Клапаны предохранительные с угловым корпусом: конструкция, применение и технические аспекты
Клапан предохранительный угловой (КПУ) представляет собой тип арматуры прямого действия, предназначенный для автоматического сброса избыточного давления рабочей среды из защищаемой системы (сосуда, трубопровода, аппарата) и последующего закрытия после восстановления рабочего давления. Ключевая конструктивная особенность – расположение подводящего и отводящего патрубков под углом 90° друг к другу, что определяет специфику монтажа и область применения. Корпус клапана выполнен таким образом, что входной присоединительный патрубок расположен по оси, перпендикулярной оси седла и затвора, а выходной – по оси, совпадающей с осью седла.
Конструктивные особенности и принцип действия
Основные элементы углового предохранительного клапана включают:
- Угловой корпус: Изготавливается из углеродистой, легированной или нержавеющей стали, чугуна (для определенных сред и давлений). Конструкция корпуса рассчитана на восприятие нагрузок от давления и реактивных сил при сбросе.
- Затвор (золотник): Подвижный элемент, перекрывающий проходное сечение. Чаще всего выполняется в виде тарелки с уплотнительной поверхностью.
- Седло: Неподвижный элемент с уплотнительной поверхностью, в которое в закрытом состоянии прилегает затвор.
- Пружина: Силовой элемент, создающий усилие, прижимающее затвор к седлу. Усилие настройки регулируется степенью сжатия пружины.
- Шток (шток-золотник): Связывает затвор с механизмом сжатия пружины.
- Регулирующий колпак (грибок) с винтом: Герметичный узел, позволяющий производить настройку давления срабатывания.
- Уплотнительные элементы: Сальниковые уплотнения штока, прокладки под колпаком и крышкой.
- Установка непосредственно на штуцерах сосудов, аппаратов и теплообменников, где сброс среды необходимо организовать в сторону (например, в систему дренажа или сбросной коллектор, расположенный у стены или фундамента).
- Монтаж на трубопроводах в местах поворота, что позволяет сократить количество фасонных элементов и уменьшить гидравлическое сопротивление подводящего участка.
- Системы с вязкими или склонными к кристаллизации средами: угловая конструкция в некоторых исполнениях менее склонна к засорению седла.
- Паропроводы, трубопроводы питательной воды, технологические линии в энергетике, нефтехимии, судостроении.
- Экономия пространства и материалов за счет совмещения функций защитной арматуры и углового отвода.
- Возможность более рациональной компоновки трубопроводов и оборудования.
- Снижение потерь давления на подводящем участке благодаря часто меньшему количеству поворотов.
- По типу подъема затвора: Малоподъемные (пропорционального действия) и полноподъемные (двухпозиционного действия).
- По виду нагрузки на золотник: Пружинные, рычажно-грузовые (редко для углового исполнения).
- По материалу корпуса: Стальные (углеродистые, легированные, нержавеющие), чугунные (для неагрессивных сред, пара, воды, масел).
- По типу присоединения: Фланцевые (наиболее распространены), резьбовые (муфтовые), цапковые.
- По характеру работы: Закрытого типа (сброс в закрытую систему) и открытого типа (сброс в атмосферу).
- Определение рабочей среды: Агрегатное состояние (пар, газ, жидкость), химический состав, температура, вязкость.
- Определение параметров срабатывания: Установочное давление (давление начала открытия), давление полного открытия, давление закрытия, противодавление в сбросной линии.
- Расчет требуемой пропускной способности (Kv) или площади проходного сечения (A): Производится по методикам, учитывающим свойства среды и параметры защищаемой системы. Для сжимаемых и несжимаемых сред формулы различаются.
- Подбор типоразмера: По рассчитанной пропускной способности и условному диаметру (DN) из таблиц производителя выбирается модель, у которой фактическая площадь проходного сечения и Kvs не менее расчетных.
- Учет условий монтажа: Тип присоединения, габариты, масса, направление сброса.
- Внешнем осмотре на предмет коррозии, течей.
- Контроле усилия пружины и ее замене при потере упругих свойств.
- Притирке или замене пары «седло-затвор» при нарушении герметичности.
- Замене уплотнительных элементов.
Принцип действия основан на уравновешивании сил давления среды на затвор и усилия пружины. Когда давление под затвором (в защищаемой системе) превышает усилие настройки пружины, затвор отходит от седла, открывая проход для сброса среды через боковой (осевой) отводящий патрубок. При снижении давления ниже давления закрытия, пружина возвращает затвор на седло.
Область применения и преимущества перед проходными клапанами
Угловые предохранительные клапаны применяются в системах, где требуется не только защита от превышения давления, но и изменение направления потока среды при сбросе. Это обуславливает их использование в следующих случаях:
Основные преимущества:
Классификация и основные технические характеристики
Клапаны предохранительные угловые классифицируются по нескольким ключевым признакам:
Таблица 1. Сравнительные характеристики малоподъемных и полноподъемных угловых клапанов
| Параметр | Малоподъемный (пропорциональный) КПУ | Полноподъемный (двухпозиционный) КПУ |
|---|---|---|
| Высота подъема затвора | Не превышает 0,05 диаметра седла (dс). | Не менее 0,25 dс. |
| Принцип действия | Открывается пропорционально росту давления. Производительность нарастает плавно. | Открывается скачком на полный ход. Срабатывание «все или ничего». |
| Коэффициент расхода Kvs | Ниже (обычно в диапазоне 0,05-0,3). | Выше (обычно 0,7-0,95). |
| Область применения | Системы с несжимаемыми средами (вода, масла), где не требуется большая пропускная способность. | Системы со сжимаемыми средами (пар, газ, воздух), где необходим быстрый и полный сброс больших объемов. |
| Давление закрытия | Близко к давлению срабатывания. Небольшой гистерезис. | Значительно ниже давления срабатывания (большой гистерезис). |
Ключевые параметры выбора и расчет
Выбор углового предохранительного клапана осуществляется на основе строгих инженерных расчетов в соответствии с требованиями нормативных документов (ПБ 03-576-03, ГОСТ 12.2.085, ASME I, API 520/526). Основные этапы:
Таблица 2. Основные материалы уплотнительных поверхностей и корпусных деталей
| Элемент клапана | Материал | Применение / Примечание |
|---|---|---|
| Корпус, крышка | Сталь 25Л, 35Л, 20ГМЛ, 12Х18Н9ТЛ, A216 WCB, A351 CF8M | В зависимости от давления, температуры и агрессивности среды. |
| Седло, затвор (тарелка) | Сталь 20Х13 (2Cr13), 30Х13 (3Cr13), стеллит (сплав на основе кобальта), никелевые сплавы | Повышенная твердость и износостойкость. Стеллит наплавляется для работы с паром высоких параметров. |
| Пружина | Сталь 50ХФА, 60С2ХА, 12Х18Н10Т, Inconel X-750 | Подвергается термообработке. Материал выбирается исходя из температуры среды, контактирующей с пружиной. |
| Уплотнение штока | Графит, фторопласт, терморасширенный графит (ТРГ) | Обеспечивает герметичность по штоку в условиях высоких температур. |
Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание
Монтаж угловых предохранительных клапанов должен выполняться в строгом соответствии с проектом и инструкцией завода-изготовителя. Клапан устанавливается непосредственно на штуцер защищаемого оборудования или на подводящий трубопровод максимально близко к нему. Подводящий трубопровод должен иметь минимальную длину, диаметр не менее условного диаметра клапана и не содержать запорной арматуры. Отводящая (сбросная) линия должна быть проложена с уклоном в сторону коллектора или емкости, иметь надежное крепление для компенсации реактивной силы истекающей струи. Запрещается установка запорной армации на отводящей линии после клапана.
Эксплуатация включает регулярную проверку давления срабатывания на испытательном стенде или с помощью мобильных устройств настройки. Периодичность регламентируется правилами безопасности предприятия и техническим регламентом. Техническое обслуживание заключается в:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем основное отличие углового клапана от проходного, кроме формы корпуса?
Основное функциональное отличие – изменение направления потока среды на 90° при сбросе. Это определяет монтажные преимущества. С точки зрения гидродинамики, в угловом клапане поток на входе испытывает одно поворот на 90° перед седлом, что может создавать несколько неравномерное давление на тарелку. В проходном клапане поток движется прямо. Это учитывается в конструктивных расчетах и коэффициентах расхода.
Можно ли установить угловой клапан на горизонтальный трубопровод, если сброс должен быть направлен вертикально вверх?
Да, это допустимо и часто практикуется. Однако необходимо строго соблюдать ориентацию корпуса, указанную в паспорте изделия (обычно шток должен располагаться вертикально). Также критично важно обеспечить надежное крепление отводящего патрубка и всей конструкции, так как при срабатывании возникнет значительная реактивная сила, стремящаяся сдвинуть клапан.
Как влияет противодавление в сбросном коллекторе на работу углового пружинного клапана?
Противодавление (давление в отводящем патрубке) напрямую влияет на работу клапана. Оно создает дополнительное усилие, прижимающее тарелку к седлу в закрытом состоянии, что повышает фактическое давление срабатывания. При сбросе оно противодействует истечению среды, снижая пропускную способность. Для систем с высоким или переменным противодавлением (общий коллектор нескольких клапанов) необходимо применять клапаны сильфонного типа, где сильфон герметично отделяет полость над тарелкой от отводящего патрубка, компенсируя влияние противодавления.
Как часто нужно проверять и перенастраивать предохранительный угловой клапан?
Периодичность регламентируется заводской инструкцией и локальными нормативными актами предприятия, но не реже сроков, установленных правилами безопасности (например, для котлов – перед каждым пуском после останова и не реже одного раза в год). Факторы, сокращающие межпроверочный интервал: циклическая работа, агрессивные среды, вибрация, работа вблизи установочного давления. Проверка включает контроль давления начала открытия, давления закрытия и герметичности в закрытом состоянии.
Что означает маркировка, например, «17с28нж» на корпусе клапана?
Это условное обозначение материала корпуса по ГОСТ или ТУ. «17с28нж» расшифровывается как сталь легированная, где 17 – среднее содержание углерода в сотых долях процента (0,17%), «с» – кремний, «28» – примерное содержание хрома (28%), «нж» – никель и молибден. Это аналог стали AISI 316. Маркировка позволяет идентифицировать стойкость материала к коррозии и допустимые параметры среды.
Заключение
Клапаны предохранительные угловые являются специализированным, но широко востребованным типом защитной арматуры, эффективно решающим задачи безопасности и рациональной компоновки трубопроводных систем. Правильный выбор, расчет, монтаж и систематическое техническое обслуживание КПУ являются критически важными для обеспечения безаварийной работы энергетического и технологического оборудования. Применение угловых клапанов должно быть технически и экономически обосновано с учетом всех особенностей рабочей среды, параметров системы и условий эксплуатации.