Беспружинная пневмогидроарматура с уплотнительными затворами различной физической природы

ОГЛАВЛЕНИЕ
СОКРАЩЕНИЯ......................................................... 6
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 8
1. ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ БЕСПРУЖИННОЙ ЗАПОРНОЙ ПНЕВМОГИДРОАРМАТУРЫ С РАЗНОТИПНЫМИ УПЛОТНИТЕЛЬНЫМИ ЗАТВОРАМИ..........................’.............................. 13
1.1. Мембранно-предохранительные устройства..................... 14
1.1.1. Назначение, выбор и расчет предохранительных мембран 14
1.1.2. Конструктивное исполнение предохранительных мембран 25
1.1.2.1. Разрывные мембраны........................... 25
1.1.2.2. Хлопающие мембраны........................... 32
1.1.2.3. Ломающиеся мембраны.......................... 35
1.1.2.4. Срезные мембраны............................. 37
1.1.2.5. Отрывные мембраны............................ 39
1.1.2.6. Специальные предохранительные мембранные устройства............................................ 43
1.2. Беспружинная грузовая и рычажно-грузовая клапанная пневмогидроарматура............................................. 53
1.2.1. Предохранителыю-рсгулирующая клапанная пневмогидроарматура и принципы ее выбора для работы в составе пневмогидросистемы.......................................... 55
1.2.2. Конструктивное исполнение беспружинной грузовой и
рычажно-грузовой пневмогидроарматуры.................. 67
1.2.2.1. Рычажно-грузовые предохранительные клапаны 68
1.2.2.2 Рычажно-грузовые регуляторы давления.......... 72
1.2.2.3. Беспружинные рычажно-грузовые электропневмоклапаны .............................................. 79
1.3. Беспружинные у пру го деформируемые эластомерные клапаны 90
2
1.3.1 Предохранительно-редуцирующие клапаны...............
1.3.1.1. Предохранительно-редуцирующие клапаны на базе
герметичных упругих эластомеров...............
1.3.1.2 Предохранительно-редуцирующие клапаны на базе
упругопористых эластомеров.....................
1.3.1.3. Предохранительно-редуцирующие клапаны на базе комбинирования упругих герметичных и
упругопористых эластомеров....................
1.3.2. Регулирующие клапаны с уплотнительным соединением «герметичный упругий эластомер - упругопористый эластомер»...............................................
1.4. Клапанная пневмогидроарматура с элементами из упругопористого истканного металлического материала............................
1.4.1. Предохранительные клапаны..........................
1.4.2. Редуцирующие клапаны................................
1.5. Беспружинная предохранительно-регулирующая пневмогидро-арматура с магнитными твердотельными и жидкостными уплотнительными затворами......................................
1.5.1. Предохранительные магнитные клапаны.................
1.5.2. Регулирующие магнитные устройства...................
1.5.3. Беспружинная пневмогидроарматура на базе магнитных жидкостей.............................................
1.6. Результаты обзора, цели и задачи исследования............
2. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
БЕСП РУ ЖИННЫХ ЭЛЕКТРОПНЕВМОКЛАПАНОВ НА КОМПРОМИССНЫЙ ВЫБОР ИХ ПОЛЯРНО ВЛИЯЮЩИХ ДРУГ НА ДРУГА ПАРАМЕТРОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ...................................................
2.1. Общие сведения о выходных параметрах электропневмоклапанов...
2.2. Оценка полярной взаимосвязи выходных параметров клапанных
93
93
105
108
110
112
114
116
119
120 123
125
129
133
133
уплотнений............................................ 140
2.3. Особенности компромиссного выбора пределов полярно влияющих друг на друга выходных параметров ЭПК при изменении условий эксплуатации............................................. 144 '
2.4. Выводы.............................................. 149
3. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕСПРУЖИННЫХ
ЭЛЕКТРОПНЕВМОКЛАЛАНОВ.................................... 151
3:1. Мембранно-грузовой электропневмоклапан.............. 151
3.2. Рычажный мембранно-грузовой электропневмоклапан..... 162
3.3. Безмембранный электропневмоклапан с рычажным дифференциально-поршневым задатчиком нагрузки...... 172
3.4 Выводы............................................... 186
4. АНАЛИЗ. ВЛИЯНИЯ КОМПРОМИССНОГО ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БЕСПРУЖИННЫХ
ЭЛЕКТРОПНЕВМОКЛАПАНОВ НА ИХ РАБОЧИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ...........................................188
4.1. Влияние конструктивных параметров электропневмоклапана с рычажным дифференциально-поршневым задатчиком нагрузки на быстродействие........................................... 188
4.2. Особенности компромиссного выбора рабочих характеристик электропневмо клапанов............................. 193
4.3. Выводы............................................. 195
5. РЕЗУЛЬТАТЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ НОВЫХ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ СОЗДАНИЯ. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНБ1Х КОНСТРУКЦИЙ БЕСПРУЖИННЫХ ТИПОВ ПНЕВМОГИДРОАРМАТУРЫ И ИХ СИСТЕМАТИЗАЦИИ 196
5.1. Мембранно-предохранител ьные устройства............ 196
5.2. Беспружинная грузовая и рычажно-грузовая клапанная пневмогидроарматура...................................... 207
4
5.3. Беспружинные упругодеформируемые эластомерные клапаны 221
5.4. Беспружинная пневмогидроарматура с исполнительными органами
из упругопористого нетканого металлического материала.... 237
5.5. Беспружинная пневмогидроарматура с магнитными твердотельными и жидкостными уплотнительными затворами 242
5.6. Перспективные направления создания беспружинной пневмогидроарматуры на базе концепции энергетического затвора.......... 254
5.7. Выводы.................................................. 257
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 259
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................... 262
5
СОКРАЩЕНИЯ
БЗПРА - беспружинная запорно-предохранительная и регулирующая арматура БУДЭК - беспружинные упругодеформируемые эластомерные клапаны БХМ - биметаллическая хлопающая мембрана ВВФ - внешние воздействующие факторы
ВНИИТБХГГ - Всероссийский научно-исследовательский институт техники безопасности химической промышленности.
ГНП РКЦ - Государственный научно-производственный ракетно-космический центр
ГНЦ РФ - ФЭИ - Государственный научный центр Российской Федерации -
Физико-энергетический институт ГОСТ - государственный стандарт ГПТА — гидропневмотопливный агрегат ЗИП-запасные части, инструмент, приспособления ИО - исполнительный орган КД - контакт-датчик КМ - композитный материал
КПСМ - комбинированные пористые сетчатые материалы
КРУ - клапанно-регулирующее устройство
КУ - клапанное уплотнение
Л А - летательный аппарат
МБА - микропроцессорный блок автоматики
МЖ - магнитная жидкость
МЖМЛРС - магнитожидкостный механизм предупреждения и разрушения свободообразований (в бункерах хранения и выпуска плохосыпучих материалов)
МЖУ — магнитное жидкостное уплотнение МИМ - мембранный исполнительный механизм МК - мембранный клапан
6
МР - металлорезина или металлический аналог резины
МУС - магнитное уплотнительное соединение
МЭИ - металлоэластомерное изделие
НГЖ - негорючие жидкости
НДС - напряженно-деформированное состояние
Орел ГТУ - Орловский государственный технический университет
ОСТ — отраслевой стандарт
ПГА - пневмогидроарматура
ПГС - пневмогидросистема
ПК - предохранительный клапан
ПКД- пассивный компенсатор давления
ПМ - предохранительная мембрана
Г1СК - предохранительно-сбросной клапан
РГПК - рычажно-грузовой предохранительный клапан
РГРД - рычажно-грузовой регулятор давления
Сам ГУ ПС - Самарский государственный университет путей сообщения
САПР - система автоматизированного проектирования
ТТХ - тактико-технические характеристики
ТУ - технические условия
ТЭФ - теплоэлектрический фиксатор
УДЭ - упругодеформируемый элемент
УНММ - упругопористый нетканый металлический материал УПЭ - упругопористый элемент УС - уплотнительное соединение
ЧЭ - чувствительный элемент /
ЭПК - электропневмоклапан ЭУ - энергетическая установка
7
ВВЕДЕНИЕ
Запорная пневмогидроарматура используется во многих отраслях промышленности, и решающее влияние на эксплуатационную надежность вновь создаваемой арматуры оказывает целесообразность выбора ее типа и конструкции, которые должны обеспечивать удовлетворительную сопротивляемость внутренним и внешним механическим и климатическим воздействиям на ее силовые, чувствительные и уплотнительные органы.
Подобный подход является основополагающим при разработке самодействующей и управляемой пневмогидроарматуры и должен учитывать как специфику ее эксплуатации, обусловленную статическим и динамическим нагружением элементов конструкции, так и другие явления, возникающие в пневмогидравлическом тракте (вопросы гидравлики, трения, износа, эрозии, коррозии, наведения статического электричества, влияние температуры рабочей и окружающей среды, старения материалов и т.п.), включая последствия комплексного влияние ВВФ.
Как в отечественном, так и в зарубежном агрегатостроении запорная пневмогидроарматура выполняется в большинстве случаев на пружинных уплотнительных затворах. Тем не менее, более 20% объема ее выпуска составляют конструкции на беспружинных уплотнительных затворах различной физической природы.
Беспружинная автоматическая и управляемая пневмогидроарматура занимает должную нишу в клапанном агрегатостроении и широко применяются в различных отраслях отечественной промышленности, и прежде всего, в пневмогидросистемах управления и регулирования давления и расхода рабочих сред:
— наземных (стационарных) газогидротопливных комплексов заправки мобильной транспортной техники и индивидуальных потребителей сырьевых энергоресурсов;
— с переменными теплофизическими свойствами газожидкостных сред в
8
стационарных установках и оборудовании по производству высокомолекулярных соединении (пропилен, фенолформальдегидные смолы, поликарбонат и пр.) в химической, нефтяной и газовых отраслях промышленности;
- установок теплоснабжения бытового потребителя, тепловых, гидравлических и атомных электростанций' в качестве защитных и нредохранительно-регулирующих устройств резервуаров с избыточным давлением рабочих сред, испытывающих существенные перепады внешних климатических и механических воздействий;
- сырьевого горнодобывающего и агропромышленного комплексов с регулируемыми параметрами рабочих сред, используемых в различных технологических процессах (гидравлическое дробление горных пород; компрессорное вентилирование газовзрывоопасиых производственных участков; пневмогидроавтоматика механизмов предупреждения и устранения с водообразован ий в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов и др.).
Из оценки патентной службы- СамГУПС вытекает, что за последние десять лет резко (почти на 70 %) сократилось патентование конструкций беспружинных клапанных агрегатов автоматики и управления, включая, рычажно-грузовую арматуру, хотя, как известно, до технического совершенства их конструкций, приемлемых экономичности и динамического качества еще далеко.
Тем не менее, данная арматура прочно занимает свою нишу в клапанном агрегатостроении, так как при всех очевидных достоинствах пружинной запорной пневмогидроарма туры ей присущ ряд серьезных недостатков:
а) срабатывание металлической пружины на рабочем ходе уплотнительного затвора сопряжено с накоплением ею нежелательной энергии сжатия, противодействующей перекладке последнего при открытии арматуры;
б) жесткость металлических пружин существенно уменьшается, или увеличивается, соответственно при росте или уменьшении омывающей ее рабочей среды, что изменяет настроечные силовые характеристики пружины;
в) использование вместо пружины ее аналогов - металлических мембран
или сильфонов - так же сопряжено с рядом негативных последствий:
- ресурс работы металлических упругих элементов, как правило, на порядок-два ниже, чем у эластичных деталей;
- крепление и центрирование металлических упругих элементов в корпусе сопряжено с усложнением конструкции устройства, увеличением его габаритов и массы, а также увеличением трудоемкости изготовления из-за потребности проведения комплекса мер по герметизации стыков оболочечного элемента с корпусом;
- значительные колебания (разброс) жесткостных характеристик мембран и сильфонов (даже одной партии изготовления) требует индивидуальной тарировки включающего такой элемент чувствительного органа с обеспечением необходимого резерва на его поджатие, что помимо увеличения допуска на его величину выходного параметра ухудшает массогабаритную характеристику конструкции.
Анализ причин, сдерживающих развитие работ по повышению технического уровня и динамического качества беспружипной ПГА с разнотипными уплотнительными затворами показал:
1. Работы по созданию арматуры такого рода ведутся без ориентации на системный подход, учитывающий полярную взаимосвязь рабочих характеристик ПГА (быстродействие, герметизирующая способность и ресурс) при изменении термодинамических параметров рабочей среды;
2. Отсутствуют обобщенные математические исследования динамики разнотипной беспружинных электопневмоклапанов (ЭПК) с уплотнительными затворами типа «металл-полимер», «металл по металлу» и др., предопределяющие допустимые области предельных значений рабочих характеристик при их компромиссном выборе в оцениваемых диапазонах варьирования конструктивных и эксплуатационных параметров системы «Резервуар сжатого газа - ЭПК - потребитель» при заданном диапазоне изменения давления в опорожняемом резервуаре сжатого газа.
3. Отсутствуют сводные классификационные схемы такой арматуры с детализированной классификацией входящих в ее состав узлов и элементов.
10
4. До настоящего времени не издано ни одной монографии или наукоемкого пособия, содержащих обобщенные сведения по всем типам беспружинной запорной автоматической и управляемой ПГА и позволяющих проектировщику новой техники на этапе эскизного проектирования осуществить рациональный выбор конкретного типа беспружинного запорного пневмоагрегата, а лишь затем обратиться к более фундаментальным научным трудам, посвященным выбранному типу запорной пневмогидроарматуры.
В последние годы функциональные возможности беспружинной запорной пневмогидроарматуры существенно расширились за счет применения при ее проектировании новых технических решений (пневмогидроарматура на рычажно-шарнирных механизмах с переставляемой осью вращения двуплечего рычага; конструкция с изменяемым направлением гравитационной нагрузки; пневмогидроарматура с магнитными твердотельными и жидкостными исполнительными органами; технические решения на базе концепции энергетического затвора и др.).
В настоящей работе впервые в едином формате систематизированы и обобщены сведения о назначении, преимуществах и недостатках, областях применения, классификации, конструктивных особенностях и порядке расчета всех типов беспружинной запорной автоматической и управляемой пневмогидроарматуры с учетом современных достижений в отечественном агрегатостроении, включая оригинальные авторские идеи и технические решения.
В связи с этим, работа, нацеленная на пополнение недостающей ниши знаний в области теории и проектирования беспружинной пневмогидроарматуры с уплотнительными затворами различной физической природы и базирующаяся на научно и методически обоснованном комплексе исследований и разработанных практических рекомендациях по созданию их высокоэффективных конструкций, является актуальной и важной с точки зрения обеспечения функциональной надежности и эксплуатационной безопасности пневмогидросистем и резервуаров с избыточным давлением рабочей среды.
Работа выполнена в рамках договора №1-06 о научно-техническом и педагогическом сотрудничестве СамГУПС и ОрелГТУ на 2006-2010 гг. на базе НИЛ «Динамическая прочность и виброзащита транспортных систем» ГОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения» в соответствии с координационным планом федеральной «Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах» (Постановление Правительства РФ от 04.07.98 №262 пру), а также в рамках Международной Европейской программы «Темпус» по насыщению учебной программы «Мехатроника и робототехнические комплексы» (2005-2009 годы) фундаментальными и научно-прикладными отечественными разработками.
12
\
1. ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ БЕСПРУЖИННОЙ ПНЕВМОГИДРОАРМАТУРЫ С УПЛОТНИТЕЛЬНЫМИ ЗАТВОРАМИ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
Проведенный автором анализ [65^ 66, 75] многочисленных отечественных и зарубежных работ позволил составить развернутую классификационную схему всех существующих на настоящий момент типов беспружинной запорной пневмогидроарматуры (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 — Классификационная схема беспружинной запорной пнсвмогидроарматуры
13
В последующих разделах настоящей главы охарактеризованы основные этапы совершенствования теории и практики создания отдельных типов беспружинной пневмогидроарматуры, представленных на рисунке 1.1.
• 1.1. Мембранно-предохранительные устройства
Безопасная эксплуатация пневмогидросистем1 транспортной техники, наземных газозаправочных комплексов мобильных транспортных средств и пиевмогидравлического технологического оборудования в различных отраслях промышленности в ряде случаев обеспечивается одним из самых распространенных способов защиты пневмогидросистем от разрушения давлением - применением мембранно-предохранительных устройств [72, 83, 121, 133].
В настоящем разделе дан обзор текущего состояния разработки мембранно-предохранительных устройств, предложены рекомендации по их выбору и расчету, рассмотрены принципы классификации и конструктивное исполнение типовых и нетрадиционных видов пневмогидравлических мембранно-предохранительных устройств, включая авторские разработки.
1.1.1. Назначение, выбор и расчет предохранительных мембран
К предохранительным мембранам, называемым также мембранными клапанами, относят устройства со специально ослабленным по прочностной способности элементом с точно рассчитанным и экспериментально подтвержденным порогом разрушения по усилию, развиваемому воздействующим на его площадь избыточным давлением рабочей среды.
Разрывные устройства применяют в тех случаях, когда по условиям безопасности требуется быстрое открытие больших проходов для сброса большого количества среды, то есть при опасности быстрого (мгновенного) повышения давления в защищаемом резервуаре или пневмогидротопливном
тракте. Как правило, они разрушаются при превышении рабочего давления на 25% [109]. - ’ '
ПМ нашли широкое применение в различных отраслях промышленности (химия; нефтедобыча, нефтехимия и нефтепереработка; металлургия; тепловая и атомная энергетика; транспорт; среднее и тяжелое машиностроение) [16; 33, 58, 59, - 148,. 150]; ввиду неоспоримых преимуществ по- сравнению-' с традиционными видами предохранительных клапанов. К преимуществам ПМ следует отнести:
1. Конструктивную простоту, технологичность изготовления и. сборки, определяющие, в конечном счете, высокую надежность срабатывания при повышении в защищаемых п невмогидротопливных объектах предельно допустимого давления рабочей среды.
2. Возможность работы в объектах защиты со средами, склонными к кристаллизации, полимеризации и другим фазовым изменениям-рабочей среды, нарушающим работоспособность УС и подвижных сопряжений ПК.
3. Высокое быстродействие без ограничения площади: перекрываемого проходного сечения* что в ряде случаев является решающим фактором при выборе предохранительной арматуры для объектов защиты с пожаро- и взрывоопасными средами.
4. Возможность установки без узлов крепления в: разъеме фланцевых соединений, имеющих плоские уплотнительные поверхности..
5. Полную герметизацию сбросного'/ отверстия до срабатывания мембраны (в отличие от клапанных устройств, обладающих определенным уровнем утечек по УС, что приводит к непроизводительным потерям рабочей среды, загрязняющей окружающую среду находящимися; в. ней вредными компонентами).
Для ПМ характерны следующие недостатки: ■
1.. После срабатывания мембраны однократного применения, и сброса необходимого количества рабочей среды сбросное отверстие ПМ не закрывается и остается открытым до замены сработавшей мембраны.
15
Нелимитированный сброс рабочей среды из объекта защиты обуславливает необходимость прекращения его работы для демонтажа сработавшей мембраны и установки новой.
Этот недостаток может быть устранен применением специальных дополнительных устройств, сочетающих параллельную или последовательную^ установку мембран и ПК. В* первом случае мембрана- рассчитывается- на давление срабатывания несколько более высокое; чем у предохранительного клапана, чтобы обеспечить дополнительный сброс среды* в экстремальных условиях. Во втором случае разрывные мембраны устанавливают перед предохранительным клапаном для защиты его от коррозии, загрязнения и исключения прохода среды при закрытом клапане во время нормальной работы защищаемого объекта.
2. Мембраны, в силу их конструктивного решения, не могут конкурировать с многофункциональной дыхательной арматурой резервуаров, срабатывающей при знакопеременных перепадах давления, измеряемых десятками или единицами сантиметров водяного столба и наблюдаемых периодически при нормальном режиме работы резервуаров.
3. Производство ПМ требует высокой технологической дисциплины изготовления, сборки и монтажа мембранного узла в объект защиты и тщательной экспериментальной отработки ее конструкции на минимальность разброса давления срабатывания [148].
В этой связи уместно отметить, что на этапах серийного производства предохранительной арматуры и се эксплуатации в составе объекта любое вмешательство в процесс изготовления, конструкцию элементов изделия, порядок и объем их испытаний ни при каких обстоятельствах не должно проводиться без уведомления заказчика, отвечающего за работоспособность объекта в целом. Опыт показывает, что изменение технологии, казалось бы, даже несущественное, может повлиять на работоспособность агрегата или привести к его отказу в составе защищаемого объекта [153]:
- так, например, переход на штамповку заготовки разрывной детали
16
пироклапана вместо ранее используемого пруткового материала может привести к несрабатыванию агрегата. Это связано с тем, что вследствии упрочнения детали (из-за изменения направления волокон металла) величина давления, развиваемая пиропатроном, может оказаться недостаточной для разрушения срезного элемента;
- значительное влияние на величину гидравлических сил, то есть на величину гидравлического сопротивления проходного тракта, оказывает микрорельеф деталей, особенно мягких уплотнителей на тарелях клапанов. Различие в профилях седел, в форме отпечатка седла может привести к нестабильности характеристик у различных экземпляров клапанов одного и того же типа. Большое влияние на гидравлические характеристики оказывают фаски на деталях, расположенных в проточной части клапана, шероховатость поверхностей и другие «мелочи» такого рода.
3
Эти примеры говорят о том, что всякое изменение технологии требует серьезной экспериментальной проверки.
Расчет конструктивных параметров предохранительных мембран основан на решение двух задач:
- определение требуемого проходного сечения (пропускной способности) выходного тракта по месту разрушаемой мембраны;
- определение толщины разрушаемой мембраны (и других взаимосвязанных с ней геометрически к параметров) из условия срабатывания при заданном давлении.
Основой данного расчета является обеспечение условий выполнения общепринятых соотношений:
"> -Рп^к’ 0-0
где рСта~ максимально допустимое давление срабатывания предохранительной мембраны; рп — испытательное (пробное) давление защищаемого резервуара с избыточным (или вакуумируемым) давлением рабочей среды; ст(т — допускаемое напряжение материала стенок корпуса защищаемого резервуара
17
по пределу текучести при рабочей температуре; ст*0 - допускаемое напряжение материала стенок корпуса защищаемого резервуара по пределу текучести при
Если защищаемый объект не подвергается испытанию давлением, то назначаемое давление р, как правило, под тверждается расчетом объекта на прочность;
где рС п - минимально допустимое давление срабатывания предохранительной
мембраны; рр - рабочее давление; к - коэффициент запаса, исключающий ложное срабатывание мембраны (к ~ 1,05; 1,1; 1,5 для никелевых, стальных и алюминиевых разрывных мембран, соответственно; к= 1,05 - для хлопающих и ломающихся мембран);
где С - коэффициент разброса величины давления срабатывания мембраны.
На практике значения данного коэффициента обычно составляют: 0,5 -для разрывных хлопающих мембран при рр > 0,6 МПа; 0,08 - для хлопающих мембран при рр < 0,6 МПа.
Площадь проходного сечения сбросного отверстия ПМ определяется из условия предотвращения разрушения объекта защиты в случае самой опасной ситуации аварийного давления газа, возникающей по следующим причинам:
- отказ запорно-регулирующей арматуры (прилипание седла к уплотнителю клапана при термоциклировании корпусных узлов; проявление явлений схватывания, адгезии и льдообразования в подвижных сопряжениях плунжерных и поршневых пар; засорение инородными частицами, находящими в рабочей среде или образовавшимися в процессе износа трущихся сочленений, дросселирующих или перепускных каналов регулирующих механизмов и др.)
- разрыв внутренних полостей с повышенных давлением (змеевиков, охлаждающих рубашек, сильфонных компенсаторов и др.);
20°С.
б).
(1.2)
(1.3)
[143, 144,151];
18
- выход из под контроля химических реакций, сопровождающихся большим тепловыделением или газовыделением;
- прорыв легкокипяицих жидкостей в высоконагретые полости объекта защиты;
- интенсивный нагрев наружной поверхности объекта защиты внешним источником энергии, например, солнечной радиацией, электромагнитными полями управляющих механизмов или наводимыми извне и др. [143, 144];
- взрыв (воспламенение) парогазовой или пылевоздушной среды внутри объекта защиты.
Аварийная ситуация, при которой происходит рост давления в защищаемом объекте с наибольшей скоростью, считается самой опасной.
Функциональная связь скорости нарастания давления dp/dt (Па/с) с соответствующим ей аварийным притоком газа Ga (кг/с), описывается уравнением Клайперона-Менделеева для равновесного состояния газа:
= MV dp
а Rt 'dt' (1.4)
где М-молекулярная масса газа, поступающего в объект защиты, кг/кмоль; V— объем объекта защиты; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К); Т - абсолютная температура газа в объекте защиты, К; t - время, с.
На практике в случае отказа запорно-регулирующей арматуры величину Ga определяют исходя из того, что арматура в момент отказа полностью открыта. В случае разрыва внутренних змеевиков принимают допущение об истечении рабочей среды через сечение, равное диаметру трубы змеевика. Оценка величины Ga в случае выхода из-под контроля химической реакции или прорыва легкокипяицих жидкостей в нагретые полости объекта защиты требует проведения специальных расчетов динамики этих процессов, а при необходимости и специальных экспериментальных исследований.
Расчет требуемого проходного сечения сбросного отверстия ПМ основан на выполнении условия компенсации аварийного притока Ga сбросом среды через разрушенную мембрану:
19
(1.5)
где С — секундный массовый расход среды через сработавшую мембрану при
обычно равным давлению срабатывания мембраны, кг/с.
Как известно, расход газа через сбросное отверстие с постоянной площадью сечения может быть выражен следующим образом:
а) при докритическом режиме истечения:
где а - коэффициент расхода через сбросное отверстие, который для мембран принимается равным 0,7-0,8 [98]; Р - площадь проходного сечения сбросного отверстия, м2; к - показатель адиабаты для данного газа; V = р'/р,„ -относительный перепад давлений на сбросном отверстии; р' — абсолютное давление в пространстве, куда производится аварийный сброс газов, Па (если сброс осуществляется в атмосферу, то р' = 10-1 МПа); рт - максимально допустимое давление в защищаемом сосуде, обычно равное давлению срабатывания мембраны, Па.
С учетом условия (1.5) из зависимостей (1.6) и (1.7) определяется требуемая площадь /^(м“) проходного сечения ПМ:
а) при докритическом режиме истечения:
максимально допустимом давлении в защищаемом объекте, принимаемым
V =
\£ + 1у
(1.6)
б) при с верх критическом режиме истечения:
*
(1.7)
20
р>
(1.8)
б) при сверхкритическом режиме истечения:
2М ( 2 V-!
(1.9)
На предприятиях химической промышленности самой опасной аварийной
ситуацией является взрыв технологической среды внутри защищаемого аппарата. Основная характеристика взрыва - это скорость нарастания давления, зависящая от физико-химических свойств взрывоопасной среды; степени турбулизации взрывоопасной среды в аппарате; объема и формы аппарата;
отсеки защищаемых полостей и ряда других факторов. Также общеизвестно, что самосрабатыванис мембраны, создавая возмущение среды в аппарате, значительно ускоряет процесс ее горения.
В [33] приведены значения максимальной скорости роста давления (ф/фо в экспериментальной бомбе объемом К0 = 10 л при взрыве без начального избыточного давления смеси некоторых пылей с воздухом оптимальной консистенции. При этом отмечается, что указанные значения (ф/ф)о могут быть пересчитаны в реальные значения (ф/ф) под максимальную скорость роста давления в конкретном защищаемом аппарате объемом V с начальным давлением р0 но следующей зависимости:
где г - степень турбулентности рабочей среды, принимаемая в практических расчетах равной 1,5...2,0; значение е находится в пределах 2...5, если защищаемый аппарат является проточным и взрывоопасная среда в нем находится в турбулизационном состоянии или когда внутри аппарата имеются полости, ребра или иные элементы турбулизации газовых потоков; величина е
геометрических параметров каналов и устройств, сообщающих внутренние
(1.10)
21
должна быть увеличена до 5...10 при наличии в аппарате специально' встроенных вентиляторов или тангенциального ввода газа с большой скоростью, создающих искусственную турбулентность.
При отсутствии экспериментальных данных о скорости роста давления при взрыве, согласног [33], величину dpldt (Ila/c) можно определить, из соотношения:
— = e-F-p0 — dt 10 V
Рт
\
У
mnx
1
I Ро )
Ро
где ро - абсолютное давление в аппарате до начала взрыва, Па; ип - нормальная скорость распространения пламени по горючей среде, содержащейся в аппарате, м/с (величина ип для различных газовых смесей сильно зависит от соотношения содержания горючего, окислителя и инертных газов, но мало зависит от давления* горючей смеси; некоторые данные о максимальных значениях нормальных скоростей распространения пламени в. различных газах при атмосферном давлении и нормальной температуре приведены в [126]; понятие нормальной скорости распространения пламени обычно относят только к парогазовым смесям, однако с некоторой долей условности его можно отнести и к пылям, для которых эта величина находится в пределах 0,3-0,8 м/с); Ртах/ро - максимальное относительное давление взрыва данной горючей среды в замкнутой бомбе (для всех парогазовых и пылевых смесей данная величина не превышает 8... 10; экспериментальные значения р„,^Ро и ип для многих горючих продуктов представлены в [33, 114]); Р- максимально возможная поверхность фронта пламени по горючей среде, содержащейся в аппарате, м2.
Величина Р для аппаратов сферической формы равна их внутренней поверхности. Для аппаратов, по форме близких к сферическим, Р можно определять как поверхность сферы, объем которой равен объему аппарата. В общем случае для аппаратов произвольной формы с размерами А * В х С, где А > В > С, величина Р представляет собой боковую поверхность шарового слоя радиуса В/2 и высотой С, то есть Р = лВС (в частности, для сферического аппарата и цилиндрических аппаратов с высотой И<В величина Р = лГ?, а для цилиндрических аппаратов с высотой Н>Э величина Р - лОРГ).
22
При оснащении пневмогидросистем различных объектов и технологического оборудования ПК и ПМ часто возникает необходимость отвода сбрасываемых через них газов в безопасное место через специально прокладываемые сборные трубопроводы. Обеспечение безопасного сброса газов позволяет исключить возможность механического и теплового воздействия газовой среды на обслуживающий персонал и оборудование, исключить возможность разрушения конструкций реактивной силой струи и не допустить опасной загазованности вредными веществами зон, где могут находиться люди. Вопросы учета влияния сбросных трубопроводов на работоспособность защищаемого аппарата с избыточным давлением (сопротивление сбросного трубопровода, реактивная сила на выходном конце трубопровода вследствие истечения газов и пр.) подробно освещены в [33].
В работе [33] также освещены вопросы динамики срабатывания мембран. В частности, указывается, что динамический расчет включает определение времени полного раскрытия сборочного отверстия 1т и изменения давления срабатывания мембран, обусловленного динамикой роста давления (причем отмечается, что знание времени полного раскрытия сборного отверстия необходимо для оценки возможного превышения давления в аппарате), предложены эмпирические формулы для определения гт составляющей единицы или, в худшем случае, десятки миллисекунд:
-для разрывных мембран со сплошным куполом:
(1.12)
- для разрывных мембран с прорезями:
(1.13)
- для хлопающих предохранительных мембран:
(1.14)
Здесь р - плотность материала мембраны, кг/м3.
23
В большинстве случаев причину зависимости давления срабатывания разрывных мембран от скорости повышения давления* объясняют различием зависимостей между напряжением и деформацией образца при одноосном растяжении материала и различных скоростях нагружения. В связи с этим в [155] указывается, что при большой скорости нагружения увеличивается и предел текучести, и предел прочности материала. Одновременно отмечается, что- существенное различие* в поведении материала при* статическом и динамическом нагружении подтверждается.многочисленными экспериментами; при этом: '
- установлено, что при воздействии на плоскую мембрану ударной волны газового потока мембрана приобретает не сферический купол,, как при статическом нагружении, а близкий к коническому. Однако- объяснение* поведения мембран при повышенных скоростях нагружения только различием между статическим и динамическим растяжением материала является недостаточным. Здесь надо иметь в виду тот факт, что при относительно, быстром нафужении плоской мембраны к моменту разрушения температура повышается на несколько десятков градусов, так как почти вся работа по деформации металла переходит в тепловую энергию, а выравнивания температуры мембраны с температурой окружающей среды за столь малый промежуток времени не происходит [33];
- рекомендуется при скорости давления до 100 МПа (большинство практических случаев) определять динамическое давление срабатывания мембран по эмпирической формуле (в Па):
Л>„„. = Р.+"^> О-15)
где dp/dt - скорость роста давления в момент начала срабатывания мембраны, Па/с; п - коэффициент пропорциональности, значение которого находится* в пределах 0,03 < п < 0,05 (приведенная линейная зависимость при больших скоростях роста давления нарушается, и динамическое давление срабатывания асимптотически приближается к некоторому пределу).
Одной из важнеших характеристик ПМ является срок их службы, по истечении которого может произойти преждевременное срабатывание
24
мембраны. В [33] охарактеризованы основные факторы, влияющие на срок службы мембран, представлены сведения о коррозионной стойкости их ма териалов и применяемых антикоррозионных покрытиях, а также предложены эмпирические соотношения для определения срока службы разрывных мембран.
1.1.2. Конструктивное исполнение предохранительных мембран
1.1.2.1. Разрывные мембраны
Наиболее конструктивно просты и распространены в отечественной промышленности разрывные мембраны [33, 98, 119] изготовляемые, в большинстве случаев, из тонколистового металлического проката.
Классификационная схема мембран подобного рода представлена на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 - Классификационная схема разрывных ГТМ
25
Как правило, разрывной мембранный клапан (рисунок 1.3), состоит из мембраны 1, зажимаемой между зажимными кольцами 2, 3 без использования уплотнительных прокладок. Их отсутствие объясняется предъявлением весьма жестких требований к точности изготовления и шероховатости уплотнительных поверхностей колец 2, 3. В ряде случаев для удобства сборки МК по фланцевому соединению кольца- 2, 3 скрепляют двумя диаметрально расположенными планками 4 при помощи винтов 5. В планках 4 одно из отверстий под винты 5 имеет овальную (продолговатую) форму для исключения препятствия планок 4 равномерному и герметичному защемлению мембраны 1 между зажимными кольцами 2, 3 при затяжке фланцевого соединения (при помощи болтового соединения по выполненным во фланцах отверстиям, - на рисунке 1.3 не показано).
Рисунок 1.3 - Разрывные
предохранительные мембраны: а - с плоским зажимом; б- с коническим зажимом; в - с линзовым зажимом I - мембрана; 2, 3 - зажимные кольца;
4 - планка; 5 - винт; 6 - линза (коническая шайба)
При нафужении рабочим давлением мембрана, испытывая большие пластические деформации, приобретает ярко выраженную куполообразную форму, близкую к сферическому сегменту. Это свойство мембраны используется при изготовлении куполообразных мембран, когда такую форму
26