Розривні мембрани

Розривні мембрани

Аварійні ситуації на гідравлічних або парогазових системах, пов'язані зі значним перевищенням максимально допустимого тиску або виникнення в них сильного розрідження (вакуумизации) – аж ніяк не рідкість. Таке неприпустимо висока або вакуумирующее тиск здатне порушити цілісність і герметичність системи, пошкодити наявне обладнання.

Гідравлічні і газодинамічні машини (насоси, помпи, насоси, котли, газо - і гідроциліндри, гідромотори, парогазові турбіни та ін), ємнісне або теплообмінне обладнання – вже самі по собі є дуже цінними і дорогими агрегатами. Але їх пошкодження, передчасний вихід з ладу може згенерувати ще більш масштабні збитки, пов'язані із зупиненням цілих технологічних процесів і виробництв. У деяких випадках такі аварійні ситуації можуть призвести до справжніх техногенних або екологічних катастроф.

Що таке запобіжна мембрана

Як відомо, в електротехніці для захисту електричних ланцюгів від перевантажень застосовуються плавкі запобіжники. У гідравлічних і парогазових технічних системах такими «плавкими запобіжниками» служать запобіжні мембранні пристрої (ПМУ).
ПМУ – це пристрої з конструкційно запрограмованим руйнуванням перегородок – мембран під впливом певного (нормативного) значення тиску, що діє з боку середовища (зони) високого тиску, в бік середовища (зони) низького тиску. Таким чином, ПМУ – це різновид запобіжної арматури, призначеної для захисту гідравлічних і парогазових систем від руйнівних (аварійних) наслідків надлишкового або вакуумметричного тиску, яка працює шляхом власного руйнування, необхідного для скидання маси робочого середовища (в бік скидної системи).
Руйнуються мембрани краще запобіжних клапанів протистоять процесів корозійного впливу, полімеризації або кристалізації робочого середовища, забезпечують повну герметичність (до свого спрацьовування) і не обмежують пропускну здатність замкнутої газо- або гідротехнічної системи. А значить, вони більш надійно забезпечують безпеку робочого обладнання, що захищається. Важливою перевагою ПМУ над клапанами також є гранична простота і дешевизна їх конструкції.
Основним недоліком застосування ПМУ є те, що у разі їх спрацьовування системи скидається весь або майже весь обсяг технологічної середовища, яка часто являє собою дуже значну матеріальну цінність, або велику небезпеку для робочого персоналу і навколишнього середовища.
Руйнуються мембрани ПМУ бувають: розривними, «блимливими», ламаються, зрізними, відривними. Але в процесі розвитку техніки, з переліку мембранних запобіжних пристроїв поступово виходять з ужитку ті, які дають великий розкид тиску спрацьовування, і не забезпечують необхідного ступеня захисту обладнання. До таким ненадійним запобіжних пристроїв відносяться застарілі: ламаються, зрізні і відривні мембрани. На сьогоднішньому етапі розвитку техніки найбільшого поширення набули запобіжні пристрої з розривними і & laquo;ляскаючими & raquo; мембранами, що дають найкращі результати по точності і швидкості спрацьовування.

Розривна мембрана

Мембрана розривного типу (прямої дії), працюючи на розтяг, розрахована на руйнування (спрацьовування) шляхом розриву під впливом певної норми високого (або низького вакуумметричного) тиску робочого середовища.

Розривна мембрана зазвичай являє собою елемент з тонкостінного листового матеріалу, закріплений в корпусі (обоймі) на межі розділу зони високого тиску (зазвичай робочого середовища), і зони низького тиску (скидної системи). Може мати як плоску, так і вигнуту напівсферичну (куполоподібну) поверхню Напрямок вигину купола розривної мембрани – в сторону, протилежну зоні підвищеного тиску (в бік скидної системи).

Принцип роботи розривної мембрани досить простий – при наближенні значення тиску робочого середовища до граничного, вона, під його впливом на свою поверхню, починає розтягуватися, і повністю розривається на його граничному значенні. В результаті, через зруйновану мембрану здійснюється скидання робочого середовища в скидну систему, і аварійний тиск в обладнанні падає до допустимих значень.

Розривні мембрани можуть бути як цільні, так і з насічками (радіальними, круговими), які полегшують їх розрив при досягненні тиску спрацювання. Крім того, для систем з різно-змінними значеннями робочого тиску, в конструкцію розривної мембрани може вводиться вакуумна опора (зазвичай хрестоподібної форми). Вона оберігає позаштатне руйнування мембрани при вакуумуванні робочого обладнання, тобто при утворенні всередині нього такої розрядки, коли розривна мембрана може розірватися всередину, під впливом тиску скидної системи, яка в такій ситуації стає зоною високого тиску.

Розривні ПМУ мають прийнятною точністю і швидкістю спрацьовування, дозволяють доводити робочий тиск в апараті до 80% від граничного для міцності запобіжної мембрани. Вони можуть застосовуватися як для рідинних, так і газових середовищ, працювати зі статичними, знакозмінними, пульсуючими тисками.

Розривні мембрани виготовляються:

• з тонколистового прокату пластичних металів (алюмінію, міді, нікелю, латуні, срібла, монеля (Ni+Cu), инконеля (Ni+Cr+Fe), танталу та інших);
• з полімерних (тефлонові, фторопластовых, поліетиленових) листів і плівок;
• для систем з високо-агресивними середовищами – з просоченого фенольними смолами графіту;
• для систем з низькими робочими тисками – навіть з паперу, картону, поронита, азбесту.

Недолік розривних мембран лише в тому, що вони за основними параметрами (швидкості і точності спрацьовування) все-таки поступаються «хлопающим». Причиною є наявність у них деякої затримки спрацьовування, викликаної процесом розтягування мембранного матеріалу перед його повним руйнуванням (розривом).

Рис. Схема розривної запобіжної мембрани

«Хлопаюча» мембрана

Варіант «ляскаючою» мембрани відрізняється від розривного варіанта тим, що вона не працює на розтяг, а навпаки, на стиск. Для цього купол її півсфери спрямований в бік зони високого тиску, тобто, всередину обладнання, що захищається.

Принцип роботи«ляскаючої & raquo; мембрани наступний. При підвищенні тиску в апараті більше критичного, воно тисне на купол півсфери мембрани, зминає її і «вивертає» у зворотний бік. При цьому можливі наступні варіанти спрацьовування:

• якщо конструкція мембрани з вільної закладенням, то вона втрачає стійкість і миттєво «выщелкивается» («плескає»), повністю вискакуючи з обойми;
• якщо мембрана з «защемленным» контуром, то вивернутий навиворіт купол мембрани вдаряється об лезо нерухомого хрестоподібного ножа (який передбачається конструкцією) і руйнується їм.

«Ляскаючі» мембрани також мають гранично просту конструкцію, можуть застосовуватися для рідинних і газових середовищ, працювати зі статичними, знакозмінними, пульсуючими тисками. Але на відміну від розривних, вони не мають періоду розтягування матеріалу перед його руйнуванням, тому мають перевагу перед ними по точності і швидкості спрацьовування. Більш того, «ляскаючі» ПМУ дозволяють доводити робочий тиск в системі аж до 95% від граничного рівня (для міцності запобіжної мембрани). Іншими важливими перевагами & laquo;ляскаючої & raquo; конструкції є:

• відсутність втомного розтягування, завдяки чому мембрана має більш тривалий термін служби;
• вона не вимагає наявності вакуумної опори;
• можливо застосування більш товстостінного матеріалу, завдяки чому зростає її корозійна стійкість в хімічно агресивних середовищах.

відомим недоліком & laquo;ляскаючих & raquo; мембран є їх висока чутливість до пошкоджень, навіть незначним вм'ятин купола, отриманим на етапах транспортування, зберігання, монтажу, або під час облуговування (ремонту) обладнання.

Рис. Схема & laquo;ляскаючої & raquo; запобіжної мембрани

При наявності стрибків тиску (протидії) з боку скидної системи, які можуть порушити штатні умови для спрацьовування ПМУ, розривні та «ляскаючі» ПМУ оснащуються допоміжної мембраною, утворюючи нові конструкційні підвиди:

• розривне ПМУ з допоміжною мембраною;
• хлопающее ПМУ з допоміжною мембраною.

в таких конструкційних варіантах утворюється міжмембранний простір, для контролю тиску в якому в конструкцію ПМУ додатково вводиться сигнальний манометр.

Схеми установки запобіжних мембран

Мембранні запобіжні пристрої в робочій системі можуть встановлюватися як самостійно, так і в комплексі з запобіжними клапанами.

Самостійно (без запобіжних клапанів) МПУ встановлюються:

• в системах зі стрімкими стрибками тиску, в яких запобіжні клапана, у силу властивої їм інерційності, не можуть забезпечити необхідну для захисту обладнання швидкість спрацьовування;
• для захисту ємностей від небезпечного надлишкового або вакуумметричного тиску.

Перед запобіжними клапанами МПУ встановлюються:

• для забезпечення можливості регулювання і обслуговування клапанів без їх знімання з обладнання;
• в ситуаціях, коли існує ризик порушення штатної роботи клапана (або його повного заклинювання) внаслідок шкідливого впливу на його деталі робочої середовища (корозійного окислення, закоксовування, «прикипання», примерзання, кристалізації, полімеризації та ін).

паралельно запобіжним клапанам МПУ встановлюються для нарощування пропускної здатності скидної системи. Такий варіант застосовується, коли запобіжний клапан невеликого діаметра прохідного служить як «чергового» для скидання підвищеного тиску, яке ще не досягло аварійного значення, а ПМУ «вступає в справу» вже в реально аварійній ситуації.

За запобіжними клапанами ПМУ встановлюються:

• в ситуаціях, коли надійність роботи механізму клапанів може бути порушена шкідливим впливом з боку навколишнього середовища (скидної системи), наприклад – корозійних окисленням, обмерзанням, впливом «людського фактора» та ін;
• щоб виключити вплив на роботу клапанів з боку протидії (коливань тиску) скидної системи.

Вимоги до встановлення розривних мембран

Запобіжні мембрани, у тому числі імпортного виробництва, можуть бути допущені до установки і експлуатації лише за наявності відповідного дозволу, оформленого Держтехнаглядом.

Для допуску МПУ до експлуатації на підприємствах (в організаціях), на підставі інструкції заводу-виготовлювача повинні розроблятися експлуатаційні документи, затверджені їх керівниками. Допуск МПУ до експлуатації повинен оформлятися відповідним актом.

Якщо остаточна збірка партії МПУ виробляється на підприємстві (в організації), то як мінімум один виріб має пройти випробування на відповідність необхідним умовам спрацювання.

Технічні характеристики для підбору розривної мембрани

Для того, щоб підібрати запобіжне ПМУ для певної гідравлічної або парогазової системи, слід знати і врахувати цілий ряд її технічних характеристик. До їх переліку відносяться:

• тип робочого середовища (газ або рідина), її хімічна (корозійна) активність;
• номінальний прохідний діаметр, у залежності від необхідної продуктивності скидної системи, або відповідно параметрами трубопровідної лінії за місцем установки;
• максимальна експлуатаційна температура;
• необхідний тиск спрацьовування (максимально допустимий тиск середовища з боку робочого обладнання);
• характер динаміки тиску в системі: статична, знакопеременное або пульсуюче;
• можливість виникнення вакуумування (розрідження) в системі, і його параметри;
• максимальне протитиск з боку скидної системи і характер її динаміки.