С.В.Сейнов - президент-научный руководитель НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС», д.т.н., профессор, академик РАПК.
 
Конструктивные усовершенствования предохранительных клапанов. Унификация элементов затвора
 
Клапаны предохранительные относятся к арматуре воз­вратно-поступательного типа. Они являются преобладающим типом предохранительной арматуры (рис. 1). Одним из основных требований, предъявляемых к предохранительным клапа­нам, являются герметичность, а также малая разница давлений в на­чале и при полном открытии затвора клапанов.
Особое значение герметичность предохранительного клапана приобретает в случае применения его в системах с малыми рас­ходами, соизмеримыми с утечками в затворе клапана.
 
Рис. 1. Предохранительный полноподъем­ный клапан
Унификация элементов затвора. В редких случаях в предохра­нительных клапанах отсутствуют сопла и уплотнительная поверх­ность создается непосредственно на корпусе. Такая практика не оправдывает себя по следующим причинам:
1) сопло изготавливается из износостойкой стали, что увеличи­вает его долговечность;
2) выполнить механическую обработку и притирку сопла для создания качественной уплотнительной поверхности у вставного сопла значительно проще;
3) уплотнительная поверхность вставного сопла меньше под­вержена деформации в результате термического расширения корпуса. Кроме того, при наличии вставного сопла повышается ремонтопригодность затвора клапана.
 
Исследованиями истечения газов у предохранительных клапа­нов установлено, что наилучшими свойствами обладает сопло Ла­валя. Однако на практике такое сопло применить довольно труд­но, тем не менее полноподъемные предохранительные клапаны высокой производительности имеют форму приемного патрубка и сопла, приближенную (насколько это возможно по конфигурации) к соплу Лаваля.
 
Как правило, сопла предохранительных клапанов соединяются с корпусом на резьбе (рис. 2).
Другая, не менее ответственная деталь предохранительного клапана — золотник. Наиболее важным элементом золотников предохранительных клапанов являются уплотнительные поверхности. Подробно об уплотнительных поверхностях будет сказано ниже, когда рассма­триваются вопросы герметичности затвора предохранительных клапанов.
Рис. 2. Соединение сопла предохранительного клапана с корпусом:
1 — корпус; 2 — сопло; 3 — нижняя регулировочная втулка; 4 — наплавка твер­дого сплава; 5 — стопорный винт
 
Для обеспечения правильного движения золотника в вертикаль­ном направлении при его подъеме золотник снабжается направля­ющими. В рычажных и малоподъемных предохранительных кла­панах золотник, как правило, имеет нижнее направление в виде крыльчатки, скользящей по внутреннему диаметру сопла. Такая конструкция отличается простотой, но имеет существенные недостатки. Крыльчатка, находящаяся в сопле, значительно сужает его живое сечение, поэтому такой клапан не может иметь высокую про­изводительность. Кроме того, направляющие постоянно контакти­руют с рабочей средой, в результате чего образовавшаяся коррозия или накипь может привести к заклиниванию золотника. Поэтому у пружинных предохранительных клапанов, как правило, применяется верхнее направление золотника (рис. 3), осуществляемое цилиндрической направляющей втулкой, в которой перемещается золотник при срабатывании клапана. Высота направления принимается равной 1—1,5 диаметра золотника. При обеспечении тако­го направления у предохранительных клапанов, предназначенных для работы со средами при высоких температурах, необходимо учитывать разницу теплового расширения золотника и направля­ющей втулки, и во избежание заклинивания золотника обеспечить гарантированный зазор между золотником и втулкой.
 
Рис. 3. Верхнее направление золот­ника предохранительного клапана:
1 — сопло; 2 — уплотнительная твердо­сплавная поверхность сопла; 3 — уплот­нительная наплавка на золотнике; 4 — золотник; 5 — направляющая втулка; 6 — подушка; 7 — шарик; 8 — шток
 
Контакт золотника со штоком осуществляется посредством ша­ровой пяты, что обеспечивает центральное действие штока незави­симо от возможных его перекосов. Рекомендуется точку контакта золотника со штоком конструктивно располагать ниже плоскости уплотнительных поверхностей. Это необходимо для предотвраще­ния перекосов золотника, так как в этом случае создаются условия для самоустановки золотника.
 
Для пояснения этого положения рассмотрим работу золотни­ка при различных положениях точки контакта со штоком. На рис. 4, а точка контакта расположена выше плоскости уплот­нительных поверхностей. В этом случае, при повороте золотника вокруг точки О, момент силы, действующей снизу, будет опро­кидывать золотник и равняться ра. Момент силы, передаваемой штоком, будет стремиться восстановить положение золотника и равняться Qb. Очевидно, что момент опрокидывающий больше мо­мента восстанавливающего и поэтому золотник перекашивается. Если точка контакта расположена ниже уплотнительных поверхно­стей (рис. 4, б), то происходит обратное, т. е. pa>Qb и золотник стремится к самоустановке.
 
Рис. 4. Схема расположения точек контакта штока с золотником:
а — контакт выше плоскости уплотнительных поверхностей; б — контакт ниже плоскости уплотнительных поверхностей
 
Усилие от пружины или груза на золотник передает шток кла­пана. Его перемещение при срабатывании определяется направ­ляющими, которые, как правило, расположены выше и ниже пружины. На конце штока находится втулка из закаленной стали или запрессованный шарик. Связь штока с золотником нежесткая, т. е. золотник имеет возможность поворачиваться или наклоняться на некоторый угол без воздействия на шток.
 
Важно особо подчеркнуть, что рассмотрение вопросов кон­структивного улучшения предохранительных клапанов следует концентрировать на обеспечении герметичности в затворе, поскольку этот вопрос является важным при их эксплуатации. Са­мым же важным является безусловное срабатывание предохранительного клапана при установочном давлении и обеспечение необходимой пропускной способности без превышения давления, оговоренного правилами Ростехнадзора.
 
Предохранительный клапан является уравновешенной систе­мой с незначительным превышением усилия от пружины или гру­за над силой давления среды. В связи с этим вопросы обеспечения герметичности предохранительных клапанов при работе играют особую роль. Это особенно важно для арматуры АЭС, где утечки среды через закрытый предохранительный клапан приводят к загрязнению атмосферы и влияют на общую безопасность станций.
 
Помимо потерь среды, утечки вызывают эрозию уплотнитель­ных поверхностей элементов затвора предохранительного клапана. Скорость среды при этом весьма велика, так как сброс происходит в систему с низким давлением при отводе утечек (но чаще всего, если допустимо, в ат­мосферу). В то же время при дросселировании среды через течи в результате возникающей разности температур, происходит коробление металла уплотнительных поверхностей предохранительного клапана, что в свою очередь увеличивает утечку. Особенно трудно достичь герметичности по­сле того, как предохранительный клапан открылся, так как для прекращения потока требуется усилие значительно большее, чем для поддержания уже имевшейся герметичности. Во время срабатывания предохранительного клапана, по­мимо эрозии уплотнительных поверхностей, на них может обра­зоваться накипь, что также приводит к ухудшению герметичности при закрытии.
 
Абсолютно герметичное соединение в затворе предохранитель­ных клапанов по классу А ГОСТ 9544—2015 создать весьма труд­но. При исследованиях предохранительных клапанов высокого давления было установлено, что утечки появляются при давлениях несколько меньших, чем давление открытия предохранительного клапана, а восстанов­ление герметичности, как правило, происходит при давлениях, расположенных ниже области давления закрытия. На представленной кривой (рис. 5) утечек пара через предохранительный клапан видно, что утечки возникли при давлении 6,3 МПа, в то время как клапан открылся при давлении 6,75 МПа. Закрытие клапана про­изошло при давлении 6,5 МПа, однако утечки при этом прекрати­лись только при снижении давления до 5,5 МПа.
Рис. 5. График утечек пара через предохранительный клапан при его срабатывании
 
Необходимо учитывать, что для обеспечения заданной герме­тичности затвора предохранительного клапана, его тип и конструкция, а также обработка уплот­нений элементов должны выбираться и производиться с учетом рабочей среды. Так, для сухих газов требуется более тонкая финиш­ная обработка уплотнений.
 
Уплотнительные поверхности элементов затворов предохрани­тельных клапанов обычно выполняют в виде двух плоских кольце­вых поверхностей (рис. 6). Для предотвращения эрозии уплотнительные поверхности наплавляют нержавеющими сталями или твердыми сплавами. Для лучшей работы предохранительного клапана ширина контакта уплотнительных поверхностей должна быть минимальной. В этом случае наилучшие результаты могут быть получены при примене­нии ножевого уплотнения, однако необходимо учитывать, что при отсутствии давления среды вся сила пружины действует на золот­ник предохранительного клапана, создавая на уплотнительных поверхностях весьма высокие контактные давления. Практически ширина уплотнитель­ных поверхностей не принимается меньше 1—1,5 мм.
Рис. 6. Рекомендуемая форма уплотнительных поверхностей предохранительного клапана при различной твердости золотника и сопла (золотник более мягкий):
1 — верхняя регулировочная втул­ка; 2 — золотник; 3 — направляю­щая втулка; 4 — седло из твердого сплава; 5 — сопло; б — нижняя регулировочная втулка
 
Трудность обеспечения герметичности затвора предохранительного клапана заключается также в том, что предохранительный клапан, как правило, может быть отрегулирован на различное установочное давление. Например, предохранительный клапан с номи­нальным давлением 4 МПа может иметь установочное давление 0,05—4 МПа. В то же время ширина уплотнительных поверхно­стей остается одинаковой во всех случаях. Если учесть, что предохранительные клапа­ны считаются герметичными в случае отсутствия утечки воздуха при давлении, равном 0,95 установочного, контактное давление в рассматриваемом диапазоне будет изменяться от 0,015 до 0,6 МПа. Проведенные эксперименты по определению герметичности об­щепромышленных предохранительных клапанов показали, что при отработанной технологии обработки на уплотнительных по­верхностях контактного давления 0,01—0,015 МПа вполне доста­точно для обеспечения герметичности затвора при работе на воз­духе.
 
Таким образом, во время эксплуатации предохранительного клапана для достижения герметичности необходимо уменьшать до минимума площадь уплотнительных поверхностей при давлениях, близких к давлению открывания, и при отсутствии давления уплот­нительные поверхности должны быть достаточными во избежание возникновения чрезмерных напряжений от усилия пружины.
 
Рис. 7. Схема работы гибкого золотника: а — давление среды р близко к установочному; б — давление среды р отсутствует или незначительно; 1 — седло; 2 — золотник
 
Известен так называемый гибкий золотник (рис. 7). У этого золотника площадь контакта изменяется в зависимости от дав­ления среды. При отсутствии давления площадь увеличивается, благодаря чему удается избежать чрезмерных контактных напря­жений, а при давлениях, близких к давлению открытия предохранительного клапана, площадь контакта уменьшается, что обеспечивает достаточную герметичность в затворе.
 
Специалистами НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС» разработаны испытательные стенды,  предназначенные для пневматических и гидравлических испытаний на установочное давление при настройке (тарировании) предохранительных клапанов и пневматических испытаний рабочим давлением: на герметичность затвора настроенного клапана; на герметичность соединения корпус-седло.
Также разработаны испытательные стенды для испытания пружин сжатия предохранительных клапанов.
 
Описание и характеристики испытательных стендов для предохранительных клапанов приведены на сайте НПО "ГАКС-АРМСЕРВИС" в разделе «Испытательное оборудование».