Безопасность клапанов 101: должен ли ваш клапан быть открытым или закрытым?

Что приводит к поломке клапана?

Для того чтобы узнать о способах отказа, необходимо классифицировать отказ. Когда речь идет об автоматических клапанах, то есть пневматических и электрических приводах, отказ не всегда означает поломку детали, например, сломанный шток или разбитый корпус. Вместо этого он означает потерю усилия, необходимого для удержания клапана в рабочем положении.

Основными причинами такой потери контроля являются:

• Потеря электропитания: Питание электромагнитных клапанов или электрических приводов пропадает, а двигатель или магнитная катушка остаются мертвыми.

• Потеря давления воздуха: В случае с пневматическими системами неисправность компрессора, перегиб подводящего трубопровода или обрыв воздушной магистрали устраняют силу, удерживающую клапан в нештатном положении.

• Прерывание сигнала: Обрыв провода ПЛК или неисправность контура управления приводит к тому, что привод остается без команд, хотя питание может сохраняться.

Как только эти источники энергии исчезают, клапан перестает активно управляться. Именно в этот момент потери энергии клапан должен самостоятельно принять решение: перевести ли его в открытое положение или захлопнуть? Эта независимая реакция предопределяется выбором конфигурации "Fail-Safe" на этапе проектирования.

Что такое клапан Fail Open (воздух на закрытие)?

Клапан Fail Open (FO), также известный как клапан Air-to-Close (ATC), характеризуется механическим состоянием по умолчанию: он полностью открыт, когда внешнее питание не подается. Конструктивная особенность, способствующая этому, - сверхмощная внутренняя пружина, которая расположена так, чтобы физически выталкивать шток клапана. Для закрытия клапана система должна обеспечивать подачу сжатого воздуха (или электричества) в камеру привода. Эта энергия противодействует натяжению пружины и сжимает ее, удерживая клапан в закрытом положении. Таким образом, при прекращении подачи энергии, будь то отключение электричества или поломка самолета, противодействующая сила исчезает, пружина немедленно растягивается, и клапан возвращается в исходное, открытое состояние.

Основная роль клапана Fail Open заключается в том, что он служит для сброса давления или гарантирования охлаждения. Он находит широкое применение в термодинамических системах, где накопление тепла или давления представляет собой более серьезную угрозу, чем сам поток. Например, в рубашке охлаждения химического реактора клапан обеспечивает циркуляцию воды даже при отключении всей установки, чтобы реактор не перегрелся. Аналогично, в паропроводах клапаны используются для сброса избыточного давления в безопасное место, чтобы трубы не разорвало при отказе систем управления.

Уникальным преимуществом этой конструкции является пассивная безопасность от катастрофических физических сбоев, например, взрывов или тепловых выбросов. Это придает важность целостности оборудования и объекта. Тем не менее, у такой безопасности есть существенный недостаток, а именно отсутствие защитной оболочки. Если жидкость, протекающая через клапан, является дорогостоящей, токсичной или легковоспламеняющейся, клапан Fail Open будет сбрасывать ее в последующий процесс или окружающую среду до тех пор, пока оператор физически не закроет ручной запорный клапан. Это может привести к потерям материалов или расходам на очистку окружающей среды.

Что такое клапан Fail Close (воздух для открытия)?

С другой стороны, клапан Fail Closed (FC), также называемый Air-to-Open (ATO), работает по противоположному принципу: по умолчанию он полностью герметичен. В этом типе конструкции внутренняя пружина устроена таким образом, что она обеспечивает постоянное усилие на седло клапана и удерживает его в закрытом состоянии. Обозначение Air-to-Open буквально соответствует конструкции: сжатый воздух нужен только для того, чтобы заставить клапан открыться против силы пружины. Когда подача воздуха прекращается, энергия, удерживающая клапан в открытом положении, теряется, а накопленная пружиной механическая энергия заставляет клапан вернуться в закрытое положение, образуя мгновенное уплотнение.

Основной задачей клапана Fail Closed является изоляция. Он предназначен для изоляции опасностей при потере контроля. Поэтому он является стандартной спецификацией при работе с опасными материалами, поставками топлива и подачей токсичных химикатов. Клапан FC в системе управления горелкой, например, обеспечит немедленное прекращение подачи топлива в случае отказа контроллера пламени, чтобы сырой газ не заполнил печь. В линиях дозирования химических веществ он позволяет избежать затопления резервуара опасными реактивами при отключении насоса.

Основное преимущество конструкции Fail Closed - немедленная изоляция, что снижает риск разливов, утечек токсичных веществ и пожаров. Это хороший способ блокировки технологической линии. Однако его недостатком является то, что он может вызывать термические риски или риски, связанные с давлением. Неисправный закрытый клапан может быть установлен в неправильном месте, например, на линии охлаждающей воды, и в случае аварийной ситуации перекрыть единственный источник охлаждения, что может привести к перегреву оборудования или опасному повышению давления в емкости.

Механика: Как актуаторы управляют безотказными действиями

Чтобы понять, как клапан автоматизирует безопасность, достаточно знать концепцию накопленной потенциальной энергии. Привод с пружинным возвратом (одностороннего действия) является промышленным стандартом для таких систем.

В отличие от стандартных приводов, для перемещения которых в обоих направлениях требуется воздух, отказоустойчивый привод имеет ряд сверхпрочных промышленных пружин. Это бесконечная физическая борьба между двумя силами - сжатым воздухом и пружиной.

• Нормальная работа (зарядка аккумулятора): Во время работы системы в привод подается сжатый воздух. Это высокое давление воздуха, достаточное для того, чтобы заставить внутренние поршни и физически прижать пружины к стенке. Пружины будут сжиматься до тех пор, пока поддерживается давление воздуха и клапан находится в рабочем положении (например, полностью открыт).

• Действие при отказе (снятие с предохранителя): Когда подача воздуха прекращается (из-за отключения электричества или прорыва трубы), сила, удерживающая пружины, исчезает. Пружины немедленно разжимаются до своего нормального размера. При этом выделяется огромная механическая энергия, которая толкает поршни обратно в исходное положение и закрывает клапан в безопасное положение (закрыто или открыто).

Почему это надежно? Потому что он не основан на датчиках, электричестве или вмешательстве человека. Он основан на основных законах физики. Пружина всегда будет пытаться расшириться, пока она есть, а это значит, что клапан всегда будет работать в режиме безопасности.