Розривні мембрани

Розривні мембрани

Аварійні ситуації на гідравлічних або парогазових системах, пов'язані зі значним перевищенням максимально допустимого тиску або виникненням в них сильного розрідження (вакумування) – аж ніяк не рідкість. Такий неприпустимо високий або вакумований тиск здатний 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 (ЗМП).
ЗМП – 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, ЗМП – це різновид запобіжної арматури, призначеної для захисту гідравлічних і парогазових систем від руйнівних (аварійних) наслідків надлишкового або вакуумованого тиску, яка працює шляхом власного руйнування, необхідного для скидання маси робочого середовища (в бік скидної системи).
Руйнуючиїся мембрани краще запобіжних клапанів протистоять процесам 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 захищаємого робочого обладнання. Важливою перевагою ЗМП над клапанами також є гранична простота і дешевизна їх конструкції.
Основним недоліком застосування ЗМП є те, що у разі їх спрацьовування з системи скидається весь або майже весь обсяг технологічного середовища, яке часто являє собою дуже значну матеріальну цінність, або велику небезпеку для робочого персоналу і навколишнього середовища.
Руйнуючиїся мембрани ЗМП бувають: розривними, «плескаючими», ламаючимися, 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 ненадійних запобіжних пристроїв відносяться застарілі: ламаючиїся, зрізні і відривні мембрани. На сьогоднішньому етапі розвитку техніки найбільшого поширення набули запобіжні пристрої з розривними і &alaquo;плескаючими » 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 вакуумованого) 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 ЗМП мають прийнятну точністю і швидкість 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, фторопластових, 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, асбесту.

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

Рис. Схема розривної запобіжної мембрани

«Плескаюча» мембрана

Варіант «плескаючої» 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 захищаємого обладнання.

Принцип роботи«плескаючої » 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 вільним закладенням, то вона втрачає стійкість і миттєво «виклацується» («плескає»), повністю вискакуючи з обойми;
• якщо мембрана з «затиснутим» контуром, то вивернутий навиворіт купол мембрани вдаряється об лезо нерухомого хрестоподібного ножа (який передбачається конструкцією) і руйнується їм.

«Плесскаючі» 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, «плескаючі» ЗМП дозволяють доводити робочий тиск в системі аж до 95% від граничного рівня (для міцності запобіжної мембрани). Іншими важливими перевагами «плескаючої » конструкції є:

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

відомим недоліком «плескаючих » мембран є їх висока чутливість до пошкоджень, навіть незначним вм'ятинам купола, отриманим на етапах транспортування, зберігання, монтажу, або під час облуговування (ремонту) обладнання.

Рис. Схема «плескаючої » запобіжної мембрани

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

• розривне ЗМП з допоміжною мембраною;
• плескаюче ЗМП з допоміжною мембраною.

в таких конструкційних варіантах утворюється міжмембранний простір, для контролю тиску в якому в конструкцію ЗМП 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) ЗМП 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 ЗМП 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 робочим середовищем (корозійне окислення, закоксовування, «прикипання», примерзання, кристалізація, полімеризація та ін).

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

За запобіжними клапанами ЗМП встановлюються:

• в ситуаціях, коли надійність роботи механізму клапанів може бути порушена шкідливим впливом з боку навколишнього середовища (скидної системи), наприклад – корозійним 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 ЗМП до експлуатації на підприємствах (в організаціях), на підставі інструкції заводу-виготовлювача повинні розроблятися експлуатаційні документи, затверджені їх керівниками. Допуск ЗМП до експлуатації повинен оформлятися відповідним актом.

Якщо остаточна збірка партії ЗМП 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 ЗМП 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, знакоперемене або пульсуюче;
• можливість виникнення вакуумування (розрідження) в системі, і його параметри;
• максимальний протитиск з боку скидної системи і характер її динаміки.