Принцип действия предохранительных устройств

По существующим требованиям безопасности ни одна машина, станок или оборудование не могут считаться пригодными для выполнения работ, если они не имеют предохранительных защитных устройств на случай аварийных режимов. В основу предохранительных устройств положен принцип отключения оборудования при выходе контролируемого параметра (давление, температура, усилие, перемещение и т.д.) за допустимые пределы.

Принципиальные решения и конструктивное оформление предохранительных устройств разнообразны и зависят от особенностей данного оборудования и технологического процесса.

В зависимости от природы возникновения опасного производственного фактора все предохранительные устройства можно подразделить на четыре группы:

— предохранители от механических перегрузок;

— предохранители от перемещения частей машины за установленные габариты;

— предохранители от превышения давления и температуры;

— предохранители от увеличения силы электрического тока свыше допустимых пределов.

Для защиты от механических перегрузок и предотвращения, связанных с этим аварий, используют муфты, ограничители грузоподъемности, регуляторы частоты вращения, срезаемые штифты и шпильки. В сельскохозяйственных машинах широко распространены фрикционные муфты, в которых давление между поверхностями трения создается пружинами, отрегулированными на передачу предельного момента. Муфта срабатывает при перегрузках рабочего органа. Грузоподъемные механизмы снабжают ограничителями грузоподъемности, что исключает опасную перегрузку во время подъема и перемещения груза.

Простейший тип грузового рычажного ограничителя показан на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Схема работы грузового рычажного ограничителя грузоподъемности

При перегрузках крана усилие Р от нажатия ветвей грузового каната 1 превысит величину уравновешивающего момента от груза 4. Рычаг 3 повернется, а его правый конец нажмет на рычаг конечного выключателя 5 и разомкнет цепь управления электродвигателя. Момент срабатывания регулируют передвижением груза G по рычагу. Механизм срабатывает, если будет соблюдаться условие:

(3.6)

Если шкивы и шестерни фиксируются на приводном валу с помощью предохранительных штифтов или шпилек, то при превышении допустимых нагрузок они срезаются и шкив (шестерня) вращается на валу вхолостую. Для возобновления работы механизма необходимо заменить срезанную шпильку (штифт).

Регуляторы частоты вращения работают по принципу автоматического ограничения подачи топлива в цилиндр двигателя и предотвращают опасное нарастание оборотов при неисправностях топливоподающих устройств в двигателях внутреннего сгорания.

Для защиты от перехода движущихся частей машины за установленные пределы и предотвращения, связанных с этим поломок машин, используют концевые выключатели (ограничители хода), остановы, захваты и упоры. Концевые выключатели широко применяют в грузоподъемных механизмах для ограничения пути движения груза как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, на металлорежущих станках – для выключения движения суппорта, для изменения направления движения рабочего органа и т.д.

Для предупреждения аварий (взрывов) механизмы, работающие под давлением пара, газа или жидкости выше атмосферного, снабжают предохранительными устройствами в виде клапанов и мембран. Все паровые котлы, гидравлические и пневматические системы снабжают предохранительными клапанами, которые при превышении давления сверх установленных норм открываются и тем самым сбрасывают избыточное давление пара, жидкости или газа (воздуха).

Конструкции клапанов различны, но назначение у них одно – предупредить аварию и не допустить несчастный случай с обслуживающим персоналом.

Если пренебречь массами рычагов клапанов, то условие, при котором рычажный клапан начнет открываться, будет иметь вид:

(3.7)

а для пружинного клапана:

(3.8)

где a – коэффициент расхода пара через клапан; Н – предельное рабочее давление в сосуде, Па; G – масса подвижного груза, кг; Т – усилие пружины, Н; , – плечи рычага, м; d – диаметр отверстия, м.

Предохранительные клапаны могут эффективно защищать оборудование только при условии, что давление будет нарастать сравнительно медленно, не потребуется большей степени герметичности и не будет коррозионного воздействия среды. В условиях, когда работоспособность предохранительного клапана недостаточна, применяют предохранительные мембраны. На изготовление мембраны идет тонкая металлическая пластина, толщина которой должна быть такой, чтобы при давлении свыше допустимых пределов произошел ее разрыв и разрывная волна вышла в атмосферу.

Предохранительные устройства такой конструкции установлены на некоторых моделях пенных огнетушителей. Для котельных установок мембрану изготовляют из листового асбеста. Конструкция и размеры мембраны должны быть такими, чтобы после ее разрыва была исключена возможность дальнейшего повышения давления в сосуде.

На рисунке 3.5 изображена схема работы предохранительного водяного затвора низкого давления, устанавливаемого на ацетиленовых генераторах для предотвращения их взрыва. При обратном ударе взрывчатая смесь попадает в затвор, при этом часть воды вытесняется по газоотводной трубке 4. Когда обнаружится конец трубки 5, газ начнет выходить в атмосферу. После того как избыток газа выйдет по трубке 5 и давление упадет, затвор начнет нормально работать.

Большую опасность представляет появление электрического тока на частях оборудования, которые при нормальных режимах не находятся под напряжением. Для предотвращения нарастания тока до опасных величин на частях оборудования применяют плавкие предохранители. При достижении силы тока сверх установленных пределов предохранитель расплавляется и прерывает электрическую цепь. На более ответственных установках для защиты применяют автоматические отключатели.

Рисунок 3.5 – Схема работы водяного затвора низкого перепада давления: а) при нормальной работе; б) при обратном ударе; 1 – корпус; 2 – воронка; 3 – запорный клапан; 4 – газоотводящая трубка; 5 – предохранительная трубка; 6 – контрольный клапан

Дата добавления: 2015-01-05 ; просмотров: 22 ; Нарушение авторских прав

Обязательным элементом каждой гидросистемы, функционирующей под высоким давлением, считается предохранительный клапан. Устройство специально предназначено для защиты систем от чрезмерного превышения давления, ограничивая его предельную границу. При приближении к опасной отметке сбросной клапан срабатывает, осуществляя сброс рабочей среды до момента нормализации внутрисистемного давления.

Устройство предохранительных клапанов

Предохранительный клапан – это специальная трубопроводная арматура, функционирующая от рабочей среды. Существуют различные типы предохранительных устройств, но сбросные клапаны пользуются наибольшей популярностью благодаря эффективности работы при относительной несложности конструкции.

Конструкция предохранительного клапана зависит от его типа, но чаще применяются клапаны с пружинным механизмом прямого действия, обязательными компонентами которых являются задатчик с запорным органом. Задатчик отвечает за силовое воздействие на чувствительный элемент, непосредственно связанный с запорным органом, состоящим из запора и седла. В роли затвора обычно выступает золотник, а в качестве задатчика используется стальная пружина.

Принцип работы

Когда клапан пребывает в закрытом положении, чувствительный элемент находится под воздействием рабочего давления системы. Когда в системе начинают возникать процессы, провоцирующие повышение уровня давления выше рабочего, сила притяжения золотника к седлу снижается. В момент, когда сила равняется нулю, наступает уравновешивание рабочих сил от воздействия давления внутри системы и задатчика на чувствительный элемент. Начинается открытие запорного клапана. Если внутрисистемное давление продолжает расти, осуществляется выпуск рабочей среды через открытый клапан. Когда давление в системе постепенно падает и приходит в норму после сброса рабочей среды, запорный орган под воздействием усилия задатчика закрывается.

Чтобы клапан закрылся, давление должно опуститься до отметки на 10-15% ниже, нежели уровень нормального давления в системе. Это связано с тем, что для возвращения запорного элемента в герметичное положение требуется усилие значительно большее, нежели то, которого было достаточно для поддержания его в закрытом положении до момента открытия.

Разновидности клапанов предохранительного типа

Существуют разные типы предохранительных клапанов, которые классифицируются по наличию определенных признаков.

По принципу действия выделяют два типа сбросных клапанов:

• Клапаны прямого действия срабатывают непосредственно под воздействием рабочей среды.
• Клапаны сбросные обратного действия реагируют на силу постороннего источника давления или открываются под воздействием электричества.

По типу подъема замыкающего органа сбросные предохранительные клапаны подразделяют на:

• Устройства пропорционального действия, которые чаще используются для несжимаемой среды, хотя конструкция предусматривает возможность применения для сжимаемых сред. Клапаны открываются пропорционально росту давления в системе, с подъемом затвора клапан сбрасывает рабочую среду равномерно.
• Устройства двухпозиционного действия моментально открываются на полный ход, когда достигается предельное давление клапана. Применяются для сжимаемых сред (пар, воздух, газы).

В зависимости от высоты подъема замыкающего органа:

• Малоподъемные клапаны, высота подъема в которых составляет около 0,05 диаметра седла, характеризуются минимальной пропускной способностью, поэтому не подходят для мощных промышленных систем. Устройства обычно имеют пропорциональный механизм действия и отличаются простотой конструкции.
• В полноподъемных клапанах, которые, как правило, функционируют на основании двухпозиционного механизма, высота подъема устройства равняется или превышает диаметр седла. Клапаны имеют высокую пропускную способность и характеризуются более сложной конструкцией, нежели малоподъемные устройства, поэтому их стоимость выше

По типу оказываемой нагрузки на золотник клапаны сбросные подразделяют на:

• Рычажно-грузовые или грузовые клапаны – устройства, в которых давлению противодействует усилие, создаваемое рычажно-грузовым механизмом. В зависимости от массы груза и длины рычага определяется давление срабатывания и диапазон давлений.
• В пружинных клапанах внутрисистемному давлению противодействует предохранительный пружинный механизм. Сила сжатия стальной пружины определяет давление, при котором срабатывает пружинный механизм. Диапазоны настройки пружинного клапана зависят от упругости пружины. Невысокая цена, простота и надежность конструкции делают пружинные клапаны оптимальным вариантом для различных инженерных систем и маломощных промышленных установок.

Регулировка предохранительных клапанов

Регулировка предохранительного клапана осуществляется после окончания процесса монтажа. При помощи стальной пружины клапан настраивают таким образом, чтобы усилие золотника прижимало устройство к седлу запорного органа и предотвращало несвоевременный сброс рабочей среды. Настройка предохранительного клапана пружинного осуществляется при помощи специального винта. Конструкция предохранительного клапана устроена таким образом, что затяжка пружины сверх установленной величины, полностью исключена.

Преимущества применения предохранительных клапанов

Сбросные клапаны активно используются для предохранения от возникновения неполадок в системах, работающих под высоким давлением.
Преимущества использования клапанов, обеспечивающих нормализацию давления в системе, очевидны:

• Невысокая цена устройства при длительном сроке эксплуатации.
• Простота конструкции и легкость в эксплуатации.
• Несложность монтажа и выбора рабочих настроек.
• Разнообразие типов и габаритных размеров позволяет подобрать наиболее подходящий сбросной клапан в зависимости от технических характеристик системы.
• Возможность использования устройств в агрессивной среде.
• В зависимости от типа устройства бывают клапаны, которые устанавливаются как в горизонтальном, так и в вертикальном положении.

Предохранительный клапан – относительно недорогой и надежный элемент, который является обязательной частью любой системы, работающей под высоким давлением. Правильный выбор предохранительного устройства, профессиональный монтаж, своевременное обслуживание и устранение неполадок обеспечит бесперебойное функционирование системы на протяжении длительного времени.

Предохранительные устройства подразделяются на запорные и сбросные. Предохранительно-запорные устройства (запорные клапаны) — устройства, обеспечивающие прекращение подачи газа, у которых скорость приведения рабочего органа в закрытое положение составляет не более 1 сек. Предохранительно-сбросные устройства (сбросные клапаны) — устройства, обеспечивающие защиту газового оборудования от недопустимого повышения давления газа в сети.

Предохранительно-запорные устройства устанавливают перед регулятором давления газа. Их мембранная головка через импульсную трубку соединена с газопроводом конечного давления. При увеличении конечного давления сверх установленных норм ПЗК автоматически отсекают подачу газа на регулятор.

Предохранительно-сбросные устройства, применяемые в ГРП, обеспечивают сброс избыточного количества газа в случае неплотного закрытия ПЗК или регулятора. Монтируют их на отводящем патрубке газопровода конечного давления, а выходной штуцер подключают к отдельной свече. Если технологический процесс потребителей газа предусматривает непрерывную работу газовых горелок, то ПЗК не устанавливают, а монтируют только ПСК. В этом случае необходимо установить сигнализаторы давления газа, оповещающие о повышении давления газа сверх допустимой величины. Если ГРП (ГРУ) снабжает газом тупиковые объекты, то установка ПЗК необходима.

Рассмотрим наиболее распространенные типы запорных и предохранительных устройств.

ПЗК низкого (ПКИ) и высокого давления (ПКВ) контролируют верхний и нижний пределы выходного давления газа; выпускаются с условными проходами 50, 80, 100 и 200 мм. Клапан ПКВ отличается от клапана ПКН тем, что у него активная площадь мембраны меньше за счет наложения на нее стального кольца.

Принципиальная схема этих клапанов представлена на рисунке ниже.

Предохранительно-запорные клапаны ПКН и ПКВ

1 — штуцер; 2, 4- рычаги; 3, 10- штифты; 5 — гайка; 6 — тарелка; 7, 8 — пружины; 9 — ударник; 11 — коромысло; 12- мембрана

В открытом положении клапан удерживается рычагом , который фиксируется в верхнем положении за штифт крючком анкерного рычага; ударник с помощью штифта упирается в коромысло и удерживается в вертикальном положении.

Импульс конечного давления газа через штуцер подается в подмембранное пространство клапана и оказывает противодавление на мембрану. Перемещению мембраны вверх препятствует пружина. Если давление газа повысится сверх нормы, то мембрана переместится вверх и соответственно переместится вверх гайка. Вследствие этого левый конец коромысла переместится вверх, а правый опустится и выйдет из зацепления со штифтом. Ударник, освободившись от зацепления, упадет и ударит по концу анкерного рычага. Вследствие этого рычаг выводится из зацепления со штифтом, и клапан перекроет проход газа. Если давление газа понизится ниже допустимой нормы, то давление газа в подмембранном пространстве клапана становится меньше усилия, создаваемого пружиной, опирающейся на выступ штока мембраны. В результате мембрана и шток с гайкой переместятся вниз, увлекая конец коромысла вниз. Правый конец коромысла поднимется, выйдет из зацепления со штифтом и вызовет падение ударника.

Рекомендуется следующий порядок настройки. Сначала клапан настраивают на нижний предел срабатывания. Во время настройки давление за регулятором следует поддерживать несколько выше установленного предела, затем, медленно снижая давление, убедиться, что клапан срабатывает при установленном нижнем пределе. При настройке верхнего предела необходимо поддерживать давление немного больше настроенного нижнего предела. По окончании настройки нужно повысить давление, чтобы убедиться, что клапан срабатывает именно при заданном верхнем пределе допустимого давления газа.

Предохранительно-запорный клапан ПКК-40М.

В шкафных ГРУ (рисунок ниже) устанавливают малогабаритный ПЗК ПКК-40М. Этот клапан рассчитан на входное давление 0,6 МПа.

Схема обвязки шкафной ГРУ с ПЗК ПКК-40М

а — принципиальная схема: 1 — входной штуцер; 2 — входной клапан; 3 — фильтр; 4 — штуцер для манометра; 5 — клапан ПКК-40М; 6 — регулятор РД-32М (РД-50М); 7 — штуцер замера конечного давления; 8 — выходной клапан; 9 — сбросная линия встроенных в регуляторы предохранительных клапанов; 10 — импульсная линия конечного давления; 11 — импульсная линия; 12 — штуцер с тройником; 13 — манометр; б — разрез клапана ПКК-40М: 1, 13 — клапаны; 2 — штуцер; 3, 11 — пружины; 4 — резиновое уплотнение; 5, 7 — отверстия; 6, 10 — мембраны; 8 — пусковая пробка; 9 — импульсная камера; 12 — шток

Для открытия клапана отвинчивают пусковую пробку, после чего импульсная камера клапана сообщается с атмосферой через отверстие. Под действием давления газа мембрана, шток и клапан перемещаются вверх, при этом, когда мембрана находится в крайнем верхнем положении, отверстие в штоке клапана прикрывается резиновым уплотнением и поступление газа из корпуса в импульсную камеру прекращается. Затем пусковую пробку завинчивают. Через открытый клапан газ поступает на регуляторы давления и по импульсной трубке — в камеру. Если давление газа за регуляторами повысится сверх установленных пределов, то мембрана, преодолевая упругость пружины, переместится вверх, в результате чего отверстие, прикрытое ранее резиновым уплотнением, откроется. Верхняя мембрана, поднимаясь, упирается своим диском в крышку, а нижняя под действием пружины и массы клапана со штоком опускается вниз, и клапан закрывает проход газа.

Клапан предохранительно-запорный КПЗ (рисунок ниже) устанавливается перед регулятором давления газа. Его верхний предел срабатывания не должен превышать номинальное рабочее давление после регулятора более чем на 25%, а нижний предел срабатывания в правилах не установлен, так как эта величина зависит от потерь давления в подводящем газопроводе и от диапазона регулирования.

Клапан предохранительно-запорный КПЗ

1 — корпус; 2 — клапан с резиновым уплотнителем; 3 — ось; 4, 5 — пружины; 6 — рычаг; 7 — механизм контроля; 8 — мембрана; 9 — шток; 10, 11 — пружины настройки; 12 — упор; 13, 14 — втулки; 15 — наконечник; 16 — рычаг

Принцип работы КПЗ состоит в следующем:

• в рабочем положении рычаги клапана в зацеплении и в упоре с наконечником штока мембранной головки, а клапан КПЗ открыт;
• при изменении давления газа выше или ниже допустимого мембрана прогибается и перемещает шток соответственно изменению давлению вправо или влево вместе с наконечником;
• рычаг выходит из касания с наконечником, при этом нарушается зацепление рычагов и под действием пружин ось закрывает клапан;
• входное давление газа поступает на клапан и плотнее прижимает его к седлу.

Сбросные предохранительные устройства, в отличие от запорных, не перекрывают подачу газа, а сбрасывают его часть в атмосферу, за счет чего снижается давление в газопроводе.

Существует несколько видов сбросных устройств, различных по конструкции, принципу действия и области применения: гидравлические, рычажно-грузовые, пружинные и мембранно-пружинные. Некоторые из них применяют только для низкого давления (гидравлические), другие — как для низкого, так и для среднего давления (мембранно-пружинные).

Предохранительно-сбросной клапан ПСК. Мембранно-пружинный ИСК (рисунок ниже) устанавливают на газопроводах низкого и среднего давлений. Клапаны ПСК-25 и ПСК-50 отличаются один от другого только габаритами и пропускной способностью.

Предохранительно-сбросной клапан ПСК

1 — регулировочный винт; 2 — пружина; 3 — мембрана; 4 — уплотнение; 5 — золотник; 6 — седло

Газ из газопровода после регулятора поступает на мембрану клапана. Если давление газа оказывается больше давления пружины снизу, то мембрана отходит вниз, клапан открывается и газ идет на сброс. Как только давление газа станет меньше усилия пружины, клапан закрывается. Сжатие пружины регулируют винтом в нижней части корпуса. Для установки ПСК на газопроводах низкого или высокого давления подбирают соответствующие пружины.

Золотник сбросного клапана ПСК-25 имеет форму крестовины и перемещается внутри седла, В ПСК-50 золотник клапана снабжен профилированными окнами. Надежность работ клапана ПСК во многом зависит от качества сборки.

При сборке необходимо:

• очистив клапанное устройство от механических частиц, убедиться, что на кромке седла и уплотняющей резине золотника нет царапин или забоев;
• добиться соосности расположения золотника сбросного клапана с центральным отверстием мембраны;
• для проверки соосности ослабить или вынуть пружину и, нажимая на золотник через отверстие сброса, убедиться, что он свободно перемещается внутри седла.

Предохранительно-сбросной клапан ППК-4.

Пружинный предохранительный клапан среднего и высокого давлений ППК-4 (рисунок ниже) выпускается промышленностью с условными проходами 50, 80, 100 и 150 мм. В зависимости от диаметра пружины 3 он может настраиваться на давление 0,05-2,2 МПа.

Предохраниетльно-сбросной клапан ППК-4

1 — седло клапана; 2 — золотник; 3 — пружина; 4 — регулировочный винт; 5 кулачок

Газовые фильтры.

В ГРУ с условным проходом до 50 мм устанавливают угловые сетчатые фильтры (рисунок ниже), в которых фильтрующий элемент — обойма, обтянутая мелкой сеткой. В ГРП с регуляторами с условным проходом более 50 мм применяют чугунные волосяные фильтры (рисунок ниже). Фильтр состоит из корпуса, крышки и кассеты. Обойма кассеты с обеих сторон обтянута металлической сеткой, которая задерживает крупные частицы механических примесей. Более мелкая пыль оседает внутри кассеты на прессованном волокне, которое смазывают специальным маслом.

Газовые фильтры

а — угловой сетчатый; б — волосяной: 1 — корпус; 2 — крышка; 3 — сетка; 4 — прессованное волокно; 5 — кассета

Кассета фильтра оказывает сопротивление потоку газа, что вызывает перепад давлений до фильтра и после него. Повышение перепада давления газа в фильтре более 10 ООО Па не допускается, так как это может вызвать унос волокна из кассеты.

Чтобы уменьшить перепады давления, кассеты фильтра рекомендуется периодически очищать (вне здания ГРП). Внутреннюю полость фильтра следует протирать тряпкой, смоченной в керосине.

В зависимости от типа регуляторов и давления газа применяют различные конструкции фильтров.

На рисунке ниже показано устройство фильтра, предназначенного для ГРП, оборудованного регуляторами РДУК. Фильтр состоит из сварного корпуса с присоединительными патрубками для входа и выхода газа, крышки и заглушки. Со стороны входа газа внутри корпуса приварен металлический лист, защищающий сетку от прямого попадания твердых частиц. Твердые частицы, поступающие с газом, ударяясь в металлический лист, собираются в нижней части фильтра, откуда их периодически удаляют через люк. Внутри корпуса имеется сетчатая кассета, заполненная капроновой нитью.

Фильтры сварные

а — фильтр к регуляторам РДУК: 1 — сварной корпус; 2 — верхняя крышка; 3 — кассета; 4 — люк для чистки; 5 — отбойный лист; б — фильтр-ревизия: 1 — выходной патрубок; 2 — сетка; 3 — корпус; 4 — крышка

Оставшиеся в потоке газа твердые частицы фильтруются в кассете, которая по мере необходимости прочищается. Для очистки и промывки кассеты верхнюю крышку фильтра можно снимать. Для замера перепада давления используют дифференциальные манометры. Перед ротационными счетчиками устанавливают дополнительные фильтрующие устройства — фильтр-ревизию (рисунок выше).