В 3-м выпуске журнала «Вестник арматуростроителя» вышла статья М.В. Волкова, начальника КБ предохранительной арматуры

Требования, предъявляемые к предохранительной трубопроводной арматуре, сейчас очень высоки. Ощущается серьёзная конкуренция со стороны иностранных производителей. НПО «Регулятор» постоянно ведёт работу по поиску лучших решений для заказчика различных типов арматуры, разрабатывает новые типы устройств, позволяющие оптимизировать работу оборудования и получать лучшие характеристики. Являясь лидером в части проведения научно-исследовательских работ в области трубопроводной арматуры, НПО «Регулятор» становится центром компетенций для наиболее сложных типов арматуры – регулирующей, предохранительной, то есть тех, где расчёты показателей арматуры наиболее сложны.

Импульсные предохранительные клапаны с пилотным управлением предназначены для предотвращения повышения давления в трубопроводе или в сосуде под давлением выше определенного значения. В отличие от классических пружинных клапанов в импульсном золотник садится на седло под действием давления самой среды, а не пружины. Это позволяет создавать предохранительные клапаны с диаметром седла равным номинальному диаметру, что позволяет увеличить пропускную способность устройства. Из-за отсутствия пружины клапаны с импульсным управлением имеют габариты как минимум на 20% меньше, а в некоторых случаях эта цифра достигает 80%.

Пилотные предохранительные клапаны прямого действия, производимые НПО «Регулятор», разделяются на два типа по принципу работы – подрывные и перепускные. Первые обеспечивают быстрое и полное открытие за доли секунды, вторые имеют пропорциональное открытие, т.е. чем выше превышение давления относительно установочного, тем выше подъем золотника.

Рассмотрим работу пилотного предохранительного клапана подрывного типа. Цикл работы клапана разбивается на три части. Вначале давление во входном патрубке ниже давления начала открытия и оно переходит из него под колпак через пилот, а так как цилиндр по площади больше диаметра седла, то вектор силы направлен на закрытие, при этом перепускной затвор пилота открыт, а выпускной закрыт. На второй стадии давление во входном патрубке повышается выше давления начала открытия. В результате перепускной затвор пилота закрывается, отсекая входной патрубок от полости цилиндра, и открывается выпускной затвор пилота, что приводит к уменьшению давления в цилиндре и вектор силы изменяется на открытие. По достижении давления закрытия перепускной затвор пилота открывается, а выпускной закрывается. Среда вновь поступает в полость над колпаком и основной клапан закрывается.

При расчёте подрывного пилотного клапана необходимо согласовать работу двух устройств: пилота и основного клапана. Рассмотрим расчётную схему на рисунке 1.

Для расчёта необходимо соблюсти условие работоспособности
, (1)
– сила на поршень от динамического действия среды при давлении закрытия (нами принят 0,95 от давления настройки), находится методом конечных элементов, Р_(н.о) - давление начала открытия, S_1 - площадь седла основного клапана.

Конструкция выпускного затвора пилота должна обеспечивать падение давления до уровня обеспечения открытия золотника основного клапана. Это давление найдём по формуле:

, (2) где P_закрытия - давление закрытия выпускного затвора пилота, F_поршня - сила, действующая на золотник снизу от среды, S_2 - площадь поршня

Далее рассмотрим равновесие золотника пилота. Снизу на него действует сила от динамического действия среды и сила от давления среды в перепускном затворе, а сверху сила пружины. Таким образом, имеем уравнение равновесия:
, (3) где F(P_закрытия) - сила от динамического действия среды, F^∆P- сила от давления среды в перепускном затворе, F_пруж^ - сила пружины

Сила от давления среды в перепускном затворе находится по формуле:
, (4) где P_н - давление настройки, P_закрытия - давление закрытия пилота, S_3 - площадь перепускного затвора

Если левая часть равенства (3) больше нуля, то уменьшается давление закрытия, если меньше нуля, то не происходит открытия основного клапана при срабатывании пилота, если равно нулю, то клапан открывается при давлении начала открытия и закрывается при давлении закрытия по проекту. Выполнение равенства (3) достигается изменением геометрии золотника выпускного затвора, которая даёт изменение силы от динамического действия среды, данная сила находится методом конечных элементов. Важным условием также является больший по сравнению с выпускным диаметр перепускного седла.

Несмотря на относительную сложность расчётов и производства этих клапанов, их преимущества по сравнению с пружинными неоспоримы, и в будущем пилотные клапаны НПО «Регулятор» станут достойной заменой пружинным.

Максим Витальевич Волков,
к. т. н., начальник конструкторского бюро предохранительной арматуры
НПО «Регулятор».