Методика расчета предохранительных клапанов

Предохранительные клапаны предназначены для обеспече- ния безопасной эксплуатации установок и предотвращения ава- рий. Применяются на резервуарах, котлах, емкостях, сосудах или трубопроводах для автоматического выпуска (сброса) жидких, га- зообразных сред и пара из системы высокого давления (при пре- вышении давления в ней свыше допустимого) в атмосферу или в систему низкого давления.

При повышении давления рабочей среды сверх установлен- ного золотник клапана поднимается, открывая проходное сечение, и происходит сброс среды.

При снижении давления в аппарате до давления обратной посадки (давления закрытия) золотник опускается на седло, и сброс среды прекращается. Затем давление до клапана восстанав- ливается до рабочего (давления настройки)

На рис. 2.1 представлено устройство наиболее широко используе- мых рычажно-грузовых и пружинных предохранительных клапанов.

В пружинных клапанах золотник прижимается к седлу пру- жиной.

Усилие сжатия пружины на требуемое давление регулирует- ся винтом.

Пружинные клапаны изготовляют малоподъемными и пол- ноподъемными.

В рычажно-грузовых клапанах золотник прижимается к сед- лу рычагом через шарнирно соединенный с ним шток.

На рычаге стопорными винтами закреплены грузы, масса и место расположения которых на рычаге зависят от рабочего дав- ления (давления настройки). Превышение давления рабочей сре- ды вызывает подъем золотника и сброс среды.

а

б

Рис. 2.1. Предохранительные клапаны:

а – рычажный: 1 – корпус; 2 – седло; 3 – тарелка; 4 – шток; 5 – рычаг;

6 – кожух; 7 – груз; 8 – цепочка; 9 – запорное устройство;

б – пружинный: 1 – корпус; 2 – тарелка; 3 – стопорный винт; 4 – пружина;

5 – рукоятка; 6 – кожух

 

Значение отношения высоты подъема клапана к внутренне- му диаметру тарелки клапана определяет его тип:

H = h / d,                                     (2.8)

где h – высота подъема клапана, см; d – внутренний диаметр та- релки клапана, см: 2,5 ≤ d ≤ 12,5.

При H ≤ 0,05 клапан считают малоподъемным, при

0,05 ≤ H ≤ 0,25 – полноподъемным.

Рычажно-грузовые клапаны изготавливают только малоподъем- ными: однорычажные клапаны – с одним седлом и двухрычажные – с двумя седлами. Эти клапаны – простой конструкции; отличаются посто- янством усилия; могут быть использованы только в стационарных уста- новках; не могут быть использованы для работы с противодавлением.

Малоподъемные клапаны – пропорционального действия; ха- рактеризуются тем, что открытие клапана (подъем золотника) проис- ходит равномерно, при превышении давления в системе над давлени- ем начала открытия. При подъеме золотника равномерно увеличива- ется пропускная способность клапана. Малоподъемные клапаны ис- пользуются, как правило, на несжимаемых средах. Применению их на сжимаемых средах препятствует невысокое значение пропускной спо- собности.

К преимуществам малоподъемных клапанов перед полноподъем- ными относятся: пропорциональность характеристики и способность от- крываться так, чтобы был обеспечен фактический аварийный расход; возможность их использования для жидких и газообразных сред.

Пружинные клапаны – более совершенной конструкции, чем рычажно-грузовые; имеют меньшую инерционность, меньшую массу и габаритные размеры; преимущественно полноподъемные.

Полноподъемные клапаны характеризуются быстротой сраба- тывания на полный ход золотника. Они обеспечивают высокие значе- ния пропускной способности при сравнительно малых превышениях давления в защищаемой системе. Время открытия этих клапанов – 0,008–0,04 с.

Пропускную способность предохранительных клапанов и их число следует выбирать так, чтобы в защищаемой системе не создава- лось давление, превышающее избыточное рабочее давление более чем на 0,05 МПа при избыточном рабочем давлении в системе до 0,3 МПа включительно; на 15% – при избыточном рабочем давлении в системе до 6 МПа включительно и на 10% – при избыточном рабочем давле- нии свыше 6 МПа.

Предохранительные устройства должны устанавливаться на пат- рубках или трубопроводах, непосредственно присоединенных к сосу- ду, и в местах, доступных для их обслуживания.

Установка запорной арматуры между сосудом и предохрани- тельным устройством, а также за ним не допускается.

В табл. 2.2 приведены марки и характеристики наиболее упот- ребительных предохранительных клапанов.

 

Таблица 2.2

 

Предохранительные клапаны

Наименование и краткая характеристика (давление приводится в МПА, а диаметр – в мм)	Условное обозначение	Рабочая среда	Температура рабочей среды, °С
1	2	3	4
Малоподъемный пружинный цапковый, латунный на Р у 0,6 МПа; D у 20 мм	КВ 71-1-11-001	Воздух и пар	До 250
Малоподъемный пружинный латунный, на Р у 2,5 МПа; D у 20 мм	17Б2бк	Вода и пар	До 180
Малоподъемный рычажно-грузовой фланце- вый, чугунный, на Р у 1,6 МПа; D у 25 и 40 мм	17ч3бр1 (исп. 2)	Вода, пар и другие жидкие и га- зообразные неагрессивные среды	От –15 до +225
То же, на Р у 1,6 МПа; D у 50, 80 и 100 мм	17ч18бр	То же	До 225
Малоподъемный двухрычажный фланцевый, чугунный, на Р у 1,6 МПа; D у 80, 125 и 150 мм	17ч19бр	– «–	До 225
Малоподъемный пружинный цапковый, стальной, на Р у 1,6 МПа; D у 15 и 25 мм	17с11нж	Аммиак, хладон и другие жидкие и газообразные среды	От –40 до +150 (Dу 15 мм) и от–40 до +225 (Dу 25 мм)
Малоподъемный пружинный фланцевый, стальной, на Р у 1,6 МПа; D у 50 мм	17с12нж	То же	От –40 до +225
Полноподъемный пружинный фланцевый, стальной, на Р у 1,6 МПа; D у 50 и 80 мм	17с22нж	Жидкие и газообразные неагрес- сивные среды	До 400
Малоподъемный пружинный фланцевый, стальной, на Р у 4 МПа; D у 50 и 80 мм	17с24нж	Пар и другие жидкие и газооб- разные неагрессивные среды	До 400
Полноподъемный пружинный цапковый, стальной, на Р у 0,8 МПа; D у 25 мм	17с42нж	Пар и другие неагрессивные газо- образные среды	До 200

Продолжение табл. 2.2

 

1	2	3	4
Полноподъемный пружинный фланцевый сталь- ной на Р у 1,6 МПа; D у 50, 80, 100, 150 и 200 мм	СППК4-16 (17с13нж)	Жидкие и газообразные неагрессив- ные химические и нефтяные среды	До 450
То же из коррозионностойких сталей	СППК4-16 (17нж13ст)	Жидкие и газообразные агрессив- ные химические и нефтяные среды	До 600
	СППК4-16 (17нж32ст)	Жидкие и газообразные высокоагрес- сивные химические и нефтяные среды	До 200
Полноподъемный пружинный фланцевый сталь- ной на Ру 1,6 МПа; Dу 50, 80, 100, 150 и 200 мм	СППК4Р-16 (17с17нж)	Жидкие и газообразные неагрессив- ные химические и нефтяные среды	До 450
То же из коррозионностойких сталей	СППК4Р-16 (17нж17ст)	Жидкие и газообразные агрессив- ные химические и нефтяные среды	До 600
	СППК4Р-16 (17нж92ст)	Жидкие и газообразные высокоагрес- сивные химические и нефтяные среды	До 200
Полноподъемный пружинный фланцевый сталь- ной на Ру 4 МПа; Dу 50, 80, 100 и 150 мм	СППК4-40 (17с14нж)	Жидкие и газообразные неагрессив- ные химические и нефтяные среды	До 450
То же из коррозионностойких сталей	СППК4-40 (17нж14ст)	Жидкие и газообразные агрессив- ные химические и нефтяные среды	До 600
	СППК4-40 (17нж94ст)	Жидкие и газообразные высокоагрес- сивные химические и нефтяные среды	До 200
Полноподъемный пружинный фланцевый сталь- ной на Ру 4 МПа; Dу 50, 80, 100 и 150 мм	СППК4Р-40 (17с25нж)	Жидкие и газообразные неагрессив- ные химические и нефтяные среды	До 450
То же из коррозионностойких сталей	СППК4Р-40 (17нж25ст)	Жидкие и газообразные агрессив- ные химические и нефтяные среды	До 600
	СППК4Р-40 (17нж93ст)	Жидкие и газообразные высокоагрес- сивные химические и нефтяные среды	До 200
Полноподъемный пружинный фланцевый стальной на Ру 6,3 МПа; Dу 50, 80 и 100 мм	СППК4-64 (17с85нж)	Жидкие и газообразные неагрессив- ные химические и нефтяные среды	До 450

 

Окончание табл. 2.2

 

1	2	3	4
То же из коррозионностойких сталей	СППК4-64 (17нж85ст)	Жидкие и газообразные агрессив- ные химические и нефтяные среды	До 600
	СППК4-64 (17нж86ст)	Жидкие и газообразные высокоагрес- сивные химические и нефтяные среды	До 200
Полноподъемный пружинный фланцевый стальной на Ру 6,3 МПа; Dу 50, 80 и 100 мм	СППК4Р-64 (17с89нж)	Жидкие и газообразные неагрессив- ные химические и нефтяные среды	До 450
То же из коррозионностойких сталей	СППК4Р-64 (17нж89ст)	Жидкие и газообразные агрессив- ные химические и нефтяные среды	До 600
	СППК4-64 (17нж79ст)	Жидкие и газообразные высокоагрес- сивные химические и нефтяные среды	До 200
Полноподъемный пружинный муфтовый стальной на Р у 10 МПа; D у 25 мм	СППКМ-100	Жидкие и газообразные неагрессив- ные химические и нефтяные среды	До 450
Полноподъемный пружинный фланцевый стальной на Р у 16 МПа; D у 50 и 80 мм	СППК4-160 (17с80нж)	То же	До 450
То же из коррозионностойких сталей	СППК4-160 (17нж80ст)	Жидкие и газообразные агрессив- ные химические и нефтяные среды	До 600
	СППК4-160 (17нж87ст)	Жидкие и газообразные высокоагрес- сивные химические и нефтяные среды	До 200
Полноподъемный пружинный фланцевый стальной на Р у 16 МПа; D у 50 и 80 мм	СППК4Р-160 (17с90нж)	Жидкие и газообразные неагрессив- ные химические и нефтяные среды	До 450
То же из коррозионностойких сталей	СППК4-160 (17нж90ст)	Жидкие и газообразные агрессив- ные химические и нефтяные среды	До 600
	СППК4-160 (17нж82ст)	Жидкие и газообразные высокоагрес- сивные химические и нефтяные среды	До 200
Малоподъемный пружинный фланцевый стальной на Р у 32 МПа; D у 10, 25 и 32 мм	17с52п	Жидкие и газообразные неагрессив- ные среды	От –30 до +120

Примечание. Р _у – условное давление; D _у – условный диаметр.

Количество предохранительных клапанов рассчитывают по формуле

n = kG к,                                      (2.9)

pdh

где k – коэффициент, для малоподъемных клапанов равный 0,0075, для полноподъемных – 0,015; G _к – производительность котла по пару при максимальной нагрузке, кг/ч; р – абсолютное давление пара в котле, Па.

На котлах паропроизводительностью, меньшей или равной 100 кг/ч, допускается установка одного предохранительного кла- пана, при паропроизводительности котла более 100 кг/ч – не ме- нее двух предохранительных клапанов.

Пропускная способность клапана – количество рабочей сре- ды в массовых G, кг/ч, или объемных Q, м³/ч, единицах, сбрасы- ваемое через клапан при установленных значениях давления на входе и выходе (противодавление), конкретных значениях темпе- ратуры рабочей среды на входе в клапан и определенном ходе зо- лотника.

Пропускную способность предохранительных клапанов для газов и паров, кг/ч, рассчитывают по формуле

G = 216 pa

,                          (2.10)

где p – давление под клапаном, Па (максимальное давление под клапаном должно быть не более 1,1 расчетного); a – площадь се- чения клапана, cм²; М – молекулярная масса газов или паров: для воздуха М = 29 кг/кмоль, для водяного пара М = 18 кг/кмоль; Т – абсолютное значение температуры пара или воды в котле, К.

Выпускное сечение предохранительных клапанов должно быть таким, чтобы выпускать весь избыточный пар или газ, выра- батываемый установкой в течение 1 ч, без заметного повышения предельного давления.

Порядок расчета.

1. По табл. 2.2 выбрать тип предохранительного клапана в зависимости от технологических требований, расчетного давле- ния, температуры и характеристики среды.

2. Из соотношения (2.8) определить высоту подъема клапана.

3. По формуле (2.9) рассчитать количество предохранитель- ных клапанов.

4. Определить пропускную способность клапана с учетом запаса в зависимости от избыточного рабочего давления.

Более точный расчет предохранительных клапанов на раз- личную рабочую среду можно провести по [8].