Jak działają zawory bezpieczeństwa?

Tytułowe urządzenia uwalniają nadmiar płynu z instalacji po osiągnięciu w niej niebezpiecznego ciśnienia, zmniejszając w ten sposób nadciśnienie w bezpieczny sposób. Należy je montować wszędzie tam, gdzie istnieje prawdopodobieństwo przekroczenia maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia roboczego instalacji albo zbiornika ciśnieniowego. Przykładowo w systemach parowych zawory bezpieczeństwa są zazwyczaj używane do ochrony kotła. Nadciśnienie może wystąpić w szeregu sytuacji, przykładowo na skutek: zmiany natężenia przepływu płynu spowodowanego przez przypadkowe zamknięcie lub otwarcie zaworu odcinającego w zbiorniku procesowym, przejściowych skoków ciśnienia, awarii wymiennika ciepła, zmienności temperatury otoczenia, niekontrolowanej reakcji egzotermicznej.

Zawory bezpieczeństwa to duża grupa urządzeń. Dostępnych jest wiele ich typów, spełniających wymogi różnych zastosowań i przepisów ich dotyczących. Istnieją także znaczne różnice pomiędzy dotyczącą ich terminologią obowiązującą w Stanach Zjednoczonych i Europie. Według europejskiej normy EN ISO 4126-1 są to zawory, które automatycznie i bez udziału jakiejkolwiek energii innej, niż energia danego płynu, wypuszczają pewną ilość płynu, aby zapobiec przekroczeniu ustalonego z góry bezpiecznego ciśnienia w danej instalacji, i których zadaniem jest ponowne zamknięcie i zapobieganie dalszemu przepływowi płynu po przywróceniu normalnych warunków pracy pod ciśnieniem.

Budowa zaworu bezpieczeństwa

Sprężynowy zawór bezpieczeństwa jest prostym urządzeniem samoczynnego działania. Zbudowany jest z korpusu z przyłączem wlotowym zamontowanym w układzie utrzymującym ciśnienie. Złącze wylotowe jest gwintowane albo kołnierzowe w celu podłączenia do rurociągu odprowadzającego, o ile płyn nie jest odprowadzany bezpośrednio do otoczenia, jak w przypadku instalacji sprężonego powietrza.

Wlot może mieć postać dyszy lub półdyszy. Konstrukcja z dyszą obejmuje cały zwilżony przewód wlotowy wykonany jako jeden element. Kanał dolotowy to jedyna część zaworu, która w czasie normalnej pracy jest wystawiona na działanie płynu procesowego, oprócz dysku. Dysze pełne są zazwyczaj częścią zaworów bezpieczeństwa przeznaczonych do zastosowań wysokociśnieniowych, szczególnie gdy płyn procesowy jest korozyjny.

Półdysza z kolei składa się z pierścienia uszczelniającego montowanego w korpusie, którego górna część tworzy gniazdo zaworu. Zaletą takiej konstrukcji jest możliwość łatwej wymiany gniazda, bez konieczności wymiany całego wlotu.

Jak regulować docisk sprężyny?

Dysk jest dociskany do gniazda dyszy, w normalnych warunkach pracy, przez sprężynę, która jest umieszczona w otwartej albo zamkniętej obudowie (lub pokrywie) zamontowanej na górze korpusu. Dyski w szybko otwierających się zaworach bezpieczeństwa są otoczone osłoną, uchwytem albo komorą, które zapewniają charakterystykę szybkiego otwierania.

Sprężyna jest typowo wykonana ze stali węglowej. Siłę jej docisku można zazwyczaj regulować za pomocą regulatora, aby zmienić ciśnienie, przy którym dysk jest podnoszony z gniazda.

Normy dotyczące projektowania i stosowania zaworów bezpieczeństwa przeważnie definiują trzy wymiary odnoszące się do ich wydajności. Są to: minimalna powierzchnia przekroju poprzecznego między wlotem a gniazdem w najwęższym miejscu, obszar cylindrycznego lub stożkowego otworu wylotowego utworzony przez uniesienie dysku nad gniazdo i obszar tłoczenia określający przepływ przez zawór.

Jak działa zawór bezpieczeństwa?

Kiedy statyczne ciśnienie wlotowe wzrasta powyżej wartości progowej, dysk zaczyna się podnosić z gniazda. Przed otwarciem zaworu bezpieczeństwa wymagany jest jednak dalszy wzrost ciśnienia. To dopuszczalne nadciśnienie zależy od obowiązujących norm i specyfiki danego zastosowania – w przypadku płynów ściśliwych wynosi ono zwykle od 3% do 10%, a w przypadku cieczy od 10% do 25%.

By osiągnąć pełne otwarcie przy tak niewielkim nadciśnieniu, wymagana jest specjalna konstrukcja dysku, aby zapewnić szybkie otwieranie – jak pisaliśmy, w tym celu otacza się go osłoną, uchwytem lub komorą, Gdy płyn wpływa do zaworu, większy obszar osłony jest wystawiony na jego działanie. Powoduje to stopniowy wzrost siły otwierania. Równocześnie osłona zmienia kierunek przepływu, co potęguje ten efekt.

To łącznie pozwala zaworowi osiągnąć zakładany skok przy stosunkowo procentowo niewielkim nadciśnieniu. W przypadku płynów ściśliwych dodatkowo przyczynia się do tego ich szybkie rozszerzanie się w miarę wzrostu objętości płynu z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o niższym ciśnieniu – jest to czynnik decydujący dla uzyskania pełnego otwarcia zaworu w granicach małego nadciśnienia. W przypadku cieczy efekt ten jest proporcjonalniejszy, w związku z czym nadciśnienie jest zazwyczaj większe (typowo 25%).

Praca normalna

Po przywróceniu normalnych warunków pracy zawór musi zostać ponownie zamknięty. Ponieważ jednak większa powierzchnia dysku jest nadal wystawiona na działanie płynu, zawór nie zamknie się, dopóki ciśnienie nie spadnie poniżej wartości progowej. Różnica między nią a ciśnieniem ponownego zamknięcia zwykle jest określana jako procent wartości progowej. W przypadku cieczy ściśliwych jest ona zwykle mniejsza niż 10%, a w przypadku cieczy może wynosić do 20%.

Konstrukcja osłony musi zapewniać szybkie otwieranie, jak i stosunkowo niewielką różnicę między wartością progową, a ciśnieniem ponownego zamknięcia tak, by w razie wystąpienia potencjalnie niebezpiecznej sytuacji wszelkie nadciśnienie zostało uwolnione, ale zarazem można było zapobiec wypłynięciu nadmiernych ilości płynu. Jednocześnie należy zadbać o to, aby ciśnienie w układzie zostało obniżone na tyle, aby zapobiec natychmiastowemu ponownemu otwarciu.

Monika Jaworowska