затвор, что открывает проход для рабочей среды. Когда давление возвращается в норму, усилие пружины снова прижимает затвор к седлу, герметично закрывая отверстие.

Давление, необходимое для срабатывания, может регулироваться пользователем или выставляться производителем по умолчанию. Срабатывание происходит, когда давление повышается на 10-15% относительно нормы. Для разжимания пружины и закрытия отверстия требуется снижение давления на 10-20% ниже нормы – это необходимо, чтобы пружина могла преодолеть динамическое давление, возникающее при выходе рабочей среды.

По виду подъема затвора выделяются клапаны:

• пропорциональные – открывающиеся постепенно;
  
• двухпозиционные – полностью открывающиеся при превышении давления.
  

По высоте подъема затвора выделяются клапаны:

• малоподъемные: высота подъема не более 1/20 диаметра седла – пропорциональные клапаны, имеющие небольшую пропускную способность и низкую стоимость;
• среднеподъемные: высота подъема до 1/4 диаметра седла – используются для жидкостей;
• полноподъемные: высота подъема от 1/4 диаметра седла – двухпозиционные устройства, используемые в системах со сжимающимися средами и в системах с высоким напором рабочей среды.

По виду задатчика, удерживающего на месте затвор, выделяются клапаны:

• Грузовые – затвор удерживается весом груза.
  
• Пружинные – затвор удерживается пружиной. Пружина может свободно контактировать с веществом или быть изолированной при использовании в системах с химически активной рабочей средой. Этот тип арматуры применяется в бытовых системах. Клапан может быть оснащен механизмом для ручного открытия с целью контрольной продувки.
  
• Рычажно-грузовые – сила груза передается затвору через рычаг, давление открытия зависит от массы груза. Используются только в положении, заданном производителем, на неподвижных объектах. Для работы с высоким напором и большим диаметром труб используются двухседельные клапаны, которые позволяют избежать вибрации, возникающей из-за резонанса при большой длине рычага и массе груза.
  
• Рычажно-пружинные – усилие пружины передается не напрямую, а через рычаг. При простой конструкции устройство имеет высокую чувствительность.
  
• Магнитно-пружинные – клапаны непрямого действия, где используется электромагнитный привод. Он может применяться для прижатия затвора, для его принудительного поднятия или совмещать эти функции. В последнем случае пружина в конструкции необходима для того, чтобы клапан продолжал выполнять свои функции в случае исчезновения электроэнергии.

Импульсные предохранительные устройства

ИПУ состоят из двух клапанов, где один является основным, а второй (импульсный) необходим для управления. Принцип действия предохранительной арматуры этого типа заключается в следующем: при повышении напора вещества малый клапан срабатывает и направляет вещество в привод главного клапана, имеющего большую проходимость. В некоторых случаях ИПУ могут включать три и более клапана для работы с крупными системами.

Расположение клапанов может быть следующим:

• импульсный встроен в основной – управление производится рабочей средой напрямую;
• импульсный вынесен отдельно – для управления используются электронные манометры и электромагниты, реагирующие на повышение напора.

ИПУ используется для защиты крупных систем с большим диаметром труб и большими объемами проходящей по ним рабочей среды. Использование ИПУ позволяет сбрасывать объемы вещества, соответствующие пропускной способности десятков одиночных клапанов.

Мембранные предохранительные устройства

МПУ состоят из крепежей и мембраны. Принцип действия зависит от вида мембраны:

• разрывная мембрана – увеличенный напор вещества в системе приводит к разрыву плоской или куполообразной мембраны, обращенной вогнутой поверхностью к внутренней части трубы;
• «хлопающая» мембрана – давление воздействует на выпуклую поверхность куполообразной мембраны, что приводит к сжатию и разрыву.

Второй тип МПУ более долговечен, т.к. в них используются более прочные материалы, а конструкция позволяет предотвратить усталостное растяжение. Хлопающие мембраны более чувствительны, срабатывают через более короткий промежуток, чем разрывные, и могут выдерживать давление до 95% от предельного, в то время как разрывные сохраняют свои свойства при давлении в системе не более 80% от предельного.

МПУ могут использоваться отдельно в тех трубопроводах, где нельзя использовать клапаны. Кроме того, МПУ применяются в качестве дополнения к клапанам в тех случаях, когда нужно увеличить пропускную способность или предотвратить воздействие со стороны системы, в которую отводятся излишки вещества.

Характеристики предохранительной арматуры

К основным характеристикам относятся:

• пропускная способность – напрямую зависит от сечения;
• значение срабатывания – рассчитывается на основе производительности питающего источника системы, объема и температуры среды, особенностей системы;
• скорость срабатывания;
• время и условия возвращения в закрытое состояние.

Основными требованиями к предохранительной арматуре являются герметичность в закрытом виде, безотказное срабатывание, соответствующая заявленным характеристикам пропускная способность, устойчивость к воздействию вещества внутри системы. Арматура клапанного типа должна также своевременно возвращаться в закрытое состояние, обеспечивая полную герметичность даже при многократном использовании. Это не относится к МПУ: особенности работы устройств этого типа не подразумевают возможности закрытия и требуют вмешательства оператора для восстановления давления в системе.