С.В.Сейнов - президент-научный руководитель НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС», д.т.н., профессор, академик РАПК.
Конструктивные усовершенствования предохранительных клапанов. Унификация элементов затвора
Клапаны предохранительные относятся к арматуре возвратно-поступательного типа. Они являются преобладающим типом предохранительной арматуры (рис. 1). Одним из основных требований, предъявляемых к предохранительным клапанам, являются герметичность, а также малая разница давлений в начале и при полном открытии затвора клапанов.
Особое значение герметичность предохранительного клапана приобретает в случае применения его в системах с малыми расходами, соизмеримыми с утечками в затворе клапана.
Рис. 1. Предохранительный полноподъемный клапан
Унификация элементов затвора. В редких случаях в предохранительных клапанах отсутствуют сопла и уплотнительная поверхность создается непосредственно на корпусе. Такая практика не оправдывает себя по следующим причинам:
1) сопло изготавливается из износостойкой стали, что увеличивает его долговечность;
2) выполнить механическую обработку и притирку сопла для создания качественной уплотнительной поверхности у вставного сопла значительно проще;
3) уплотнительная поверхность вставного сопла меньше подвержена деформации в результате термического расширения корпуса. Кроме того, при наличии вставного сопла повышается ремонтопригодность затвора клапана.
Исследованиями истечения газов у предохранительных клапанов установлено, что наилучшими свойствами обладает сопло Лаваля. Однако на практике такое сопло применить довольно трудно, тем не менее полноподъемные предохранительные клапаны высокой производительности имеют форму приемного патрубка и сопла, приближенную (насколько это возможно по конфигурации) к соплу Лаваля.
Как правило, сопла предохранительных клапанов соединяются с корпусом на резьбе (рис. 2).
Другая, не менее ответственная деталь предохранительного клапана — золотник. Наиболее важным элементом золотников предохранительных клапанов являются уплотнительные поверхности. Подробно об уплотнительных поверхностях будет сказано ниже, когда рассматриваются вопросы герметичности затвора предохранительных клапанов.
Рис. 2. Соединение сопла предохранительного клапана с корпусом:
1 — корпус; 2 — сопло; 3 — нижняя регулировочная втулка; 4 — наплавка твердого сплава; 5 — стопорный винт
Для обеспечения правильного движения золотника в вертикальном направлении при его подъеме золотник снабжается направляющими. В рычажных и малоподъемных предохранительных клапанах золотник, как правило, имеет нижнее направление в виде крыльчатки, скользящей по внутреннему диаметру сопла. Такая конструкция отличается простотой, но имеет существенные недостатки. Крыльчатка, находящаяся в сопле, значительно сужает его живое сечение, поэтому такой клапан не может иметь высокую производительность. Кроме того, направляющие постоянно контактируют с рабочей средой, в результате чего образовавшаяся коррозия или накипь может привести к заклиниванию золотника. Поэтому у пружинных предохранительных клапанов, как правило, применяется верхнее направление золотника (рис. 3), осуществляемое цилиндрической направляющей втулкой, в которой перемещается золотник при срабатывании клапана. Высота направления принимается равной 1—1,5 диаметра золотника. При обеспечении такого направления у предохранительных клапанов, предназначенных для работы со средами при высоких температурах, необходимо учитывать разницу теплового расширения золотника и направляющей втулки, и во избежание заклинивания золотника обеспечить гарантированный зазор между золотником и втулкой.
Рис. 3. Верхнее направление золотника предохранительного клапана:
1 — сопло; 2 — уплотнительная твердосплавная поверхность сопла; 3 — уплотнительная наплавка на золотнике; 4 — золотник; 5 — направляющая втулка; 6 — подушка; 7 — шарик; 8 — шток
Контакт золотника со штоком осуществляется посредством шаровой пяты, что обеспечивает центральное действие штока независимо от возможных его перекосов. Рекомендуется точку контакта золотника со штоком конструктивно располагать ниже плоскости уплотнительных поверхностей. Это необходимо для предотвращения перекосов золотника, так как в этом случае создаются условия для самоустановки золотника.
Для пояснения этого положения рассмотрим работу золотника при различных положениях точки контакта со штоком. На рис. 4, а точка контакта расположена выше плоскости уплотнительных поверхностей. В этом случае, при повороте золотника вокруг точки О, момент силы, действующей снизу, будет опрокидывать золотник и равняться ра. Момент силы, передаваемой штоком, будет стремиться восстановить положение золотника и равняться Qb. Очевидно, что момент опрокидывающий больше момента восстанавливающего и поэтому золотник перекашивается. Если точка контакта расположена ниже уплотнительных поверхностей (рис. 4, б), то происходит обратное, т. е. pa>Qb и золотник стремится к самоустановке.
Рис. 4. Схема расположения точек контакта штока с золотником:
а — контакт выше плоскости уплотнительных поверхностей; б — контакт ниже плоскости уплотнительных поверхностей
Усилие от пружины или груза на золотник передает шток клапана. Его перемещение при срабатывании определяется направляющими, которые, как правило, расположены выше и ниже пружины. На конце штока находится втулка из закаленной стали или запрессованный шарик. Связь штока с золотником нежесткая, т. е. золотник имеет возможность поворачиваться или наклоняться на некоторый угол без воздействия на шток.
Важно особо подчеркнуть, что рассмотрение вопросов конструктивного улучшения предохранительных клапанов следует концентрировать на обеспечении герметичности в затворе, поскольку этот вопрос является важным при их эксплуатации. Самым же важным является безусловное срабатывание предохранительного клапана при установочном давлении и обеспечение необходимой пропускной способности без превышения давления, оговоренного правилами Ростехнадзора.
Предохранительный клапан является уравновешенной системой с незначительным превышением усилия от пружины или груза над силой давления среды. В связи с этим вопросы обеспечения герметичности предохранительных клапанов при работе играют особую роль. Это особенно важно для арматуры АЭС, где утечки среды через закрытый предохранительный клапан приводят к загрязнению атмосферы и влияют на общую безопасность станций.
Помимо потерь среды, утечки вызывают эрозию уплотнительных поверхностей элементов затвора предохранительного клапана. Скорость среды при этом весьма велика, так как сброс происходит в систему с низким давлением при отводе утечек (но чаще всего, если допустимо, в атмосферу). В то же время при дросселировании среды через течи в результате возникающей разности температур, происходит коробление металла уплотнительных поверхностей предохранительного клапана, что в свою очередь увеличивает утечку. Особенно трудно достичь герметичности после того, как предохранительный клапан открылся, так как для прекращения потока требуется усилие значительно большее, чем для поддержания уже имевшейся герметичности. Во время срабатывания предохранительного клапана, помимо эрозии уплотнительных поверхностей, на них может образоваться накипь, что также приводит к ухудшению герметичности при закрытии.
Абсолютно герметичное соединение в затворе предохранительных клапанов по классу А ГОСТ 9544—2015 создать весьма трудно. При исследованиях предохранительных клапанов высокого давления было установлено, что утечки появляются при давлениях несколько меньших, чем давление открытия предохранительного клапана, а восстановление герметичности, как правило, происходит при давлениях, расположенных ниже области давления закрытия. На представленной кривой (рис. 5) утечек пара через предохранительный клапан видно, что утечки возникли при давлении 6,3 МПа, в то время как клапан открылся при давлении 6,75 МПа. Закрытие клапана произошло при давлении 6,5 МПа, однако утечки при этом прекратились только при снижении давления до 5,5 МПа.
Рис. 5. График утечек пара через предохранительный клапан при его срабатывании
Необходимо учитывать, что для обеспечения заданной герметичности затвора предохранительного клапана, его тип и конструкция, а также обработка уплотнений элементов должны выбираться и производиться с учетом рабочей среды. Так, для сухих газов требуется более тонкая финишная обработка уплотнений.
Уплотнительные поверхности элементов затворов предохранительных клапанов обычно выполняют в виде двух плоских кольцевых поверхностей (рис. 6). Для предотвращения эрозии уплотнительные поверхности наплавляют нержавеющими сталями или твердыми сплавами. Для лучшей работы предохранительного клапана ширина контакта уплотнительных поверхностей должна быть минимальной. В этом случае наилучшие результаты могут быть получены при применении ножевого уплотнения, однако необходимо учитывать, что при отсутствии давления среды вся сила пружины действует на золотник предохранительного клапана, создавая на уплотнительных поверхностях весьма высокие контактные давления. Практически ширина уплотнительных поверхностей не принимается меньше 1—1,5 мм.
Рис. 6. Рекомендуемая форма уплотнительных поверхностей предохранительного клапана при различной твердости золотника и сопла (золотник более мягкий):
1 — верхняя регулировочная втулка; 2 — золотник; 3 — направляющая втулка; 4 — седло из твердого сплава; 5 — сопло; б — нижняя регулировочная втулка
Трудность обеспечения герметичности затвора предохранительного клапана заключается также в том, что предохранительный клапан, как правило, может быть отрегулирован на различное установочное давление. Например, предохранительный клапан с номинальным давлением 4 МПа может иметь установочное давление 0,05—4 МПа. В то же время ширина уплотнительных поверхностей остается одинаковой во всех случаях. Если учесть, что предохранительные клапаны считаются герметичными в случае отсутствия утечки воздуха при давлении, равном 0,95 установочного, контактное давление в рассматриваемом диапазоне будет изменяться от 0,015 до 0,6 МПа. Проведенные эксперименты по определению герметичности общепромышленных предохранительных клапанов показали, что при отработанной технологии обработки на уплотнительных поверхностях контактного давления 0,01—0,015 МПа вполне достаточно для обеспечения герметичности затвора при работе на воздухе.
Таким образом, во время эксплуатации предохранительного клапана для достижения герметичности необходимо уменьшать до минимума площадь уплотнительных поверхностей при давлениях, близких к давлению открывания, и при отсутствии давления уплотнительные поверхности должны быть достаточными во избежание возникновения чрезмерных напряжений от усилия пружины.
Рис. 7. Схема работы гибкого золотника: а — давление среды р близко к установочному; б — давление среды р отсутствует или незначительно; 1 — седло; 2 — золотник
Известен так называемый гибкий золотник (рис. 7). У этого золотника площадь контакта изменяется в зависимости от давления среды. При отсутствии давления площадь увеличивается, благодаря чему удается избежать чрезмерных контактных напряжений, а при давлениях, близких к давлению открытия предохранительного клапана, площадь контакта уменьшается, что обеспечивает достаточную герметичность в затворе.
Специалистами НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС» разработаны испытательные стенды, предназначенные для пневматических и гидравлических испытаний на установочное давление при настройке (тарировании) предохранительных клапанов и пневматических испытаний рабочим давлением: на герметичность затвора настроенного клапана; на герметичность соединения корпус-седло.
Также разработаны испытательные стенды для испытания пружин сжатия предохранительных клапанов.
Описание и характеристики испытательных стендов для предохранительных клапанов приведены на сайте НПО "ГАКС-АРМСЕРВИС" в разделе «Испытательное оборудование».