| Рабочее давление Pр | Давление срабатывания клапана Р,шч |
| До 0,3 | Рр+0,05 |
| От 0,3 до 6,0 | 1,15РР |
| Более 6,0 | 1,1 рр |
Площадь проходного сечения F (мм") и диаметр наиболее узкого сечения d (мм) предохранительного устройства и. определяют по формулам Госгортехнадзора России:
где m — производительность компрессора, кг/ч; a — коэффициент расхода предохранительного клапана (табл. 5.29); В — коэффициент, зависящий от показателя адиабаты и степени сжатия газов (табл. 5.30); Р1 — максимальное допустимое давление срабатывания клапана, МПа (табл. 5.29); Р2 — избыточное давление за предохранительным клапаном, МПа. Если клапан сбрасывает избыточный расход газа в атмосферу, то Р2 = 0; r — плотность среды перед предохранительным устройством при давлении Р1 и температуре Т1, кг/м’ 3 , определяют по таблицам или диаграммам состояния газа или рассчитывают по формуле
где М — молярная масса газа, кг/кмоль (табл. 5.23); z -коэффициент сжимаемости газов; берут из таблиц или диаграмм; при давлении газа до 10 МПа можно принять равным 1; Т2 — температура сжатого газа при давлении Р2, К:
где Т1 — температура газа, К, при давлении P 1 (начальные Параметры газа).
Значения коэффициентов a
| Тип предохранительных клапанов | Коэффициент a | |
| для газов | для жидкостей | |
| Прямого действия: | ||
| малоподъёмные | 0,05 | 0,05 |
| среднеподъёмные | 0,3 | 0,1 |
| полноподъёмные | 0,6 | 0,1 |
| С принудительным управлением, полноподъёмные | 0,6 | |
| Предохранительные мембраны: разрывные | 0,8 | 0,8 |
| с ножевым устройством | 0,6 | 0,6 |
Значение коэффициента В при показателях адиабаты k
| (Р2 + 0,1) (Р1 + 0,1) | 1,0 | 1,135 | 1,24 | 1,3 | 1,4 | 1,66 |
| 0,429 | 0,449 | 0,464 | 0,472 | 0,484 | 0,513 | |
| 0,1 | 0,452 | 0,474 | 0,489 | 0,497 | 0,511 | 0,541 |
| 0,2 | 0,479 | 0,502 | 0,519 | 0,527 | 0,541 | 0,573 |
| 0,3 | 0,512 | 0,537 | 0,558 | 0,564 | 0,578 | 0,613 |
| 0,4 | 0,553 | 0,580 | 0,598 | 0,609 | 0,625 | 0,662 |
| 0,5 | 0,606 | 0,635 | 0,656 | 0,667 | 0,685 | 0,725 |
| 0,6 | 0,678 | 0,710 | 0,730 | 0,741 | 0,757 | 0,790 |
| 0,7 | 0,762 | 0,788 | 0,804 | 0,812 | 0,824 | 0,849 |
| 0,8 | 0,845 | 0,862 | 0,873 | 0,878 | 0,886 | 0,903 |
| 0,9 | 0,923 | 0,932 | 0,938 | 0,941 | 0,945 | 0,954 |
| 1,0 | 1,000 | 1,000 | 1,000 | 1,000 | 1,000 | 1,000 |
Защиту от химических взрывов компрессоров и оборудования, работающего под избыточным давлением, производят путем выбора температурных режимов сжатия газон (метод устранения источника зажигания) и подбором инертных по отношению к сжимаемым газам смазочных. материалов (метод устранения горючей смеси).
Первый метод используют преимущественно для воздушных компрессоров. Попадание паров смазочного маем, в сжатый воздух приводит к образованию в цилиндрах, вол духосборниках, масло водоотделителях и трубопроводах взрывоопасных смесей. Если температура сжатого воздух; достигает температуры вспышки паров масла, возможен взрыв. Поэтому для смазки компрессоров применяют масла. с температурой вспышки на 75° выше температуры адиабатического сжатия газа или принудительное охлаждение.
Второй метод используют в компрессорах для кисло рода и других окисляющих газов. В конструкциях компрессоров, трубопроводов и газосборниках применяют только негорючие материалы, а в качестве смазки используют графит или 10 %-ный раствор глицерина в воде. Весь кислородный тракт периодически обезжиривают четыреххлористым углеродом. На всасывающей стороне компрессором окисляющих и горючих газов поддерживают избыточное давление 250 Па и устанавливают блокировку отключения компрессора при падении давления до 100 Па.
Задача
Произошёл взрыв баллона с кислородом. Определить мощность взрыва, если давление в баллоне Рраб = 150 кг/см 2 , объём баллона V = 40 л, времявзрыва t = 0,1 с.
Решение
1. Приводим размерности исходных данных к размерностям формулы:
2. Показатель адиабаты k = 1,4 (табл. .5.23).
3. Энергия сжатого газа, кДж,
4. Мощность взрыва, кВт,
N = 2763/0,1 = 27630.
Задача
Определить толщину стенки баллона для газа под давлением Р = 15 МПа. Материал баллона — сталь 20, метод изготовления — односторонняя стыковая сварка с флюсовой подкладкой. Внутренний диаметр баллона D = 200 мм. К
Решение
Толщина стенки, мм,
Поправочный коэффициент h = 1;
для стали 20 s = 147МПа (табл. 5.24);
коэффициент запаса n = 1,5;
коэффициент прочности j = 0,9 (табл. 5.25);
добавка к расчётной толщине, мм,
Тогда толщина стенки, мм,
Принимаем толщину стенки 22 мм.
Определить давление, при котором произошёл взрыв баллона 2 , площадь диафрагмы редуктора f2 = 3000 мм 2 .
Определить, при каком давлении в баллоне необходима дополнительная регулировка редуктора, чтобы в магистрали не произошло обратного удара (это возможно, если давление в магистрали упадёт на 0,1 МПа).
Давление в магистрали, при котором возможен обратный удар, МПа,
Предельное давление в баллоне при давлении в магистрали = 0,4 МПа можно определить из уравнения равновесия:
Вывод: при падении давления в баллоне до 7,5 МПа необходимо дополнительная регулировка редуктора, чтобы поднять давление в магистрали до 0,5 МПа. При падении давления в баллоне до 2,5 МП; эксплуатацию баллона необходимо прекратить.
Задача
Двухступенчатый компрессор производительностью m = 2000 кг/ 1 подает сжатый воздух с избыточным рабочим давлением Рр2= 1,5 МПа. На первой ступени воздух сжимается до избыточного рабочего давления РР2 = 0,3 МПа. Начальная температура воздуха Т2 = 293 К (20 °С) После первой ступени воздух охлаждается до той же температуры Давление сброса предохранительных клапанов Р2 = 0 (атмосферное давление).
Требуется рассчитать полно подъемные предохранительные клапаны прямого действия для первой и второй ступеней компрессора.
Решение
1. Давление срабатывания клапана для первой ступени, МПа,
2. Площадь проходного сечения клапана, мм 2 ,
где a = 0,6 (табл. 5.29);
3. Температура сжатого воздуха, К,
4. Плотность воздуха перед клапаном, кг/м 3 ,
где М = 28,96 кг/кмоль (табл. 5.23); z — коэффициент сжимаемости газа при давлении до 10 МПа г = 1
5. Площадь проходного сечения клапана, мм 2 ,
6. Диаметр проходного сечения клапана, мм,
Принимаем клапан с диаметром проходного сечения 40 мм.
7. Для второй ступени давление срабатывания клапана, МПа,
8. Температура воздуха перед клапаном, К,
где Р2 = 0,3 = РР1 по заданию.
9. Плотность воздуха перед клапаном, кг/м 3 ,
10. Площадь проходного сечения клапана, мм,
11, Диаметр проходного сечения клапана, мм,
Принимаем клапан с диаметром проходного сечения 20 мм.
Широкое применение в нефтяной и химической промышленности процессов, протекающих под высоким давлением, а также тенденция к дальнейшему его повышению, предъявляют высокие требования к безопасной работе с оборудованием, находящимся под этим давлением, тем более что используемые среды, как правило, взрыво- и пожароопасны, а также иногда и токсичны.
Для защиты сосудов аппаратов, емкостей, трубопроводов и другого технологического оборудования от разрушения при чрезмерном превышении давления чаще всего применяют предохранительные клапаны. Предохранительный клапан обеспечивает безопасную эксплуатацию оборудования в условиях повышенных давлений газа или жидкости. При повышении в системе давления выше допустимого предохранительный клапан автоматически открывается и сбрасывает необходимый избыток рабочей среды, тем самым предотвращая возможность аварии. После окончания сброса давление снижается до величины, меньшей начала срабатывания клапана, предохранительный клапан автоматически закрывается и остается закрытым до тех пор, пока в системе вновь не увеличится давление выше допустимого.
В зарубежной практике, кроме названия, »предохранительный клапан», часто встречаются названия »перепускной» и »предохранительно-перепускной» клапан.
Предохранительный клапан — автоматическое устройство для сброса давления, приводимое в действие статическим давлением, возникающим перед клапаном, и отличающееся быстром полным подъемом золотника за счет динамического действия выходящей из сопла струи сбрасываемой среды. Предохранительные клапаны используют для газов и паров.
Перепускной клапан — автоматическое устройство для сброса давления, приводимое в действие статическим давлением, возникающим перед клапаном, и отличающееся постепенным подъемом золотника пропорционально увеличению давления сверх давления открывания. Перепускные клапаны используют, главным образом, для жидкостей.
Предохранительно-перепускной клапан — автоматическое устройство, которое можно использовать в качестве либо предохранительного, либо перепускного клапана в зависимости от вида применения. Эти клапаны, как правило, на газах работают как предохранительные, а на жидкостях — как перепускные.
Основные требования к предохранительным клапанам стандартизированы и соблюдаются в законодательном порядке.
»Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» определяют область обязательного применения предохранительных клапанов и требования- к ним, а также основные правила их установки и обслуживания.
Основные положения этих правил следующие.
Технологическое давление в сосуде (аппарате, трубопроводе и т. п.) — максимально избыточное давление, которое может возникнуть при нормальном режиме процесса.
Расчетное (рабочее) давление сосуда — давление, на которое рассчитаны стенки корпуса или узлов сосуда. Величина расчетного давления должна превышать технологическое давление в аппарате, чтобы исключить нежелательное срабатывание предохранительных клапанов.
Максимально допустимое рабочее давление — давление, превышение которого недопустимо из соображений безопасности. Это давление зависит от материала, его толщины и условий эксплуатации, положенных в основу расчета.
Установочное давление (давление срабатывания) — давление, при котором открывается предохранительный клапан.
Продув или гистерезис — разность между давлением срабатывания и давлением закрытия клапана, выражаемая в процентах от давления срабатывания.
Подъем — перемещение золотника клапана при его срабатывании. Как правило, выражается отношением высоты подъема золотника к диаметру сопла.
Статическое противодавление — давление в выкидной трубе или коллекторе при закрытом клапане.
Динамическое противодавление — давление в выкидной трубе или коллекторе при сбросе из предохранительного клапана.
Пример соотношения между вышеприведенными давлениями приведен на рисунке 1зк.
Основной характеристикой предохранительных клапанов является их пропускная способность, определяемая количеством сбрасываемой жидкости в единицу времени при открытом клапане.
І –технологическое;ІІ–рабочее и установочное;ІІІ-максимально допустимое;ІV — давление закрытия
Рисунок 1зк – Соотношение между различными давлениями
Правила Госгортехнадзора требуют, чтобы пропускная способность предохранительных клапанов, установленных на сосуде, должна быть рассчитана таким образом, чтобы при открытом клапане давление в сосуде не могло превысить значения, указанные в таблице 1зк.
Таблица 1зк — Допустимое превышение рабочего давления в сосудах и аппаратах
Рабочее давление, кгс/см 2
Превышение этих пределов избыточного давления при открытом предохранительном клапане свидетельствует о неправильном расчете его пропускной способности.
При определении необходимой пропускной способности предохранительных клапанов для обеспечения безопасности эксплуатации сосудов и аппаратов следует руководствоваться следующими правилами. Для воздуха площадь сечения одного или нескольких клапанов должна быть такой, чтобы она могла пропустить все количество воздуха, подаваемого компрессором или другими источниками
Площадь сечения клапанов должна быть достаточной для пропуска наибольшего количества паров или газа, которые могут образоваться в сосуде или поступать в него.
Общие требования к предохранительным клапанам следующие:
— автоматическое и безотказное срабатывание клапана при заданном давлении;
— пропуск такого количества среды при открытом положении клапана, чтобы давление в сосуде не превысило установленные пределы;
— автоматическое и безотказное закрытие клапана при давлении, не нарушающем технологический процесс в защищаемой системе;
— сохранение необходимой герметичности затвора клапана в закрытом состоянии даже после неоднократных сбросов среды.
Однако необходимо учитывать, что безотказность открытия предохранительных клапанов и их необходимая пропускная способность — основные требования, которым должны быть подчинены все остальные. Предохранительный клапан должен сработать при определенном предварительно рассчитанном давлении и оставаться полностью открытым (без колебания запорного органа), чтобы пропустить среду в таком количестве, при котором давление в системе в дальнейшем не будет повышаться. Установочное давление должно быть практически постоянным при неоднократных сбросах. В Правилах Госгортехнадзора допустимое отклонение от установочного давления при многократных срабатываниях не регламентируется, однако в технических условиях на полноподемные пружинные предохранительные клапаны для нефтяной промышленности отклонение давления срабатывания может быть ±0,5%.
Малая величина продува предохранительного клапана является положительным качеством, так как при запаздывании закрытия клапана давление в системе может упасть ниже предела, при котором возможно нормальное течение технологического процесса. Это недопустимо, так как не всегда срабатывание клапана вызывается причинами, требующими остановки системы и ее ремонта. Иногда клапан срабатывает из-за случайных причин, например неправильного управления технологическим процессом. Кроме того, недостаточно быстрое закрытие клапана не в состоянии прервать пленку протекающей между уплотнительными поверхностями затвора среды. При этом герметичность затвора при рабочем давлении не восстанавливается и происходит постоянное дросселирование среды через уплотнение, что приводит к эрозии Уплотнительных поверхностей и выходу клапана из строя.
А.А. Шаталов, канд. техн. наук, Н.А. Хапонен (Госгортехнадзор России), А.З. Миркин, канд. техн. наук, Л.Б. Корельштейн, канд. физ.-мат. наук
(НТП "Трубопровод"), "Безопасность труда в промышленности" №2 2002г.
При создании и эксплуатации пожаровзрывоопасных и химически опасных и вредных производств и объектов нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической промышленности, газового хозяйства, объектов котлонадзора расчет и выбор технологического оборудования, трубопроводов, запорной, регулирующей и предохранительной арматуры производится в соответствии с действующей нормативно-технической документацией.
Проведенный нами анализ показал, что действующая в России нормативная документация по расчету и выбору предохранительных клапанов не обеспечивает в необходимой мере безопасное ведение опасных технологических производств. Ошибки допускаются как на стадии проектирования, так и сооружения объектов и их эксплуатации.
Вопросы расчета и выбора предохранительных клапанов в России определяются одновременно действующими ГОСТами и другими нормативными документами, противоречащими друг другу. Нет единства даже в терминологии.
Основным российским стандартом по расчету предохранительных клапанов является ГОСТ 12.2.085-82 [1]. Самая грубая ошибка в этом стандарте — рекомендовано выбирать предохранительный клапан в зависимости от величины рабочего давления Рраб (см. п. 1.1), в то время как согласно мировой (API 510 Part 1 [2]) и российской теории и практики предохранительный клапан должен выбираться на основе расчетного давления Ррасч. Такая же ошибка содержится и в ГОСТе 24570-81 [3]. Отсутствует формулировка, что в данном случае подразумевается под рабочим давлением.
В то же время ГОСТ 14249[4], п. 1.2.2. отождествляет понятие "рабочее" и "расчетное" давление, что противоречит п.1.1. ГОСТ [1] и п. 5.5.9. ПБ 10-115-96[5].
Давление настройки Рн предохранительного клапана по [1] равно Рн НТП "Трубопровод" была разработана программа для расчета и выбора предохранительных клапанов "Предклапан". В этой программе исправлены ошибки , содержащиеся в ГОСТе [1], программа согласована Госгортехнадзором России и нашла широкое применение в проектных институтах и ПКО заводов. Однако, эта программа не может быть сертифицирована Госстандартом, так как она не соответствует ГОСТу [1].
Этой программой проводится расчет и выбор предохранительных клапанов прямого действия , устанавливаемых на аппаратах, емкостях и технологических трубопроводах. Производится определение проходного сечения клапанов, их марки и количества, номера пружины или массы и числа грузов . При этом выполняется гидравлический расчет подводящего и отводящего трубопровода, составление экспликации и спецификации предохранительных клапанов . Программа позволяет выполнить как проектный, так и поверочный расчет предохранительных клапанов. Описание методики дано в [6].
Выбор предохранительных клапанов производится из базы данных , корректировка которой проводится ежегодно по номенклатуре заводов-изготовителей.
В исходных данных задаются теплофизические свойства продукта (газы или жидкости) или состав по компонентам для расчета программой свойств продукта.
Для расчета гидравлического сопротивления подводящего и отводящего трубопроводов задаются их диаметры и схема (состав элементов).
- давление и плотность продукта перед предохранительным клапаном;
- коэффициенты B1, В2 и В3[1], учитывающие свойства продукта;
- площадь сечения одного предохранительного клапана или группы клапанов — расчетная и принятая ;
- пропускная способность клапана, соответствующая принятой площади сечения клапана или группы клапанов с учетом коэффициента расхода и 10% запаса;
- марка, исполнение и число клапанов;
- номер пружины или масса груза и число грузов;
- установочное давление (давление настройки) клапана.
Для подводящего и отводящего трубопроводов в результатах расчета выдается:
- выбранный программой диаметр (если не был задан);
- давление и скорость потока по участкам трубопровода;
- температура газа за клапаном;
- минимальный кавитационный запас для жидкостей;
- запас по давлению (разница между расчетным падением давления в трубопроводе и допускаемым).
Выходная информация выдается в виде:
- протокол расчета клапана;
- сообщения пользователю по расчету и выбору клапанов и гидравлическому расчету;
- спецификация по ГОСТ 21.110-95;
- экспликация предохранительных клапанов по форме П-228-ОБП-83
Периодичность ревизий клапанов (с их снятием и регулировкой на стенде) устанавливает проектировщик в зависимости от свойств сбрасываемой среды (агрессивность, взрывоопасность, возможность полимеризации, коксования, примерзания или прикипания и т.д.) в соответствии с требованиями нормативно-технических документов по эксплуатации, ревизии и ремонту предохранительных клапанов. Число резервных клапанов определяется также проектировщиком.
В 2001г. программа "Предклапан" была модернизирована и в настоящее время работает под управлением операционной системы Windows 95/98/ME/NT/2000/XP.
