Введение

Термически срабатывающий предохранительный клапан, водослив в плотинах.

Предохранительная пробка представляет собой резьбовой цилиндр из металла, обычно бронзы, латуни или силумина, с коническим отверстием, просверленным на всю длину. Это отверстие запечатывается металлом с низкой температурой плавления, который вытекает при достижении заданной высокой температуры. Изначально предохранительная пробка использовалась в качестве меры предосторожности против низкого уровня воды в котлах паровых машин, но впоследствии ее применение расширилось на другие герметичные сосуды, такие как системы кондиционирования воздуха и резервуары для транспортировки коррозионных или сжиженных углеводородных газов.

Цель

Предохранительная пробка действует как предохранительный клапан при достижении опасных температур, а не давлений, в закрытом сосуде. В паровых котлах предохранительная пробка вкручивается в верхнюю стенку (верхнюю пластину) топки, обычно выступая примерно на дюйм (25 мм) в водяное пространство над ней. Её назначение – служить последним средством защиты в случае опасного падения уровня воды: когда верхняя часть пробки оказывается вне воды, она перегревается, сердцевина с низкой температурой плавления расплавляется, и последующий шумный выброс пара в топку предупреждает операторов об опасности до того, как верхняя часть топки полностью высохнет, что может привести к катастрофическому разрушению котла. Температура дымовых газов в топке паровой машины может достигать 1000 °F (550 °C), при которой медь, из которой исторически изготавливались большинство топок, размягчается до состояния, не способного выдерживать давление в котле, и в случае отсутствия быстрого поступления воды в котел и удаления или тушения огня произойдет серьезный взрыв. Отверстие в пробке слишком мало, чтобы существенно снизить давление пара, и небольшое количество воды, если оно вообще проходит через него, не окажет значительного влияния на тушение огня.

История

Устройство было изобретено в 1803 году Ричардом Тревитиком, сторонником паровых двигателей высокого давления (в отличие от атмосферных), из-за взрыва в одном из его новых котлов. Его критики спешили осудить саму идею паровых двигателей высокого давления, но Тревитик доказал, что авария произошла по вине кочегара, который не следил за уровнем воды в котле. Он широко рекламировал свое изобретение, не получая патент, чтобы опровергнуть эту критику.

Эксперименты

Эксперименты, проведенные Институтом Франклина в Бостоне в 1830-х годах, изначально ставили под сомнение практику добавления воды сразу после обнаружения выхода пара из устройства. Паровой котел был оборудован небольшим смотровым окном из стекла и нагревался выше нормальной рабочей температуры при уровне воды ниже верхней части топки. Когда вода добавлялась, было обнаружено, что давление внезапно возрастает, и смотровое стекло разбивалось. В отчете заключалось, что высокая температура металла слишком быстро превращала добавленную воду в пар, и взрыв был неизбежным результатом. Лишь в 1852 году это предположение было оспорено: Томас Редмонд, один из инспекторов Института, конкретно отверг эту теорию в своем расследовании взрыва котла на пароходе «Редстоун» на реке Огайо 3 апреля того года. Аналогичное расследование, проведенное в 1907 году в Уэльсе, пришло к схожим выводам: паровоз, принадлежащий железной дороге Римни, был случайно отправлен с неправильно собранными предохранительными клапанами. Давление в котле поднялось настолько, что инжекторы вышли из строя; верхняя стенка топки осталась открытой, ослабла от жара и взорвалась. Расследование, возглавляемое полковником Дрюитом из Инспекции железных дорог, отвергло теорию о том, что машинистам удалось запустить инжекторы, и что внезапный приток холодной воды вызвал такое образование пара, что котел разорвало. Он привел результаты экспериментов, проведенных Ассоциацией пользователей паровых машин Манчестера – национальной организацией по сертификации и страхованию котлов, которые показали, что масса присутствующей меди (с учетом ее удельной теплоемкости) была недостаточной для образования достаточного количества пара, чтобы вообще повысить давление в котле. Фактически, добавление холодной воды приводило к снижению давления. С тех пор стало общепринятым, что правильным действием при срабатывании предохранительного клапана является добавление воды.

Стержни с ядром

Первоначальная конструкция представляла собой простую цельную пробку, заполненную вставкой из сплава с низкой температурой плавления. Когда этот сплав плавится, он сначала плавится в виде узкого канала через пробку. Пар и вода немедленно начинают выходить через этот канал. В 1860-х годах была разработана пробка с сердечником, чтобы обеспечить широкое отверстие сразу после размягчения сплава. Эта версия имеет цельный латунный или бронзовый сердечник, припаянный на место слоем сплава с низкой температурой плавления. При перегреве пробка не выпускает пар или воду, пока сплав не расплавится настолько, чтобы освободить сердечник. Теперь пробка выходит из строя резко, мгновенно открывая все свое отверстие. Этот поток через все отверстие затем с большей вероятностью будет замечен.

Неопознанные расплавленные пробки

Недостаток конструкции был выявлен 7 марта 1948 года, когда коронный лист топки локомотива Princess Alexandra, типа Coronation Pacific, принадлежавшего компании London, Midland and Scottish Railway, разрушился при буксировке пассажирского поезда из Глазго в Лондон. В ходе расследования установлено, что оба водомерных стекла были неисправны, а во время предыдущего рейса в тот же день один или оба предохранительных пробки расплавились, но это осталось незамеченным машинистом и помощником машиниста из-за сильного сквозняка, который уносил выходящий пар.

Состав сплава

Исследование показало важность сплава в процессе старения пробки. Сплавы изначально были предпочтительны, так как предлагали более низкие температуры эвтектического плавления, чем чистые металлы. Однако было обнаружено, что сплавы плохо поддаются старению и могут способствовать образованию матрицы оксидов на водной поверхности пробки, эта матрица обладает опасно высокой температурой плавления, что делает пробку неработоспособной. В 1888 году Служба инспекции пароходов США установила требование, чтобы пробки изготавливались из чистого банкового олова и заменялись ежегодно. Это позволило избежать загрязнения свинцом и цинком. Загрязнение цинком считалось настолько серьезной проблемой, что материал корпуса пробки также был изменен с латуни (сплав меди и цинка) на медь-оловянную бронзу, не содержащую цинк, чтобы избежать риска миграции цинка из корпуса в сплав пробки.

Старость вилки

В 1920-х годах исследования, проведенные Бюро стандартов США совместно со Службой инспекции пароходов, показали, что в процессе эксплуатации отложения и окисление поверх плавящегося сердечника могут повышать температуру плавления устройства и препятствовать его срабатыванию в нужный момент: в использованных образцах были зафиксированы температуры плавления, превышающие 2000 °F (1100 °C).

Другие применения

Принцип расплавляемой пробки также применяется к транспортировке сжиженных нефтяных газов, где расплавляемые пробки (или небольшие, открытые участки мембраны обшивки контейнеров) предназначены для плавления или становятся пористыми при достижении слишком высокой температуры: контролируемое высвобождение при типичной температуре 250 °F (120 °C) предпочтительнее взрывного высвобождения (BLEVE) при более высокой температуре. Контейнеры для коррозионных газов, такие как те, которые используются для жидкого хлора, снабжены одной или несколькими расплавляемыми пробками с рабочей температурой около 158–165 °F (70–74 °C). Расплавляемые пробки широко используются в колесах самолетов, как правило, в больших или высокопроизводительных самолетах. Очень большие тепловые нагрузки, возникающие при нештатных условиях посадки и торможения (например, при отмене взлета на высокой скорости, когда самолет, загруженный топливом, должен резко затормозить с очень высокой скорости до остановки на относительно коротком расстоянии), могут привести к тому, что и без того высокое давление в шинах повысится до такой степени, что шина может лопнуть, поэтому расплавляемые пробки используются в качестве предохранительного механизма. Выделяющийся газ может направляться для охлаждения тормозных поверхностей. В качестве меры предосторожности против воспламенения любых паров смазочного масла, которые могут присутствовать, в приемники воздушных компрессоров иногда устанавливаются расплавляемые пробки. Если работа компрессора нагревает воздух выше безопасной температуры, сердечник расплавится и сбросит давление. Автомобильные системы кондиционирования воздуха обычно оснащались расплавляемыми пробками, работающими при 100–110 °C, но из-за опасений по поводу воздействия на окружающую среду любого выделяемого хладагента эта функция была заменена электрическим переключателем. Патентованный (патент опубликован в 1867 году) тип огнестойкого сейфа использует расплавляемую пробку для заливки содержимого водой, если внешняя температура становится слишком высокой. Расплавляемые пробки повышают безопасность жидкоториевых ядерных реакторов на тории, предотвращая перегрев реактора. В случае достижения предельной температуры расплавляемая пробка, расположенная в нижней части реактора, плавится, позволяя жидкому ядерному топливу сливаться в подземные резервуары для хранения, предотвращая ядерный расплав.