Diagnostyka Techniczna-Badania

Zawory bezpieczeństwa sterowane - sprawdzanie działania i kontrola nastaw

Formalne uwarunkowania związane z procedurami sprawdzania i kontroli ciśnień początku otwarcia Europejska norma [1] w jednym z rozdziałów definiując typy zaworów bezpieczeństwa podaje ich charakterystyczne cechy.
W przypadku zaworu bezpieczeństwa sterowanego określa, iż jest to zawór, w których grzyb może być dodatkowo podnoszony, przez napędzany mechanizm sterujący, przy ciśnieniu niższym niż ciśnienie początku otwarcia, oraz będzie spełniał wszelkie wymagania dotyczące zaworów bezpieczeństwa podanych w normie [1], nawet w przypadku awarii mechanizmu sterującego.
Wspomniana norma precyzuje wymagania odnośnie konstrukcji, a także badań fabrycznych, jakie producent zaworów musi spełnić i wykonać. Każdy zawór bezpieczeństwa posiada szereg cech charakterystycznych, które informują użytkownika o jego możliwościach zabezpieczających inne urządzenie ciśnieniowe przed nadmiernym wzrostem ciśnienia.

Dla celów niniejszego artykułu podano informacyjnie takie cechy, jak ciśnienie nastawy, ciśnienie początku otwarcia, przyrost ciśnienia i ciśnienie zamknięcia.

  • Ciśnienie nastawy - ciśnienie statyczne na wlocie, przy którym następuje początek otwarcia zaworu nastawianego na stanowisku do prób (Uwaga: - wyżej wymienione ciśnienie obejmuje poprawki ze względu na warunki pracy, np. przeciwciśnienie i/lub temperaturę).
  • Ciśnienie początku otwarcia - ustalone uprzednio ciśnienie, przy którym zawór bezpieczeństwa zaczyna się otwierać w warunkach roboczych (Uwaga: - jest to ciśnienie manometryczne mierzone na A locie zaworu, przy którym siły od ciśnienia dążące do otwarcia zaboru w określonych warunkach roboczych są w równowadze z siłami dociskającymi grzyb zaworu do jego siedliska).
  • Przyrost ciśnienia - przyrost ciśnienia powyżej ciśnienia początku otwarcia, przy którym zawór bezpieczeństwa osiąga skok określony przez producenta, wyrażony zwykle w procentach ciśnienia początku otwarcia (Uwaga: - przyrost ciśnienia jest stosowany do certyfikacji zaworu bezpieczeństwa).
  • Ciśnienie zamknięcia — wartość ciśnienia statycznego na wlocie, przy którym przywrócony jest styk między grzybem a siedliskiem, lub przy którym skok grzyba wynosi zero.

Według wspomnianej normy [1] tolerancja ciśnienia otwarcia wynosi ± 3%, przyrost ciśnienia (wartość określona przez producenta) nie powinien przekraczać + 10% ciśnienia początku otwarcia, zaś spadek ciśnienia (różnica pomiędzy ciśnieniem początku otwarcia a ciśnieniem zamknięcia) dla czynników ściśliwych od 2% do 15%.
Dyrektywa unijna [2] do urządzeń ciśnieniowych zalicza także osprzęt zabezpieczający przeznaczony do zabezpieczenia urządzeń ciśnieniowych, a więc i urządzenia ograniczające ciśnienie.
Tak więc, producent zaworów bezpieczeństwa musi spełniać odpowiednie wymagania unijne, w tym także powinien dostarczyć użytkownikowi stosowną instrukcje obsługi. W instrukcji tej zawarte są informacje dla użytkownika o montażu, uruchamianiu, eksploatacji i konserwacji obejmującej sprawdzania dokonywane w czasie użytkowania.
Urząd Dozoru Technicznego opracował warunki [3] dotyczące urządzeń zabezpieczających urządzenia ciśnieniowe przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, mają one charakter dobrowolnej specyfikacji technicznej. W tych zagadnieniach decydującą rolę odgrywa instrukcja eksploatacyjna urządzenia.
W dokumencie tym wiele miejsca poświęca się zaworom bezpieczeństwa sterowanym i sprawdzaniu ich działania. Według tych warunków [3] konstrukcja zaworu sterowanego powinna umożliwiać ręczne jego otwarcie w miejscu zabudowy. Obwody sterujące, od członu pomiarowego do przynależnego członu sterującego włącznie, powinny zapewniać sprawdzanie w ruchu bez wymuszenia zadziałania zaworu głównego. Sterowany zawór bezpieczeństwa powinien być sprawdzany w regularnych odstępach czasu, określonych w instrukcjach ruchowych zaworu, jednak nie rzadziej niż jeden raz na sześć miesięcy. Sprawdzanie zaworu w mchu należy przeprowadzić w taki sposób, aby można było sprawdzić prawidłowość działania nie tylko zaworu głównego, ale także poszczególnych obwodów sterujących.
Wymagania związane z zaworami bezpieczeństwa sterowanymi zostały również sprecyzowane w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 9 lipca 2003 roku w sprawie warunków technicznych dozoru technicznego w zakresie eksploatacji niektórych urządzeń ciśnieniowych [4], Sterowane zawory bezpieczeństwa kotłów powinny być sprawdzane w terminach określonych w instrukcji ruchowej zaworów, jednak nie rzadziej niż raz na 12 miesięcy. Sprawdzanie zaworów w ruchu przeprowadza się w taki sposób, aby można było sprawdzić prawidłowość działania zaworów głównych oraz poszczególnych obwodów sterujących.
Rozporządzenie [4] zobowiązuje użytkownika do posiadania właściwej instrukcji eksploatacji urządzenia ciśnieniowego.

Tradycyjne wymagania eksploatacyjne sterowanych zaworów bezpieczeństwa

W krajowych elektrowniach i elektrociepłowniach eksploatowane są głównie zawory bezpieczeństwa sterowane produkcji Zakładów Urządzeń Chemicznych i Armatury Przemysłowej CHEMAR - Kielce.

Konstrukcja tych zaworów, a także urządzenia sterującego oparta była o licencje, zakupioną w 1967 roku od niemieckiej firmy Bopp & Reuther.
Praktycznie od tamtego do obecnego czasu, dokumentacja techniczno-ruchowa tych zaworów [5] [6] nie została zmieniona. W wytycznych eksploatacyjnych obowiązują nadal następujące zapisy:

  • zawory bezpieczeństwa są fabrycznie ustawione. Nie zwalnia to jednak użytkownika od obowiązku nastawy lub chociażby kontroli nastawy zaworu w obecności i pod nadzorem UDT;
  • zawory typu SiZ (sterowane) ustawia się w dwóch etapach - pierwszy polega na ustaleniu wstępnego naciągu sprężyny na ciśnienie początku otwarcia; - drugi (zasadniczy) polega na ustawieniu ciśnienia zadziałania urządzenia sterującego;
  • nastawę, kontrolę (ustawianie) opisane wyżej realizuje się poprzez podniesienie ciśnienia w zabezpieczanym naczyniu do wartości zadziałania;
  • każdy zawór co najmniej raz w roku powinien być poddany przeglądowi technicznemu z demontażem zespołu pokrywy (górnego), a po nim kontroli pracy przy pierwszym uruchomianiu.

W instrukcjach eksploatacji kotłów, w rozdziałach dotyczących zaworów bezpieczeństwa uwzględniono te wytyczne, a także zalecenia UDT. We wszystkich udostępnionych przez elektrownie i elektrociepłownie obowiązujących instrukcjach wyróżnić można dwie czynności związane ze sterowanymi zaworami bezpieczeństwa:

  • sprawdzanie działania,
  • sprawdzanie (kontrola) nastaw.

Różnice występują praktycznie w określeniu terminów realizacyjnych. Sprawdzanie działania zaworów ma odbywać się nie rzadziej jak raz na 12 miesięcy. Kontrola nastaw ciśnień początku otwarcia ma odbywać się również nie rzadziej jak raz na 12 miesięcy lub raz na 26 miesięcy. Terminy te są określone, jak wyżej wspomniano w instrukcjach eksploatacyjnych.
Ustalone terminy należy zmieniać w przypadku konserwacji lub remontu zaworu bezpieczeństwa.
Wspólną cechą sprawdzania nastaw jest przyjęta zasada podnoszenia ciśnienia w zabezpieczanym naczyniu do ustalonej wartości zadziałania.
Zasada ta szczególnie w przypadku eksploatowanych przez wiele lat urządzeń zabezpieczanych, już tylko z przyczyn zagwarantowania bezpieczeństwa kontrolujących, powinna być zmieniona. Jednakże należy podkreślić, że określonych w instrukcjach eksploatacyjnych zasad sprawdzania działania zaworów bezpieczeństwa nie można zmieniać samowolnie. W przypadku nowych zasad należy uwzględnić je w nowych instrukcjach, które każdorazowo wymagają uzgodnienia z UDT, jeżeli dotyczą urządzenia objętego dozorem technicznym. Uzasadnienie powyższego stwierdzenia stanowią:

  1. Na przykład dane dla kotła OP 650 i niekorzystne konsekwencje prowadzonych kontroli nastaw, szczególnie dla urządzeń zabezpieczanych długotrwale eksploatowanych w warunkach pełzania wysokotemperaturowego lub zmęczenia cieplno-mechanicznego:
    • w obiegu pary pierwotnej - parametry walczaka prob =15,1 MPa, tr = 347°C, pdop = 16,2 MPa, - parametry wylotu pary pierwotnej prob = 13,5 MPa, tr = 540°C, pdop = 14,3 MPa;
    • przy kontroli nastaw ciśnień początku otwarcia zaworów walczakowych z zastosowaniem obecnych, tradycyjnych zasad, zachodzi bezwzględna konieczność wielokrotnego podnoszenia ciśnienia w walczaku do wartości ponad 16,2 MPa. W czasie tych operacji ciśnienie u wylotu pary pierwotnej wzrasta do wartości około 15 MPa i znacznie przekracza dopuszczalne.
  2. Konieczność poprawy bezpieczeństwa pracy podczas prac kontrolnych.
  3. Względy ekonomiczne, koszty kontroli nastaw dotychczasowymi metodami są bardzo duże.
  4. Skomplikowane przygotowanie urządzeń do kontroli oraz organizacja prowadzenia kontroli nastaw.
  5. Zagraniczni producenci sterowanych zaworów bezpieczeństwa w dokumentacjach techniczno-ruchowych przewidują proponowany przez Spółkę z o.o. TEDSPAW sposób kontroli i nastaw ciśnień początku otwarcia [7] [8].

Proponowane zasady prowadzenia kontroli działania i ciśnień początku otwarcia zaworów bezpieczeństwa

Autor niniejszego artykułu na podstawie wieloletniego doświadczenia oraz własnych analiz, opracował i wdrożył nowe zasady prowadzenia kontroli ciśnień początku otwarcia sterowanych zaworów bezpieczeństwa.

Zasady te mają szczególne znaczenie w przypadku zaworów sterowanych urządzeniami pneumatycznymi produkcji Zakładów Urządzeń Chemicznych i Armatury Przemysłowej CHEMAR Kielce. W krajowym sektorze energetycznym prawie wyłącznie eksploatowane są urządzenia pneumatyczne produkcji Chemar.
Podstawowym udogodnieniem wynikającym z tych zasad jest eliminacja zagrożeń i uciążliwości jakie obecnie mają miejsce przy czynnościach kontrolnych. Prace związane z kontrolą działania oraz kontrolą ciśnień początku otwarcia (nastaw) prowadzone są przy ciśnieniu ruchowym (roboczym).
Poniżej przedstawione zostały ogólne zasady postępowania.

A. Kontrola lub nastawa ustalonego z dozorem technicznym ciśnienia początku otwarcia w pneumatycznym urządzeniu sterującym z wykorzystaniem zewnętrznego źródła ciśnień.

  • Kontrola szczelności układu pneumatycznego - w skład układu pneumatycznego wchodzą: sterujące urządzenie pneumatyczne, ru¬rociągi powietrza sterującego oraz pneumatyczny siłownik zaworu bezpieczeństwa.
  • prawdzenie działania zaworów bezpieczeństwa - chwilowe „zrzucenie” ciśnienia sterującego nad tłokiem siłownika pneumatycznego i po pełnym otwarciu zaworu głównego natychmiastowe jego zamknięcie - czynność wykonać dwukrotnie.
  • Kontrola lub nastawa ciśnień początku otwarcia:
    • podłączyć zewnętrzne źródło ciśnienia (pompka) - miejsce podłączenia uzależnione jest od konstrukcji sterującego urządzenia pneumatycznego;
    • odłączyć sygnał (impuls) ciśnienia z zabezpieczanego urządzenia ciśnieniowego od nastawianego obwodu sterowania (np. systemu „Bourdona”) oraz odpływ powietrza do siłownika pneumatycznego zaworu;
    • zewnętrznym źródłem ciśnienia w nastawianym obwodzie sterowania wytworzyć ciśnienie około 90% żądanego ciśnienia początku otwarcia zaworu - układ winien zachować szczelność - ciśnienie na zadanym poziomie utrzymać się przez ok. 1 minuty;
    • pozytywny wynik kontroli lub nastawy - sytuacja, w której przy osiągniętym ciśnieniu nastawy w pneumatycznym układzie powietrza jego ciśnienie nad tłokiem zacznie spadać;
    • dla każdego obwodu sterowania próbę wykonać trzykrotnie;
    • sposób regulacji węzła sterującego zgodny z konstrukcją sterującego pneumatycznego urządzenia;
    • w czasie kontroli lub nastawy (zmiany) ciśnienia początku otwarcia zawór bezpieczeństwa fizycznie nie jest otwierany;
    • zmiany ciśnień początku otwarcia zaworów bezpieczeństwa muszą być dokonywane w uzgodnieniu z UDT i w obecności inspektora Urzędu Dozoru Technicznego,
    • parametry pracy (ciśnienie pary, obciążenie brutto turbiny,...) w czasie kontroli lub nastawy i ich ewentualne zmiany winny być każdorazowo ustalane z Elektrownią/ Elektrociepłownią.

B. Kontrola lub nastawa napięcia sprężyny głównej zaworu bezpieczeństwa gwarantująca zabezpieczenie urządzenia ciśnieniowego do ustalonego z dozorem technicznym ciśnienia początku otwarcia zaworu.

    • Kontrola szczelności układu pneumatycznego - w skład układu pneumatycznego wchodzą: sterujące urządzenie pneumatyczne, rurociągi powietrza sterującego oraz pneumatyczny siłownik zaworu bezpieczeństwa.
    • Sprawdzenie działania zaworów bezpieczeństwa - chwilowe „zrzucenie” ciśnienia sterującego nad tłokiem siłownika pneumatycznego i po pełnym otwarciu zaworu głównego natychmiastowe jego zamknięcie - czynność wykonać dwukrotnie.
    • Kontrola lub nastawa napięcia sprężyny głównej:

      • odłączyć powietrze znajdujące się w sterującym urządzeniu pneumatycznym - sposób wykonania tej czynności zależny jest od konstrukcji urządzenia;
      • do rurociągowej instalacji powietrza "pod tłok" i "nad tłok" podłączyć specjalne urządzenie regulacyjne;
      • przy pracującym kotle - (ciśnienie ruchowe) należy w kontrolowany sposób wprowadzać powietrze pod tłok siłownika pneumatycznego kontrolowanego zaworu bezpieczeństwa;
      • w czasie prac kontrolnych lub nastawczych rejestrowane jest ciśnienie robocze w instalacji impulsowej, rejestrowane są zmiany ciśnienia powietrza pod tłok oraz sygnał początku otwarcia zaworu;
      • wartość ciśnienia powietrza podawanego pod tłok, przy określonym ciśnieniu ruchowym w chwili tzw. rozszczelnienia zaworu bezpieczeństwa rozstrzyga o poprawności nastaw;
      • zbyt małe w stosunku do wymagań ciśnienie powietrza powodujące rozszczelnienie zaworu bezpieczeństwa jest dowodem na zbyt małe napięcie sprężyny głównej, natomiast wyższe od wymagań świadczy o sytuacji odwrotnej;
      • zaistnienie przypadków opisanych wyżej powoduje konieczność regulacji napięcia sprężyny głównej zaworu bezpieczeństwa. Sposób regulacji napięcia sprężyny głównej i jej zabezpieczenie zgodnie z zaleceniami producenta zaworów;
    • po ustawieniu koniecznego napięcia sprężyny zaworu bezpieczeństwa należy opisanym sposobem, dwukrotnie kontrolować poprawność nastawy. Pełne otwarcie zaworu nie jest konieczne i nie jest zalecane;
    • zmiany ciśnień początku otwarcia zaworów bezpieczeństwa muszą być dokonywane w uzgodnieniu z UDT i w obecności inspektora Urzędu Dozoru Technicznego.
    • parametry pracy (ciśnienie pary, obciążenie brutto turbiny, ...) w czasie kontroli lub nastawy i ich ewentualne zmiany winny być każdorazowo ustalane z elektrownią/elektrociepłownią.

Wyniki kontroli nastaw zaworu bezpieczeństwa według nowych zasad

Przedstawione wyniki dotyczą kontroli zaworu bezpieczeństwa z wyłączonym sterowaniem, czyli pracującego jako zawór bezpośredniego działania dla którego proces otwarcia odbywa się wyłącznie pod wpływem siły wywieranej przez czynnik roboczy oraz przeciwstawnej siły sprężyny głównej.
Prace kontrolne prowadzono w dwóch elektrowniach krajowych i zastosowano procedury opracowane przez autora oraz tradycyjne. Początkowo kontrolę nastaw (korektę nastaw) ciśnień początku otwarcia zaworów wykonano metodą proponowaną (nową) a następnie tradycyjną, tj. poprzez podnoszenia ciśnienia w zabezpieczanym naczyniu do ustalonej wartości zadziałania. Uzyskane wyniki podano w tabeli.

Do obliczenia rzeczywistego ciśnienia początku otwarcia wykorzystano wzór:

Ppotw(rzecz) - obliczeniowe ciśnienie początku otwarcia zaworu (pochodna napięcia głównej sprężyny) w chwili otwarcia (rozszczelnienia) kontrolowanego zaworu bezpieczeństwa [bary];

Pr - ciśnienie robocze (pracy) w zabezpieczanym urządzeniu w chwili otwarcia (rozszczelnienia) kontrolowanego zaworu bezpieczeństwa [bary];

Ppow - ciśnienie powietrza w komorze pod tłokiem w siłowniku pneumatycznym kontrolowanego zaworu bezpieczeństwa w chwili jego otwarcia (rozszczelnienia) [bary];

Ds - średnica siedliska kontrolowanego zaworu z uwzględnieniem „podtoczenia” [cm];

Dz - wewnętrzna średnica tulei cylindra współpracującego z częścią tłoka siłownika pneumatycznego o większej średnicy [cm];

Dw - wewnętrzna średnica tulei prowadzącej współpracującej z częścią tłoka siłownika pneumatycznego o mniejszej średnicy [cm].

Analiza uzyskanych wyników potwierdza pełną zamienność zastosowanych procedur kontroli ciśnień początku otwarcia zaworów bezpieczeństwa sterowanych, które dla tego celu pracowały jako zawory bezpośredniego działania.
W niniejszym artykule nie opisano szczegółowo wyników przeprowadzonych prób kontroli nastaw ciśnień początku otwarcia w obwodach sterowniczych pneumatycznego urządzenia sterowniczego z wykorzystaniem zewnętrznego źródła ciśnienia. Próby takie, a także nastawa obwodów sterowniczych po przeprowadzonych remontach urządzeń sterowniczych była wielokrotnie prowadzona. Zawsze uzyskano wynik pozytywny - dla urządzenia sterującego nie ma znaczenia czy układ pomiarowy zasilany jest z urządzenia zabezpieczanego, czy z zewnętrznego (dodatkowego) źródła ciśnienia. Nie stwierdzono znaczących różnic w uzyskanych rezultatach przy zastosowaniu procedur tradycyjnych czy też nowych.

Podsumowanie - wnioski

  • Dążenie do poprawy bezpieczeństwa pracy kontrolujących w elektrowniach lub elektrociepłowniach wartości nastaw ciśnień otwarcia zaworów bezpieczeństwa sterowanych uzasadnia potrzebę poszukiwania procedur, które zastąpią tradycyjne.
  • Przedstawione w niniejszym artykule, sprawdzone praktycznie kontrolne procedury w pełni gwarantują osiąganie celów związanych z koniecznością okresowego sprawdzania nastaw zaworów bezpieczeństwa sterowanych.
  • Stosowanie proponowanych nowoczesnych procedur sprawdzania i kontroli nastaw ciśnień początku otwarcia:
    • obniża naprężenia kontrolne (próbne) w urządzeniach ciśnieniowych. Ma to szczególne znaczenie dla urządzń ciśnieniowych długotrwale eksploatowanych w warunkach pełzania wysokotemperaturowego lub cieplno-mechanicznego obciążenia;
    • znacznie zmniejsza koszty przeprowadzenia tych prac w elektrowniach i elektrociepłowniach.
  • Opracowane w Spółce z o.o. TEDSPAW Kielce instrukcje sprawdzania i kontroli nastaw ciśnień początku otwarcia zaworów bezpieczeństwa sterowanych powinny stanowić podstawę do dyskusji merytorycznych, a w konsekwencji do zaleceń stosowania tego sposobu.

PIŚMIENNICTWO

  1. PN-EN ISO 4126-1 Urządzenia zabezpieczające przed nadmiernym wzrostem ciśnienia. Część 1: Zawory bezpieczeństwa.
  2. 97/23/WE Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie zbliżenia praw państw członkowskich dotyczących urządzeń ciśnieniowych.
  3. WUDT-UC WO-A/Ol Warunki Urzędu Dozoru Technicznego. Urządzenia Ciśnieniowe. Wymagania ogólne. Osprzęt - urządzenia zabezpieczające przed nadmiernym wzrostem ciśnienia.
  4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki społecznej z dnia 9 lipca 2003 roku w sprawie warunków technicznych dozoru technicznego w zakresie eksploatacji niektórych urządzeń ciśnieniowych (Dz.U. z dnia 1 sierpnia 2003 r.).
  5. Armatura Przemysłowa. Średnio i Wysokociśnieniowe Zawory Bezpie¬czeństwa typu Si 7508 i SiZ 2507. Dokumentacja Techniczno-Ruchowa nr 015.15.1. Kielce, luty 1980 rok.
  6. Armatura Przemysłowa. Średnio i Wysokociśnieniowe Zawory Bezpie¬czeństwa typu Si 7508 i SiZ 2507. Dokumentacja Techniczno-Ruchowa nr 015.15.1. Kielce, 2001 rok.
  7. Sempell Pneumatic Control Device for Safety Valves Typ STE 4 Typ STE 5.
  8. Bopp & Reuther Pneumatic Control Device for Safety Valves Typ PC 5310-5313 lub PC 50.

Kontakt

tel: 41 346-47-35
kom: 533033322, 533033321, 533033320

Napisz do nas:

Nasz adres:

Diagnostyka Techniczna-Badania Spółka z o. o.

ul. Za Walcownią 2B
25–817 Kielce

Nasza druga lokalizacja:
Ul. Olszewskiego 6
25-663 Kielce