Клапаны предохранительные для воздуха

Клапаны предохранительные для воздуха: устройство, принцип действия, классификация и применение

Клапан предохранительный для воздуха (КПВ) – это арматура прямого действия, предназначенная для автоматической защиты систем сжатого воздуха и пневмооборудования от превышения давления сверх установленного значения путем сброса избыточной среды в атмосферу. Основная функция – предотвращение аварийных ситуаций, разгерметизации, разрушения трубопроводов, ресиверов, сосудов и исполнительных механизмов. Работа КПВ регламентируется нормативными документами, такими как ГОСТ 12.2.085-2018 (Сосуды, работающие под давлением. Клапаны предохранительные) и Правилами промышленной безопасности опасных производственных объектов.

Устройство и принцип действия

Конструктивно большинство пружинных предохранительных клапанов для воздуха содержит следующие основные элементы:

• Корпус (седло): Изготавливается из латуни, нержавеющей стали или алюминиевых сплавов. Имеет входной и выходной патрубки, а также посадочное место для затвора.
• Затвор (золотник, тарелка): Подвижный элемент, перекрывающий проходное сечение. Обычно выполняется в виде тарелки с уплотнительной поверхностью.
• Упругая нагружающая элемент (пружина): Основной силовой элемент, создающий усилие, прижимающее затвор к седлу. Сила сжатия пружины определяет давление настройки клапана.
• Шток (шток-золотник): Связывает затвор с пружиной, передает усилие.
• Регулировочный узел: Включает в себя винт, втулку или гайку для изменения степени сжатия пружины, что позволяет точно задать давление срабатывания.
• Уплотнительные элементы: Манжеты, кольца для обеспечения герметичности в закрытом состоянии.

Принцип действия основан на балансе сил. Сила давления воздуха на затвор, действующая снизу вверх, противодействует силе сжатия пружины, направленной сверху вниз. Когда давление в системе достигает значения давления настройки клапана, силы уравновешиваются. Дальнейший рост давления на доли процента приводит к преодолению усилия пружины, подъему затвора, открытию проходного сечения и началу сброса среды. После снижения давления в системе на 5-15% от давления настройки (за счет расхода среды) пружина возвращает затвор в седло, и клапан закрывается.

Классификация предохранительных клапанов для воздуха

1. По характеру подъема затвора:

• Пропорционального действия (малоподъемные): Высота подъема затвора пропорциональна росту давления. Открываются постепенно. Имеют простое устройство, применяются для несжимаемых и слабосжимаемых сред, где не требуется большая пропускная способность. Для воздуха используются реже.
• Двухпозиционного действия (полноподъемные): Открываются скачком на полную высоту сразу после достижения давления срабатывания. Обеспечивают максимальный сброс среды. Наиболее распространенный тип для систем со сжимаемыми средами (воздух, газ), где необходим быстрый и эффективный сброс избыточного давления.

2. По типу нагружающего элемента:

• Пружинные: Наиболее распространенный тип. Усилие создается винтовой цилиндрической пружиной. Компактны, надежны, имеют широкий диапазон настроек.
• Рычажно-грузовые: Усилие создается грузом, закрепленным на рычаге. Применяются редко, в основном для стационарных установок с постоянным давлением настройки.

3. По способу создания противодавления на затвор:

• Закрытого типа: Сбросная среда отводится в атмосферу через отводящий патрубок. Не допускают выброса среды в помещение.
• Открытого типа: Сброс происходит непосредственно в атмосферу в месте установки клапана. Более просты по конструкции.

4. По возможности настройки и регулировки:

• Настраиваемые (регулируемые): Давление срабатывания можно изменять в определенном диапазоне вращением регулировочного винта.
• Ненастраиваемые (опломбированные): Давление срабатывания задается на заводе и не может быть изменено пользователем. Используются для стандартных защит.

Основные технические характеристики и параметры выбора

Выбор КПВ осуществляется на основе инженерного расчета, учитывающего параметры защищаемой системы.

Параметр	Описание и единицы измерения	Критерии выбора
Давление настройки (срабатывания), Pуст	Давление, при котором клапан начинает открываться. [бар, МПа]	Должно быть на 5-10% выше рабочего давления системы (Pраб) и не выше допустимого давления для защищаемого оборудования.
Давление закрытия, Pз	Давление, при котором клапан закрывается после сброса. [бар, МПа]	Обычно составляет 0.85-0.95 от Pуст. Важно для предотвращения «дребезга» клапана.
Пропускная способность, Kvs/G	Объемный (Kvs [м³/ч]) или массовый (G [кг/ч]) расход воздуха через полностью открытый клапан при перепаде давлений 1 бар.	Должна быть не меньше расчетной производительности источника избыточного давления (компрессора) или потенциального источника аварийного прироста давления.
Диаметр условного прохода, DN	Номинальный внутренний диаметр присоединительных патрубков. [мм, дюйм]	Определяется расчетом пропускной способности. Стандартные ряды: DN 15, 20, 25, 32, 40, 50.
Тип присоединения	Резьбовое (внутренняя/наружная), фланцевое.	Зависит от конструкции защищаемого оборудования (ресивер, трубопровод). Наиболее распространена резьба G (BSP) или NPT.
Диапазон настройки	Минимальное и максимальное давление, в пределах которого можно регулировать Pуст.	Должен перекрывать требуемое давление настройки с запасом.
Рабочая температура	Диапазон температур окружающей среды и среды. [°C]	Для стандартных условий: -20…+120°C. Для специальных применений требуются клапаны из специальных материалов.
Материал корпуса и уплотнений	Латунь, нержавеющая сталь (AISI 304, 316), алюминий, фторопласт, NBR, EPDM.	Определяется коррозионной стойкостью, чистотой воздуха (наличие масла, влаги). Нержавеющая сталь – для агрессивных сред.

Места установки и требования к монтажу

Клапаны предохранительные для воздуха устанавливаются на всех элементах системы, которые могут быть отключены от источника давления и где возможно неконтролируемое повышение давления. Основные точки установки:

• Воздухосборники (ресиверы) компрессорных установок (обязательно по нормам).
• Выходная линия после компрессора, если отсутствует защита на ресивере.
• Участки трубопроводов между запорной арматурой, где возможно тепловое расширение среды или ее нагрев.
• Пневмоцилиндры и приводы с возможностью термического расширения заблокированного воздуха.
• Технологические емкости и аппараты, работающие под давлением сжатого воздуха.

Требования к монтажу:

• Клапан устанавливается непосредственно на защищаемый сосуд или трубопровод, без запорной арматуры между ними.
• Допускается установка запорного клапана только при наличии блокировки или при условии, что он опломбирован в открытом положении и находится под постоянным контролем ответственного персонала.
• Подводящий трубопровод должен иметь минимальную длину и количество изгибов. Внутренний диаметр подводящей линии не должен быть меньше DN клапана.
• Отводящая линия (для клапанов закрытого типа) должна быть защищена от замерзания конденсата, иметь уклон для стока влаги и диаметр не менее DN клапана. Выхлоп не должен быть направлен в сторону персонала.
• Монтажное положение – как правило, вертикальное, штоком вверх. Допустимые отклонения указываются в паспорте изделия.

Обслуживание, проверка и ремонт

Регулярное техническое обслуживание КПВ критически важно для обеспечения их работоспособности.

• Внешний осмотр: Проводится ежесменно. Проверяется отсутствие внешних повреждений, следов коррозии, течей.
• Контрольная продувка (принудительное открытие): Выполняется по графику (например, ежедневно или еженедельно) для предотвращения прикипания, залипания тарелки к седлу. Осуществляется вручную с помощью рычага или кольца.
• Проверка давления срабатывания: Проводится периодически (не реже 1 раза в 12 месяцев) с помощью эталонного манометра и нагнетателя. Давление открытия и закрытия сверяется с паспортными значениями. Проверка может выполняться на месте установки или на стенде.
• Техническое обслуживание (ТО): Включает разборку (при необходимости), очистку всех деталей от загрязнений, масла и окалины, проверку состояния уплотнительных поверхностей седла и тарелки, замену изношенных уплотнений и пружины (при потере жесткости).
• Пломбировка: После настройки и проверки регулировочный узел опломбируется для предотвращения несанкционированного изменения настройки.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Чем отличается предохранительный клапан для воздуха от клапана для воды или пара?

Ключевые отличия связаны со свойствами среды. Для сжимаемых сред (воздух, газ) применяются, как правило, полноподъемные клапаны, обеспечивающие быстрое открытие на полный ход. Расчет пропускной способности ведется по другим формулам, учитывающим адиабатическое истечение. Материалы уплотнений должны быть совместимы с возможным наличием масла в воздухе. Клапаны для пара рассчитаны на высокие температуры и имеют особенности в конструкции.

2. Что делать, если клапан постоянно «подтравливает» или не держит давление?

Подтравливание ниже давления настройки указывает на негерметичность. Причины: износ или повреждение уплотнительных поверхностей тарелки и седла (задиры, коррозия), попадание твердых частиц, потеря упругости пружины, неправильная настройка. Необходимо демонтировать клапан, провести ревизию, притереть или заменить тарелку/седло, заменить пружину.

3. Можно ли установить клапан с давлением настройки, равным рабочему давлению системы?

Нет, это недопустимо. Клапан начнет постоянно подтравливать или циклически открываться, что приведет к его быстрому износу и нестабильной работе системы. Давление настройки должно превышать рабочее давление минимум на 5%, а для систем с пульсациями – на 10%.

4. Как рассчитать необходимую пропускную способность клапана для ресивера компрессора?

Пропускная способность должна быть не меньше производительности компрессора на входе в защищаемый объем. Простейшая формула для ориентировочного расчета: G ≥ Q, где G – массовая пропускная способность клапана [кг/ч], Q – производительность компрессора [кг/ч]. Более точный расчет учитывает физические параметры среды, скорость нарастания давления и проводится по методикам, приведенным в ГОСТ 12.2.085.

5. Почему клапан после срабатывания может не закрыться или закрываться с «дребезгом»?

Полное не закрытие обычно вызвано попаданием инородного тела между седлом и тарелкой или серьезной деформацией деталей. «Дребезг» (частое открытие-закрытие) возникает из-за слишком высокой пропускной способности клапана относительно избытка среды, малого объема защищаемой емкости или неправильно подобранной разницы между давлением открытия и закрытия (малый гистерезис). Требуется проверка настроек и корректный подбор клапана.

6. Требуется ли сертификация и периодическая поверка клапанов предохранительных для воздуха?

Клапаны, устанавливаемые на оборудование, подпадающее под действие Правил промышленной безопасности (сосуды под давлением), подлежат обязательной сертификации. Периодическая проверка давления срабатывания (не путать с поверкой средств измерения) является обязательной и регламентируется руководством по эксплуатации и внутренними регламентами предприятия. Сами клапаны, как правило, не являются средством измерения и не поверяются в органах Росстандарта, но проверяются силами эксплуатирующей организации с применением эталонных манометров.

Заключение

Предохранительные клапаны для воздуха являются критически важным элементом любой пневматической системы, обеспечивающим ее безопасную эксплуатацию. Правильный выбор, основанный на точном расчете пропускной способности и давления настройки, корректный монтаж и регулярное плановое обслуживание – обязательные условия для надежной и долговечной работы как самого клапана, так и защищаемого им оборудования. Пренебрежение этими требованиями ведет к повышенным рискам аварий, простоям и финансовым потерям. Современные клапаны отличаются высокой надежностью, но их функциональность полностью зависит от грамотного инженерного подхода на всех этапах жизненного цикла.