ООО «Техподдержка». Асеев О.И. Клапаны СППК6: миф или реальность?

Но прежде всего нам необходимо будет периодически делать несколько небольших экскурсов в историю производства клапанов предохранительных.

Итак, история советского производства клапанов знает случаи применения различных диаметров седел на клапанах одного диаметра и давления, при этом их максимальные диаметры проточной части dc не превышают ныне применяемых максимальных диаметров, лежащих в области не более 72 % от номинального диаметра (или на 28 % меньше номинального диаметра) в зависимости от номинальных давлений.

Однако советская унификация и модернизация изделий в плановой погоне постоянной борьбы за технологичность взамен себестоимости и обратно в конечном счете привели к формированию устоявшихся к концу прошлого века стандартных позиций. Этому также способствовало торможение развития нефтепереработки от устоявшихся в последние десятилетия технологий после достаточно значительного прорыва.

Советский рынок потребления данной продукции не требовал ужесточения требований к качеству, безопасности, работоспособности, надежности и экономичности. Требования к выпускаемым на тот момент клапанам считались более чем достаточными.

Зарубежные же производители, наоборот, пошли по пути как раз таки более рационального применения в плане упрощения технологии производства путем унификации одного корпуса с набором седел различных диаметров.

Это позволяло минимизировать затраты на изготовление путем экономии на производстве широкой номенклатуры технологической оснастки или необходимости покупки дополнительного громоздкого и дорогостоящего оборудования для обработки большой номенклатуры корпусных деталей, а также возможность загрузить имеющееся оборудование серийно унифицированными изделиями на «полную катушку» без простоев.

Использование же седел различных диаметров было обусловлено более жесткими требованиями безопасности к объектам установки, а также требованиями экономичности к сбросу аварийной рабочей среды. Кроме того, это также позволяло унифицировать и упростить монтаж на объектах за счет использования стандартизованных линеек трубной продукции и фланцев.

Особенно сильно на зарубежных изделиях это отразилось в разработке и дальнейшем развитии компактных пилотных (импульсных) клапанов предохранительных. Во-первых, обычные предохранительные клапаны довольно сложно изготовить с большой точностью без значительного увеличения затрат, а сложность конструкции «пилотов» скрадывает данное увеличение.

Во-вторых, пилотные клапаны (рис. 1) при сложности конструкции их управляющего клапана имеют более компактные размеры, а также содержат в конструкции один из двух (пропорциональный или двухпозиционный, а в большинстве случаев вообще один стандартный) унифицированных управляющих клапанов на всю линейку типоразмерных рядов.

В-третьих, при сложности конструкции пилотные клапаны более надежны, безынерционны в работе и экономичны, что позволяло им окупаться в условиях зарубежной экономики.

Таким образом, пилотные клапаны вытеснили с ответственных производств стандартные пружинные клапаны, которые стали использоваться на не очень критичных позициях или там, где объем сброса среды не сказывался на экономических показателях. При этом в стандартные ряды, в зависимости от номинальных размеров и параметров, используются седла с диаметрами в соответствии с таблицами 1 и 2.

К сожалению, отечественное машиностроение не пошло по аналогичному пути развития, и импульсные клапаны нашли свое отражение только в теплоэнергетике, да и то закончились разработками в 70-х годах прошлого столетия громоздким оборудованием. Использование таких клапанов в нефтехимии было экономически и технически нецелесообразным по многим показателям.

Из анализа размеров по таблицам можно сделать вывод, что максимальные диаметры проточных частей dc применяемых седел по зарубежным стандартам лежат в пределах 70-84 % (за исключением седла R на DN 150) от номинального диаметра клапана (или на 16-30 % меньше номинального диаметра седла).

Обусловлено это требованиями к увеличению скорости потока рабочей среды, истекающей через сужающееся сечение седла для мгновенного его поднятия на заданную высоту, что характерно для двухпозиционных клапанов. С этой целью седлам и стараются придавать форму в виде суживающихся сопел, которые широко применяются для создания потоков дозвуковых и околозвуковых скоростей. Более подробно останавливаться на данном аспекте не имеет смысла, т. к. его более или менее полное освещение можно найти в технической литературе.

Но давайте рассмотрим работу различных типов клапанов для дальнейшего изучения поставленного вопроса.

По виду зависимости изменения хода запорного органа от изменения давления на входе в клапан (по характеру подъема золотника или тарелки) клапаны делятся на:

• пропорциональные (статические, моделирующие, перепускные);
• двухпозиционные (астатические, с мгновенным открытием, подрывные);
• комбинированные.

Для изучения нашего вопроса рассмотрим только первые два типа.

Клапаны пропорционального действия имеют пропорциональную характеристику подъема, т. е. открытие клапана (подъем золотника) с повышением давления в системе Рί над давлением начала открытия Рно происходит равномерно, пропорционально повышению давления в системе (возрастанию давления на входе в клапан).

Рί≥Рно (1)
С подъемом золотника равномерно увеличивается пропускная способность клапана.

0≤Gί кл≤Gкл (2)
При этом каждому значению давления Рί соответствуют определенная величина хода золотника hί и определенная пропускная способность Gί кл.

Открытие и закрытие пропорционального предохранительного клапана происходит в соответствии с диаграммой рисунка 2.

Пропорциональная работа обеспечивается конструкцией клапана, при которой сила, создаваемая статическим давлением и давлением от движения рабочей среды, действует в процессе хода золотника. Эти клапаны обладают по меньшей мере тремя неоспоримыми преимуществами по сравнению с клапанами двухпозиционного действия: относительной простотой конструкции, возможностью использования для жидких и газообразных сред и способностью открываться именно на тот ход золотника h, который требуется для обеспечения фактического аварийного расхода Gί кл, т. е. пропорциональностью характеристики:

h=f(Рί ) (3)
Ограничивающим (лимитирующим) сечением в проточной части пропорциональных клапанов является щель, образованная уплотнительной поверхностью седла и плоскостью поднятого над ним золотника, либо торцовой плоскостью направляющей втулки.

В связи с тем, что при заданных превышениях рабочего давления ход золотников клапанов этого типа обычно не превышает 1/20 от диаметра седла клапана dс, предохранительные клапаны пропорционального действия относят к малоподъемным клапанам.

В клапанах двухпозиционного действия после небольшого повышения давления в диапазоне от давления начала открытия и выше (в пределах 5 % Рн ) золотник скачком достигает подъема на заданную величину h или на его большую часть практически без изменения давления среды.

h≥0,25∙dс (4)
Открытие и закрытие двухпозиционного предохранительного клапана происходит в соответствии с диаграммой рисунка 3.

Для достижения автоматического полного подъема здесь используется энергия расширения пара или газа. Двухпозиционная работа обеспечивается конструкцией клапана, при которой в момент отрыва золотника от уплотнительной поверхности седла клапана к статическому давлению рабочей среды, действующему на площадь золотника, ограниченную наружным диаметром седла, подключается дополнительная подъемная сила, связанная с воздействием статического давления и массы движущейся рабочей среды на дополнительные площади золотника и верхнего регулировочного кольца.

Высокие значения пропускной способности и коэффициента расхода создаются путем использования профилированного сопла на входе, выбора оптимальных соотношений проточной части и конфигурации последней с таким расчетом, чтобы были созданы наилучшие условия для истечения потока рабочей среды, устраиваются специальные золотники, диски, регулировочные кольца или поршни для использования напора истекающей среды.

Достоинством предохранительных клапанов двухпозиционного действия является быстрота срабатывания на полный ход золотника и возможность обеспечения высоких значений пропускной способности при сравнительно малых превышениях давления в защищаемой системе.

Ограничивающим (лимитирующим) сечением является минимальное сечение в седле клапана.

Клапаны шестого поколения (как следует из рекламы производителей) предназначены для обеспечения безопасности эксплуатации оборудования (сосудов, аппаратов и трубопроводов, избыточное давление которых составляет свыше 0,07 МПа (0,7 кгс/см2)) и его защиты от механических разрушений избыточным давлением путем автоматического выпуска избытка рабочей среды с давлением сверх установленного при высокой пропускной способности за счет увеличенной эффективной площади проточной части седла относительно стандартных клапанов предыдущих поколений.

Клапаны этого поколения все двухпозиционные, т. к. пропорциональные клапаны, исходя из выше описанных характеристик, имеют иное предназначение по сбросу рабочей среды и увеличения пропускной способности не требуют.

Таким образом, для успешной работы двухпозиционных клапанов основное значение имеет конфигурация седла, предусматривающая его сужение. Иначе увеличить скорость истечения среды и обеспечить мгновенный подъем золотника просто невозможно, а увеличить диаметр проточной части седла до номинального входного диаметра – это фактически превратить двухпозиционный клапан в пропорциональный с нестабильной характеристикой работы.

Более или менее работоспособные двухпозиционные клапаны должны иметь максимальные диаметры проточной части седла dc, лежащие в области не более 80 % от номинального диаметра клапана (или на 20 % меньше номинального диаметра).

Как крайний случай возможно диаметры проточных частей седел увеличить до 90 % от номинального диаметра (или на 10 % меньше номинального диаметра), однако это потребует усложнения конструкции и технологии изготовления всего запорного узла и отдельных деталей, а значит, произойдет резкое удорожание себестоимости изделия, т. к. условие заужения седла является самым важным, но не единственным фактором, влияющим на скорость срабатывания клапана.

Что же мы имеем по факту от рекламируемых производителями клапанов нового шестого поколения? Из приводимых технических и рабочих характеристик можно сделать вывод, что максимально применяемые площади сечений СППК6 лежат в области от 95 % от номинальных диаметров клапанов, а в худшем случае равны им! То есть данные типы седел неэффективны для заданных условий эксплуатации.

Из анализа размеров по таблицам 1 и 2 также можно сделать вывод, что максимальные диаметры проточных частей dc дополнительной номенклатуры седел также лежат в пределах 90-96 % от номинального диаметра клапана. При этом данные клапаны работают по несколько иному принципу действия и могут обеспечить стабильную работу изделия. Однако необходимо учесть, что зарубежными компаниями пилотные клапаны с такими диаметрами седел не используются ввиду отсутствия сертификации из-за несоответствия стандарту.

Кроме всего прочего, характеристики клапанов нового поколения (коэффициенты расхода, максимальная пропускная способность, высота подъема золотника, работоспособность) несомненно и в обязательном порядке должны подтверждаться испытаниями на специализированных стендах. К большому сожалению, в России в настоящий момент нет такого оборудования для испытаний, однако в г. Курган проработка такого вопроса уже началась, и в ближайшее время может появиться специализированный испытательный центр, охватывающий все возможные виды испытаний. Ведь никакое программное обеспечение не может заменить реальных испытаний «железа».

Программное обеспечение может только облегчить труд конструктора при проектировании, но никак не заменит и не подтвердит работу образца, т. к. «взаимодействует» с идеальным материалом – графическим 3D-продуктом. А что в реальности произойдет со среднестатистически изготовленным клапаном с учетом всех возможных допусков, отступлений и даже допустимого брака?

Резюмируя все вышесказанное, с сожалением необходимо отметить, что пока нет безусловных лидеров производства клапанов шестого поколения, как фактически и самих клапанов с подтвержденными характеристиками и параметрами. Данный продукт, увы, пока еще «сырой». Никто не умоляет стремления к разработкам нового, только необходимо это делать разумно, оглядываясь на опыт прошлого, но обязательно смотреть в будущее.

И за стремление к новому можно только поблагодарить производителей, пытающихся «взвалить на свои плечи» тяжкий труд первопроходцев. Первым всегда нелегко, тем более во время всеобщего безразличия к промышленному развитию и поездках на «старых телегах», производя не совсем актуальное оборудование при возрастающих требованиях к параметрам и характеристикам.

Работы над созданием новых клапанов шестого поколения, несомненно, необходимо продолжать и улучшать их характеристики. Это позволит диверсифицировать отечественное производство, остановить поставки из-за рубежа и избавиться от дорогостоящего оборудования, иногда сомнительной необходимости его установки.

Правда, делать это надо быстро, т. к. идея может померкнуть перед проектируемыми и начинающими уже внедряться новыми интеллектуальными клапанами седьмого и восьмого поколений.

Литература

1. Кондратьева, Т.Ф. Предохранительные клапаны / Т.Ф. Кондратьева. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л. : Машиностроение. Ленинградское отделение, 1976. – 232 с.
2. Сурис, П.Л. Предохранительные и обратные клапаны паротурбинных установок/ П.Л. Сурис. – М. : Энергоиздат, 1982. – 192 с.
3. Дейч, М.Е. Техническая газодинамика/ М.Е. Дейч. – 2-е изд., перераб. – М., Л. : Госэнергоиздат, 1961.
4. Каталог пилотных предохранительных клапанов LESER


Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 3 (59) 2020