2. Виды трубопроводной арматуры
2.1. Запорная арматура
2.1. 1. Арматура с прямолинейным перемещением штока (линейная арматура)
ЗАДВИЖКИ
Задвижки являются наиболее распространенным видом трубопроводной арматуры. Они состоят из следующих основных деталей: корпуса, крышки, запирающего элемента и шпинделя. Запирающий элемент перемещается между уплотнительными кольцами корпуса посредством шпинделя, закрывая при этом проход для потока жидкости.
Классификация задвижек представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1.. Классификация задвижек
Конструктивно задвижки делятся на задвижки клиновые и параллельные по типу расположения уплотнительных поверхностей.
Задвижки клиновые делятся на задвижки с жестким сплошным и упругим клином, а также двухдисковые. Задвижки параллельные делятся на листовые (шиберные), однодисковые и двухдисковые.
Задвижки подразделяются на полнопроходные и с зауженным проходом, применяемым в ряде случаев, например, при высоком перепаде давлений. Задвижки подразделяются на задвижки с невыдвижным и выдвижным шпинделем, где применяются резьбовые пары, установленные снаружи и не контактирующие со средой, шланговые задвижки, и прочие (коробчатые, поворотные и др.).
Основными положениями для запирающего элемента являются или полностью открытое или полностью закрытое. Задвижки, имеющие внутри корпуса шпиндель с приводной гайкой, находящимся в контакте со средой, являются задвижками с невыдвижным шпинделем (рис. 2.2.).
Рис. 2.2. Задвижка с невыдвижным шпинделем
Такие задвижки не применяются в случаях загрязненных или коррозионных сред. Для подобных условий применяются резьбовые пары, установленные снаружи, вне контакта с рабочей средой. Это задвижки с выдвижным шпинделем (рис. 2.3.).
Рис. 2.3. Задвижка с выдвижным шпинделем
Задвижки широко распространены для пропуска сплошного потока среды. Запирающий клин или диски выводятся из траектории движения потока и обеспечивают минимальный перепад давления (гидравлическое сопротивление) пара, воды, газа и многих других сред. Однако задвижки не могут быть рекомендованы для целей регулирования потока, поскольку вероятно возникновение эрозии на деталях в положениях, близких к закрытию.
Основные детали могут выполняться в различных исполнениях и снабжаются патрубками с резьбой, под приварку и фланцами. Задвижки изготавливаются в широком диапазоне конструктивных исполнений, включающих различные запирающие элементы, уплотнительные седла для удовлетворения различных требований эксплуатации.
Задвижки со сплошным клином
В этих задвижках запирающий элемент выполнен в виде сплошного клина с соответствующими исполнениями уплотнительных колец в корпусах задвижек (рис. 2.4.).
Рис. 2.4. Задвижка со сплошным клином
Преимущества резьбы на шпинделе, действующей с учетом угла клина, обеспечивают соответствующее распределение усилий, включающих давление среды, без необходимости приложения больших усилий на маховике. Уплотнительные поверхности выполняются металл-по-металлу, наплавляемыми твердыми наплавками (например, стеллитом, ЦН 6, ЦН 12), с фторопластовыми кольцами, запрессованными в клин, или могут быть полностью защищены покрытием типа фторопласта. В некоторых конструкциях уплотнительные поверхности выполняются из упругого материала. Это обеспечивает плотное перекрытие потока малым крутящим моментом.
Мягкое уплотнение применяется, в основном, для целей управления коррозионными или чистыми средами, (например, питьевой водой).
Конструкция задвижек с мягким уплотнением хорошо осуществляет уплотнение, обеспечивая герметичность во входном и выходном патрубках. Патрубок для дренажа предусматривается в центральной камере между уплотнительными поверхностями. Об утечке можно судить по течи через дренажный патрубок.
Для целей водоснабжения используются чугунные задвижки с цельным клином, в которых клин покрывается эластомерным материалом.
Задвижки с упругим клином
Для исключения прикипания при высоких температурах и достижения хорошей герметичности разработан упругий диск, состоящий из двух половин, соединенных в центре, например, коротким валом, позволяющим менять половинкам клина положение друг относительно друга на несколько градусов (рис. 2.5.). Упругий клин делает задвижку герметичной с двух сторон в широком диапазоне давлений и температур и требует минимального управляющего усилия.
Рис 2.5. Упругий клин
Двухдисковые задвижки
Запирающий элемент выполнен в виде двух дисков, которые прижимаются к параллельным седлам посредством клина, принудительно раздвигающего диски (рис. 2.6.).
Рис 2.6. Двухдисковая задвижка
Это обеспечивает герметичность уплотнения, как на входе, так и на выходе независимо от влияния перепада рабочей среды. Первым движением на открытие диски освобождаются от усилия прижатия к седлам, и дальнейший подъем происходит без трения, что предохраняет уплотнительные поверхности от износа.
Двухдисковые задвижки используются в водяных, нефтяных и газовых магистральных трубопроводах. Для пара двухдисковые задвижки обычно не применяют, поскольку быстрое расширение и высокая скорость потока пара вызывают вибрацию внутренних деталей, что является причиной ускоренного износа.
Если растущая температура воздействует на закрытую задвижку, возрастает опасность роста давления между дисками.
Однако, благодаря перпендикулярности к оси патрубков и параллельности друг другу, ремонт или притирка уплотнительных поверхностей в этих задвижках осуществляется легче, чем в задвижках с клиновым запирающим элементом.
Выбор конструкции задвижек должен быть направлен на получение оптимального соотношения цены и качества.
Пример: сравним 4 исполнения стальных задвижек по клиньям: 1) цельный клин;
2) цельный клин с фторопластовым уплотнением;
3) упругий разрезной клин;
4) 2-х дисковый клин.
Каждое из этих исполнений имеет как положительные, так и отрицательные стороны.
Наименьшей металлоемкостью обладают задвижки с цельным клином, но в тоже время для обеспечения герметичности по затвору являются и самыми трудоемкими при подгонке углов между корпусом и клином. А 2-х дисковые задвижки наоборот, являются самыми металлоёмкими, но позволяют с меньшими трудозатратами добиться нужной герметичности по затвору.
Задвижки с упругими разрезными клиньями занимают промежуточное положение по этим свойствам. Наилучшими, в этом плане, являются задвижки с цельным клином с фторопластовым уплотнением, но их применение ограничено по температуре и повышенными требованиями к отсутствию примесей в рабочей среде.
Шиберные (однодисковые) задвижки с толстостенным шибером
Запирающий элемент (шибер) в некоторых модификациях задвижек выполнен в форме плиты с параллельными уплотнительными поверхностями (рис. 2.7.).
Рис. 2.7. Шиберная задвижка с массивным (толстостенным) шибером
В нем выполнено отверстие с диаметром, равным диаметру патрубков, которое устанавливается против патрубков в открытом положении. В закрытом положении против патрубков находится плита без отверстия. Задвижка характеризуется формой корпуса, имеющего высоту над патрубками больше традиционной для размещения удвоенной высоты запирающего элемента.
Простота, полнопроходность, неразрывность потока рабочей среды, возможность получения различных рабочих характеристик уплотнений в седлах и запирающем элементе делает эти задвижки широко применяемыми у различных потребителей.
Шиберные ножевые задвижки
Как следует из названия, в ножевые задвижки устанавливается запирающий элемент с острой кромкой, подобной ножу или гильотине, для перекрытия потока рабочей среды (рис. 2.8.).
Рис. 2.8. Шиберная ножевая задвижка
Ножевой запирающий элемент помещается в корпусе, но обычная конструкция сальникового уплотнения не может быть применена. Задвижки идеально подходят для использования на вязких, порошкообразных средах, пульпах, шламах, сточных водах и применяются в горной, пищевой, цементной, целлюлозно-бумажной промышленности. Ножевые задвижки изготавливаются с уплотнениями металл-по-металлу или мягкими седлами, которые полностью герметичны в обоих направлениях.
Существуют шиберные задвижки с корпусами прямоугольной формы (рис. 2.9.).
Рис. 2.9. Коробчатая задвижка с корпусом прямоугольной формы
Эти конструкции предназначены для управления большими объемами чистой воды и/или сточных вод, а иногда – на газоходах особо крупных размеров и обычно изготавливаются из листовой стали или чугуна.
Коробчатые задвижки прямоугольной формы изготавливаются с преимущественным соотношением размеров сторон 2:3 при вертикальном монтаже и 4:3 при горизонтальном. Маховики применяются обычные, шпиндель выдвижной, допускающий контакт с жидкостью и легкое пополнение смазки.
Параллельные задвижки
Параллельные двухдисковые задвижки с начала прошлого века и до настоящего времени остаются самой распространённой конструкцией. Заводы, начинающие производство арматуры, (Лангензипена в 1878, Георгиевский чугунолитейный в 1912, Мышегский арматурный в 1938 году и другие), первой изготавливали именно эту задвижку. Сегодня она известна по т/ф 30чббр (30ч90ббр) (рис. 2.10.)
Рис. 2.10. Параллельная двухдисковая задвижка
Дальнейшее развитие получили параллельные двухдисковые задвижки с пружинами, установленными между дисками. Пружины прижимают диск с незначительным усилием к уплотнительным кольцам, а герметичность обеспечивается только в седле на выходе, когда давление отодвигает диск на входе и передает усилие для уплотнения на выходной диск. Когда давление во входном патрубке и полости между дисками выравнивается, пружина прижимает диск на входе к седлу.
Параллельные задвижки используются на небольших перепадах давления, необходимых для достижения герметичности и очистки систем. При закрытии обеспечивается изменение угла между дисками, как в задвижках с упругим клином, для расширения параметров, когда требуется применение при изменении температуры в широком диапазоне. Это делает конструкцию идеальной для использования на паре.
Практика применения задвижек выявила несколько основных правил сильных решений при разработке задвижек. Для любых задвижек с металлическим уплотнением для получения герметичности высокого класса и долговечности целесообразно выполнять следующие рекомендации:
– ширина уплотнительных поверхностей клина должна быть больше ширины уплотнительных поверхностей корпуса. Это исключает возникновение вмятин на корпусе от колец клина;
– твёрдость поверхностей клина должна быть выше, чем у аналогичных поверхностей на корпусе не менее чем на 30 единиц по Бринеллю;
– корпус в области расположения уплотнительных поверхностей должен выполняться массивным для исключения монтажных деформаций.
Приведённая рекомендация актуальна и для других видов арматуры. Несмотря на требования инструкций по эксплуатации, запрещающих нагружение патрубков арматуры при монтаже, это явление имеет место в жизни, когда арматура воспринимает нагрузки от исправления несоосности трубопроводов относительно арматуры, и объективно существуют трудности выполнения точной подгонки труб, предназначенных для соединения с арматурой. Последняя вынуждена воспринимать нештатные нагрузки, что приводит к нарушению точности геометрии уплотнительных поверхностей и их подгонки при сборке. Поэтому необходимо выполнять патрубки менее жёсткими, чем другие элементы конструкции.
Шланговые задвижки
Шланговые задвижки – наиболее простые конструкции арматуры, где используют эластомерные патрубки или трубы, которые могут быть пережаты в средней части. Используются траверсы, шпиндель с маховиком, а стенки патрубка пережимаются траверсами до соприкосновения, обеспечивая полное закрытие прохода (рис. 2.11.).
Рис. 2.11. Шланговая задвижка
Управляющий механизм и корпус арматуры не контактируют с рабочей средой. Это делает задвижки чрезвычайно эффективными в управлении агрессивными и сильно коррозионными средами, а их полнопроточные гидравлические характеристики обеспечивают хорошие результаты в управлении пульпами, вязкими, сыпучими средами и взвесями.
Патрубки шланговых задвижек изнашиваются и требуют замены, но конструкция задвижек настолько проста, что замена патрубков может быть легко осуществлена. Патрубки не могут быть восстановлены обычным обслуживанием в связи с экстремальными деформациями, работой с пережимом и интенсивным повреждением от воздействия абразивов и поэтому требуют профилактического ремонта. Задвижки используются преимущественно в горной промышленности, на целлюлозно-бумажных комбинатах, в металлургии, стекольной промышленности и производстве пищевых продуктов.
Исполнение шпинделей
Существуют три базовых исполнения резьбовых пар шпинделя и ходовой гайки, различаемые по расположению в арматуре:
а). Внутреннее расположение, выдвижной шпиндель.
b). Внутреннее расположение, невыдвижной шпиндель.
c). Наружное расположение, выдвижной шпиндель.
Внутреннее расположение и выдвижной шпиндель легки в изготовлении и наиболее широко применяются в арматуре малых размеров. Их полезным свойством является возможность определить положение запирающего элемента по положению шпинделя. Однако внутренний резьбовой узел не используется в случае применения задвижек на коррозионно-активных или вредных средах, вызывающих эрозию, а также на высокотемпературных средах, когда их применение может стать причиной заклинивания резьбы внутри корпуса арматуры.
В случае внутренней резьбы и невыдвижного шпинделя, последний не имеет осевого перемещения, и совершает только вращательное движение. Это исполнение применяется преимущественно в случаях, когда ограничена высота помещения. Устранение подъема и опускания шпинделя снижает износ сальникового уплотнения, а также внесение в рабочую среду загрязнений.
Во внешнем резьбовом узле при выдвижном шпинделе резьбовая пара расположена снаружи корпуса арматуры и не подвержена воздействию рабочей среды. Резьба шпинделя удобна для смазывания, а положение шпинделя соответствует степени открытия прохода. Высота помещения должна быть достаточной для полного хода шпинделя, который необходимо защитить от повреждений.
Основные технические характеристики задвижек
Основные технические характеристики шланговых задвижек
ЗАПОРНЫЕ КЛАПАНЫ
Запорные клапаны с резьбовыми шпинделями создаются для регулирования или перекрытия потока среды. Они открывают и закрывают проход немного быстрее, чем задвижки, и являются эффективными, когда необходимы частые переключения или регулирование.
Они, однако, неэффективны для управления легкокипящими жидкостями, поскольку могут вызывать разрыв потока в связи с изменением направления движения жидкости.
Общий вид клапана показан на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Запорный клапан проходной
1 – корпус; 2 – затвор (золотник); 3 – крышка; 4 – сальниковая набивка;
5 – шпиндель; 6 – ходовая гайка; 7 – маховик; 8 – фланец сальника;
9 – нажимная втулка; 10 – седло корпуса; 11 – парубок под приварку
к трубопроводу (присоединительный патрубок)
Поток через запорные клапаны, в отличие от потока в задвижках, изменяет направление движения. Клапаны имеют высокий коэффициент гидравлического сопротивления, зачастую вызывают турбулентность и приводят к существенным потерям давления.
Классификация клапанов представлена на рис. 2.13.
Рис. 2.13. Классификация клапанов
По типу корпуса их разделяют на проходные, угловые, прямоточные. По типу уплотнения на сальниковые и бессальниковые. По типу герметизирующего элемента на сильфонные, мембранные и шланговые. По типу затвора на тарельчатые, поршневые, мембранные и шланговые. По типу привода – с ручным приводом, электроприводом, пневматическим и гидравлическим приводом.
При регулировании потока степень открытия проходного сечения пропорциональна числу оборотов маховика. Оператор может приблизительно оценить величину расхода по числу оборотов маховика. Например, если для полного открытия клапана необходимо сделать 4 оборота, один оборот соответствует 25 % расхода, два оборота – 50 % и т. д.
Золотник может иметь различные конфигурации для получения лучших гидравлических характеристик. Он может быть выполнен конической формы в сочетании с коническим седлом в корпусе, позволяющим получить удовлетворительную гидравлическую характеристику и хорошую устойчивость к задиру, эрозионному износу и рискам, возникающим в процессе регулирования (дросселирования).
Другая специальная конструкция клапана может использовать полый золотник V-образной формы или корпус с обработанным по заданному контуру седлом для расширения диапазона изменения расхода.
Седло и золотник с уплотнением из фторопласта или другого пластика используется для достижения герметичного закрытия от незначительного (минимального) усилия.
Мягкое уплотнение, однако, быстро повреждается от возникновения на нем рисок.
Как правило, золотник и шпиндель являются отдельными деталями и соединяются таким образом, что золотник поворачивается независимо от шпинделя. Это позволяет золотнику контактировать с седлом по большой площади, но с трением, что может вызвать повреждение уплотнительных поверхностей.
Заменой золотника можно продлить ресурс клапана в системе после демонтажа вместе с крышкой. Уплотнительные характеристики могут быть также быстро восстановлены до состояния «как новые» заменой уплотнительных колец.
Конфигурации корпусов запорных клапанов описаны ниже:
1. Проходной клапан с входным и выходным патрубками, расположенными на одной оси.
2. Угловой клапан с входным и выходным патрубками, расположенными под углом 90о. Поток делает в нем только один поворот, что уменьшает падение давления по сравнению с прямоточными (проходными) клапанами. Для лучших схемных решений угловые клапаны могут, с целью экономии фитингов, использоваться как 90-градусные отводы (рис. 2.14.)
Рис. 2.14. Запорный клапан угловой
3. Наклонная конструкция с входным и выходным патрубками, расположенными на одной оси, но проходное отверстие выполнено наклонным, что обеспечивает благоприятные условия для движения потока, в результате чего становятся меньше потери давления на клапане (рис. 2.15.).
Рис. 2.15.. Прямоточный запорный клапан
4. Игольчатая конструкция для обеспечения лучших характеристик регулирования потока, обычно применяемая на арматуре малых диаметров. Золотник выполнен с заостренным (игольчатым) профилем и изготовлен заодно со шпинделем, который садится в отверстие седла. Резьба шпинделя выполняется с большей точностью, чем обычно, для обеспечения добротного регулирования потока (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Игольчатый запорный клапан
Хотя размеры запорных клапанов могут быть много большими, стандартные проходы не превосходят 200 мм (8″). Свыше этих размеров осевые нагрузки на шпиндель от давления среды, действующего на площадь золотника, делают ручное управление затруднительным или даже невозможным.
Специальные разгруженные конструкции предусматривают уравновешивание осевых усилий от золотника и делают управление легче.
Запорные клапаны могут быть с выдвижным шпинделем, что позволяет осуществлять визуальный контроль за положением золотника и степенью открытия клапана, и облегчает смазку резьбовой пары. С другой стороны, невыдвижной шпиндель также имеет применение, так как позволяет осуществлять монтаж в условиях, ограниченных по высоте и уменьшить износ. Они обычно изготавливаются из чугуна, углеродистой, карбамидной и нержавеющей сталей, бронзы или латуни для использования на воде, нефти, маслах, в химической промышленности и строительстве. Для увеличения срока службы на уплотнительных поверхностях стальных клапанов применяется наплавка золотников легированной сталью с 13 % содержанием хрома или стеллитом.
Практика использования и проектирования клапанов позволяет предложить некоторые рекомендации при их выборе:
– в запорных клапанах, предназначенных для работы с количеством циклов более 1000 следует применять плоское уплотнение;
– конусное уплотнение целесообразно использовать при наличии в рабочей среде загрязнений;
– в клапанах с конусным уплотнением золотник и шток не должны вращаться, причём, чем выше рабочее давление и температура, тем более жесткие допуски на размеры и геометрические характеристики должны задаваться. Особое внимание должно быть обращено на обеспечение соосности проходного отверстия с резьбовой втулкой;
– следует избегать резьбовых соединений корпусов с крышками при температурах 200°C и выше;
– хорошо зарекомендовали себя упругие элементы, вводимые в конструкции уплотнений, например, тонкостенные кольца, выполняемые на плоских уплотнительных поверхностях корпусов, способные упруго деформироваться при контакте с конусными золотниками.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КЛАПАНЫ
Это небольшие клапаны, которые управляются соленоидами, и обычно используются в контрольно-измерительной аппаратуре.
Рис. 2.17. Общий вид электромагнитного клапана
Клапаны открываются и закрываются электрическим сигналом и могут изготавливаться в двух основных моделях:
1) Клапаны обычно в открытом положении, когда электрический сигнал выключен (НО).
2) Клапаны обычно в закрытом положении, когда электрический сигнал выключен (НЗ).
Схема работы электромагнитного клапана представлена на рис. 2.18.
Рис. 2.18. Схема работы электромагнитного клапана
Электромагнитные клапаны могут обслуживаться переменным током от сети, через трансформатор или постоянным током от батареи или генератора постоянного тока. Электромагнитные клапаны постоянного тока действуют медленно и работают на низких давлениях.
Соленоидные катушки переменного тока действуют гораздо быстрее и обеспечивают работу клапанов при более высоких давлениях. На рис. 2.19. показан клапан прямого действия, в котором сердечник закрывает или открывает основное отверстие клапана.
Рис. 2.19. Электромагнитный клапан прямого действия
Другой тип электромагнитного клапана (непрямого действия) показан на рис. 2.20–2.21
Рис. 2.20- 2.21. Электромагнитный клапан непрямого действия
В нём сердечник закрывает или открывает вспомогательное отверстие, соединяющее полость над мембраной с трубопроводом за клапаном. Поскольку площадь мембраны больше площади основного золотника, давление среды через мембрану прижимает золотник к седлу, обеспечивая герметичность.
При открытии вспомогательного отверстия при срабатывании соленоида, давление над мембраной сбрасывается в трубопровод за клапаном, и под действием давления среды золотник поднимается, открывая основное отверстие.
Другие, более сложные трёх – и четырехходовые клапаны, управляемые от соленоидов или вручную, называемые распределителями, используются в широком диапазоне специальных применений.
Технические характеристики
Размеры 6…400 мм (1/4″…16″)
Рабочее давление 1,9–8,6 МПа (275…1250 фн/дюйм2)
Рабочая температура -196о С…650оС (-320оF…1200оF)
Материалы Большинство металлов
Присоединения Резьбовое, фланцевое, на сварке
Применение В обычных и экстремальных случаях, при высоких температурах, в криогенных и агрессивных средах
МЕМБРАННЫЕ КЛАПАНЫ
Мембранные (диафрагмовые) клапаны были впервые применены в 1920-х годах в линиях сжатого воздуха и проявили себя настолько успешно, что быстро распространились в управлении другими рабочими средами. Сегодня трудно найти отрасль промышленности, строительства и транспорта, где не применяются мембранные клапаны. Существуют две базовые конструкции, как показано на рис. 2.22.
Рис. 2.22. Мембранные клапаны
1. С затвором типа «улыбка», отличающимся поднятым седлом в корпусе, над которым смонтирована эластомерная или фторопластовая диафрагма. Когда маховик опускает шпиндель вниз для закрывания клапана, диафрагма садится на выступ, отсекая поток рабочей среды.
2. Полнопроходной тип, в котором используется диафрагма, закрепленная параллельно оси потока и полное закрытие осуществляется опусканием траверсы, прижимающей диафрагму к стенкам корпуса. Полное открытие проходного отверстия обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление.
Клапаны состоят из трех основных деталей – корпуса, мембраны (диафрагмы) и управляющего узла в крышке, изолированного от рабочей среды.
Корпус может быть изготовлен из широкого диапазона материалов, включая чугун, шаровидный чугун, бронзу, углеродистую и нержавеющую сталь. Он может быть покрыт разными эластомерами, полимерами, быть стеклянным или полностью полимерным для высокоагрессивных и абразивных сред. Перечень материалов диафрагм с каждым годом становится все шире, часть их приведена в таблице 2.1, где названы типовые примеры, позволяющие применять клапаны в широком диапазоне температур и рабочих сред.
Поскольку диафрагма изолирует движущиеся детали от воздействия рабочих сред, крышка может быть изготовлена из чугуна или чугуна с покрытием для большинства условий применений. Это также позволяет эффективно применять клапаны для управления агрессивными средами, включая как коррозионные, так и нейтральные. Благодаря этому, клапаны используются в широком диапазоне промышленных технологий, включая химическую, пищевую, фармацевтическую, биотехнологическую, нефтяную, газовую, горную, нефте- и газоперерабатывающую промышленность, на производстве целлюлозы и бумаги, в водоснабжении и энергетике.
Табл. 2.1. Материал мембран для разных применений
* Торговая марка Дю Понт
2.1.2. Арматура с вращающимся движением штока
ПРОБКОВЫЕ КРАНЫ
Название кран пробковый или просто кран дано старейшему виду арматуры, состоящему из корпуса с коническим или, много реже, цилиндрическим посадочным отверстием, в котором установлена пробка. Термин «пробковый кран» относится и к шаровым кранам. Обычно пробковыми кранами называют только конусные и цилиндрические краны.
В пробке имеется сквозное отверстие, положение которого относительно проходных отверстий в корпусе определяет степень открытия и расхода среды через кран. Положения пробки, отличающиеся на 90о, определяют полное открытие или закрытие потока среды. Краны, как и другие поворотные конструкции арматуры, требуют минимального объема для монтажа, просты в управлении, обладают быстрым срабатыванием и создают относительно небольшие искажения потока (турбулентность).
Падение давления в кране небольшое, и краны легко выполняются многоходовыми. Краны используются во всех отраслях промышленности в условиях, где закрытие при низких температурах допустимо, и полости в арматуре незначительны.
Существует много модификаций и конструкций кранов:
1. Краны без смазки, в которых можно конструктивно обеспечить низкое усилие трения между поверхностями пробки и корпуса.
2. Краны со смазкой, в которых специальная смазка-уплотнитель может вводиться при периодическом обслуживании под давлением между уплотнительными поверхностями пробки и корпуса.
Они могут быть далее классифицированы по конфигурации пробки и патрубков как:
1. Полнопроходные цилиндрические – с полной площадью круглого отверстия как в пробке, так и в корпусе.
2. Прямоугольные – с прямоугольными отверстиями в корпусе и пробке.
3. Зауженные – когда площадь отверстия в пробке меньше площади стандартных трубопроводов.
4. Ромбовидные – когда отверстие в пробке выполнено ромбовидной формы.
5. Многоходовые – с тремя или более патрубками, используемые главным образом для отвода или перемещения среды.
6. Эксцентриковые – объединяющие половину пробки для прямого пропуска среды с высокой пропускной способностью и односторонним герметичным закрытием.
Краны изготавливаются из различных материалов, а именно: бронза, латунь, углеродистая и нержавеющая стали, наряду со сплавами и полимерами. Существуют также полно проходные краны, где все контактирующие со средой поверхности покрыты фторопластом или плавким графитом для высококоррозионных и токсичных сред.
Несмазываемые краны
Это наиболее простая конструкция кранов, широко используемая в химической и нефтехимической промышленности, где смазки неприменимы. Подтягиваемый сальник или подпружиненная пробка уменьшают износ и облегчают управление. Конические или параллельные пробки гарантируют управление без заеданий с обеспеченным посадочным усилием и требуют меньшего технического обслуживания. Самосмазывающиеся свойства пластиков, например, фторопласта, делают краны особо привлекательными для применений, где обычные смазки для арматуры недопустимы (рис. 2.23.).
Рис. 2.23. Кран конический
Вариант крана без смазки изображен на рис. 2.24., где пробка имеет форму двух сегментов, соединенных в нескольких местах и образующих упругую уплотнительную конструкцию, которая прижимается к корпусу крана.
Рис. 2.24. Кран конический двухсегментный
Пробка выполнена заодно со штоком крана и может подниматься и опускаться при повороте на 90о с использованием специального управляющего устройства. Эта конструкция устраняет износ уплотнения, является полностью пожаростойкой и герметичной во входном и выходном патрубках, таким образом, обеспечивая «двойной» дренаж в закрытом положении.
Краны со смазкой
Это конструкция широко используется в области нефтепродуктов, распределительных и очистных установках до давления 4,2 МПа бывают с конусными или цилиндрическими патрубками (рис. 2.25.).
Рис. 2.25. Кран со смазкой
Уплотнительная смазка выпрыскивается под давлением в зазор между уплотнительными поверхностями корпуса и пробки. Она продавливается через невозвратный клапан посредством винтовой пресс-масленки для консистентной смазки и достигает уплотнительных поверхностей через систему трубок или канавок в пробке и корпусе. Смазка устраняет негерметичность между пробкой и корпусом и защищает уплотнительные поверхности от коррозии и эрозии. Уплотнительные поверхности могут также покрываться фторопластом для обеспечения заданных технических характеристик.
Уравновешенные конусные краны
Давление среды в обычных конусных кранах в открытом положении может распространиться в полость под пробкой. При этих условиях результирующая сила будет действовать на пробку в сторону камеры, вызывая заклинивание крана. Уравновешенные конусные краны спроектированы так, чтобы использовать давление в трубопроводе для уравновешивания сил в кране (рис. 2.26.).
Рис. 2.26. Уравновешенный конический кран
Уравновешивающая система содержит два отверстия в пробке для соединения полостей над и под пробкой с давлением в системе. Через соединительную линию давление под малым торцом пробки уравновешивается возникающим усилием и предотвращает блокировку пробки, но необходимо регулярно подавать смазку для обеспечения полного поворота пробки.
Эксцентриковые краны
Эти краны используются во многих системах промышленных трубопроводов, включая системы водоподачи и отвода сточных вод, и способны изменять упругость пробки для обеспечения герметичного закрытия без использования уплотнительной смазки. Когда проход закрывается, уплотнительная поверхность пробки перемещается без трения об уплотнительную поверхность корпуса. Это устраняет заедание и износ, и краны используются на неочищенных сточных водах, воздухе, в водоснабжении, на газопроводах, мелкозернистых фракциях и всех других видах пульпы (рис 2.27.).
Рис. 2.27. Эксцентриковый кран
Футерованные краны
Для исключения высоколегированных сплавов и повышения стойкости к коррозии, краны могут изготавливаться из относительно недорого чугуна, при этом внутренние поверхности корпуса и пробки, полностью выполняются покрытыми тефлоном. Это делает краны применимыми на всех агрессивных средах с незначительными затратами (рис. 2.28.).
Рис. 2.28. Футерованный кран
Футеровка удерживается в канавках корпуса для ее фиксации и выполняется толщиной, обычно, 3 мм по всей площади для устойчивости к абразивному износу. Если футеровка повреждена, корпус подвергается коррозии.
Эти краны обычно используются в системах, где трубы футерованы, что оказывается много экономичнее, чем в системах трубопроводов из высоколегированных сплавов, и полностью пластмассовых, которые труднее обслуживать.
Преимуществами пробковых кранов являются: поворот на 90о между положениями «открыто» и «закрыто», защищенность уплотнительных поверхностей, простота монтажа в системе, минимальное гидравлическое сопротивление, простая и прочная конструкция, длительный срок службы. Пробковые краны являются арматурой с верхним разъемом, и пробка может быть введена в корпус без снятия крана с трубопровода.
Управление пробковыми кранами
Пробковые краны могут управляться вручную гаечным ключом, рукояткой, через редуктор или неполноповоротным приводом, приводимым в действие пневматикой, гидравликой или электричеством.
ШАРОВЫЕ КРАНЫ
В настоящее время шаровые краны, получившие развитие от традиционных кранов, укомплектованные новыми эластомерами и полимерными материалами для уплотнительных колец, стали полностью герметичными.
Другими характеристиками шаровых кранов являются минимальное гидравлическое сопротивление, низкий крутящий момент, поворот на 900 между положениями «закрыто» и «открыто», низкие эксплуатационные затраты, компактная конструкция и пожаробезопасное исполнение, предусматривающее закрытие крана в случае возникновения пожара на заводе.
Краны включают корпус, шаровую пробку, шток и уплотнительные кольца (рис 2.29.).
Рис 2.29. Шаровой кран
Существуют два базовых исполнения шаровых кранов – краны с плавающей пробкой, когда шар поддерживается уплотнительными кольцами, и краны с пробкой в опорах.
Последние более приемлемы для высоких давлений и больших диаметров (рис 2.30.).
Рис. 2.30. Шаровой кран с пробкой в опорах
Шаровые краны изготавливаются также с твёрдыми металлическими уплотнительными кольцами для использования на абразивных средах, при высоких температурах, в условиях дросселирования и огнестойкости.
Применяются четыре способа установки шара в корпус в обоих базовых исполнениях.
1. Корпус выполнен с одним или двумя разъёмами и состоит из двух или трёх частей, выполняющих функции фланцев. Корпусные детали соединены болтами, расположенными вокруг них. Эта конструкция называется кранами с корпусами из двух или трёх частей.
2. Шар и уплотнительные кольца вставляются через верхний разъём. Эта конструкция называется «кран с верхним разъёмом» (top entry valve).
3. Шар и уплотнительные кольца вставляются в корпус через разъём, расположенный перпендикулярно или под углом к оси трубопровода. Эта конструкция называется «кран с вертикальным или наклонным разъёмом» (end entry valve).
4. Корпус крана заварен и не имеет разъёмов. Ремонт этих кранов может выполняться только в оснащённых специальным оборудованием мастерских (рис. 2.31).
Рис. 2.31. Шаровой кран с заваренным корпусом
Краны с корпусами из двух или трёх частей имеют преимущество в простоте обслуживания и ремонта. Краны с верхним разъёмом обеспечивают условия для их обслуживания без демонтажа корпуса, что даёт им предпочтение с точки зрения безопасности и оперативности. Установка кранов исключает возможность протечек через разъёмы корпуса и их непроизвольного раскрытия при обслуживании.
Шаровые краны могут изготавливаться из проката, поковок или литья в исполнениях с одним, двумя или тремя разъёмами с резьбовыми или сварными встык или в раструб патрубками.
Шаровые краны с плавающей (поддерживаемой сёдлами) пробкой используются при низких давлениях и температурах. В кранах с пробкой в опорах нагрузка от перепада давления в закрытом положении воспринимается подшипниками опор, а не уплотнительными сёдлами. Это позволяет использовать их при существенно больших давлениях и температурах.
Шаровые краны могут изготавливаться полнопроходными или зауженными. В полнопроходных кранах диаметр проходного сечения соответствует внутреннему диаметру трубопровода. Максимальное заужение прохода (минимальное сечение) регламентировано, например, BS 5351 и приведено в табл. 2.2.
Таблица 2.2. Размеры зауженных проходов, дюймы
Материалы, обычно применяемые при изготовлении шаровых кранов, – углеродистая сталь 20Л или 25Л или сортовой прокат аналогичных марок для корпусных деталей и легированные стали марок 20Х13 и14Х17Н2 для пробок и штоков. Для применения на коррозионных или низкотемпературных средах корпуса и пробки кранов изготавливаются из нержавеющих сплавов.
Для уплотнительных колец и уплотнений по штоку используется чистый или наполненный фторопласт как химически стойкий, так и обладающий низким коэффициентом трения (менее 0,1). Однако, фторопласт теряет свои свойства при температурах выше 100 °С, а при температуре 230 °С его стойкость падает до 0. Это вынудило использовать графики зависимости рабочего давления от температуры для мягких уплотнений кранов. Указанная зависимость для чистого фторопласта регламентирована BS 5351 (рис. 2.32.)
Рис. 2.32. Зависимость рабочего давления в шаровых кранах
с уплотнениями из фторопласта от температуры
A -2"; B -3…4"; C -6…8"; D – 10…12"
Нейлоны, полиэстер – кетоны (РЕЕК), флубон, и другие модификации фторопласта, графитовые уплотнения, обычно терморасширенный графит, – используются для повышения стойкости при высоких давлениях и температурах.
Полностью футерованные шаровые краны, как и пробковые краны, изготавливаются для сильноагрессивных рабочих сред. Все соприкасающиеся со средой поверхности защищены фторуглеродным покрытием.
Шар может также быть полностью футерованным или изготовленным из твёрдой керамики. При этом он обеспечивает меньший крутящий момент по сравнению с футерованными пробковыми кранами. Как и в футерованных пробковых кранах, если покрытие будет повреждено, ресурс незащищённого металлического корпуса существенно снижается.
Шаровые краны с мягкими уплотнительными кольцами могут использоваться для регулирования только с малыми перепадами давления. В противном случае высокая скорость среды быстро разрушает уплотнительные кольца. При необходимости использования кранов для регулирования с большими перепадами давления и высокими скоростями рабочих сред применяются металлические уплотнительные кольца и твёрдые покрытия шаров.
Шаровые краны для низких температур
Шаровые краны широко используются для низких температур, включая криогенные, сжиженных природного и нефтяного газа, жидкого азота, кислорода. Это позволяет легко автоматизировать технологические процессы и расширять диапазон применения шаровых кранов.
Краны для низких температур до – 50 °С изготавливают из углеродистых, а для температур до –196 °С – из нержавеющих сталей.
Фторопластовые уплотнения при низких температурах становятся жёсткими, и это является причиной резкого увеличения крутящего момента.
Удлинённая крышка предохраняет уплотнительные кольца штока от действия криогенных температур и образования льда вокруг неё.
Особенностью испытаний таких кранов является необходимость проверки всех элементов на герметичность и работу с легковскипающими жидкостями, часто по требованию инжиниринговых компаний необходимыми являются криогенный тест, включая тест на «холодовой» шок, проводимый при захолаживании арматуры.
Шаровые краны для высоких температур
Максимальные температуры, при которых могут работать шаровые краны, определяются стойкостью к высоким температурам уплотнительных материалов.
Чистый фторопласт обладает высоким коэффициентом термического расширения. Для снижения этого коэффициента могут быть применены примеси силикона или графита.
Обычные материалы могут использоваться при температуре ниже 240 °С.
Для более высоких температур должны применяться другие материалы, например, терморасширенный графит, полиамид, РЕЕК или РЕS, которые могут повысить температурный предел до 350 °С.
Шаровые краны с металлическими уплотнениями становятся всё более популярными в применении как на абразивных средах, так и при высоких температурах вплоть до 1000 °С, вытесняя клиновые задвижки.
Использование шаровых кранов становится таким же широким и разнообразным, как разнообразны технологические процессы в промышленности. Оно распространяется от простых условий эксплуатации, таких как использование на воде, растворителях, кислотах и природном газе, до более трудных и опасных, таких как газообразный кислород, перекись водорода, метан и этилен.
Ограничения использования по температурным характеристикам и свойствам материалов уплотнений уменьшаются в результате исследований и появления новых материалов, что делает возможным расширение применения шаровых кранов в будущем.
Управление шаровыми кранами
Шаровые краны могут управляться вручную рукоятью или маховиком, через редуктор или неполноповоротным приводом, управляемым от электричества, гидравлики или пневматики.
Специальные исполнения:
для пыльных или абразивных сред, низких или высоких температур, ядерных установок, морских условий, применений на хлоре, кислороде, перекиси водорода, фторе, в табачной промышленности, при глубоком вакууме, большом количестве циклов, для космических целей.
ДИСКОВЫЕ ЗАТВОРЫ
Поворотный дисковый затвор состоит из диска, вращающегося на валу с полным углом поворота 90 градусов в корпусе, выполненном в форме трубы. В открытом положении диск устанавливается вдоль оси корпуса, создавая минимальное сопротивление потоку. В закрытом положении кромки диска соприкасаются с уплотнительными кольцами, которые могут располагаться в корпусе или на диске.
Дисковые затворы изготавливаются с размерами от 25 до 1800 мм (1“ – 72“). Они вставляются между фланцами трубопровода, стягиваемыми шпильками, что экономит пространство и массу. Такая конструкция известна как межфланцевая (вафельная) (рис. 2.33.).
Рис. 2.33. Межфланцевый дисковый поворотный затвор
Затворы бесфланцевого типа могут быть изготовлены с проушинами, в этом случае, при установке в качестве концевого затвора, второй фланец не требуется.
Затворы обычно применяются в объектах энергетики, пивоварении, водоснабжении и пищевой промышленности, где используются чистые среды. Обычно для корпусов затворов используется чугун, но применяются и другие материалы – углеродистая и нержавеющая стали, бронза и алюминий.
Диски также обычно выполняются из чугуна, но могут изготавливаться из углеродистой или нержавеющей стали или алюминиевой бронзы. Все изготовители стремятся сконструировать профиль диска гладким и обтекаемым, чтобы минимизировать гидравлические потери.
Изготавливаются полностью футерованные конструкции, когда корпус и диск покрыты фторопластом или резиной. Корпус разделён на две части, соединяемые под углом 90° для установки уплотнительного кольца, а вал и диск выполняются как одна деталь, с минимальным количеством неровностей, чтобы обеспечить хорошие гидравлические и гигиенические характеристики.
Уплотнительные кольца также выполняются разными у многих компаний, но всегда изготавливаются из химически стойких эластичных материалов, например, химстойкой резины, нитрила или фторопласта.
Затворы отличаются герметичностью, малыми утечками, и/или возможностью регулировать потоки. Компактная конструкция и девяностоградусный (четвертьповоротный) цикл работы делают их привлекательными как для ручного, так и для приводного управления.
Некоторые из характеристик, которые определяют популярность дисковых затворов:
1) Лёгкость управления;
2) Отсутствие трущихся частей;
3) Низкие гидравлические потери;
4) Низкий вес и стоимость по сравнению с другими видами арматуры;
5) Ход в четверть оборота.
Управление
Для управления дисковыми затворами используются все виды управления – ручное рычагом или маховиком, через редуктор, электрический, пневматический или гидравлический привод в зависимости от размеров или проекта установки.
Дисковые затворы с эксцентрично установленными дисками
Дисковые затворы с эксцентрично установленными дисками используются для тяжёлых условий работы и являются усовершенствованной модификацией обычных конструкций. Такое расположение диска создаёт ему более благоприятные условия взаимодействия с уплотнительными кольцами. Их конструкция может быть уподоблена шаровым кранам, в которых используется часть сферы, контактирующей с уплотнительными кольцами только на нескольких последних градусах закрытия. Это обеспечивает улучшенную герметичность, даёт возможность осуществлять дросселирование, полностью отвечать требованиям к арматуре с PN 2…10 МПа, а конструкция является пожаробезопасной.
В более совершенной конструкции вал диска расположен с двойным эксцентриситетом относительно оси затвора. Он установлен вне диска и смещён относительно оси трубопровода. Уплотнительные кромки диска контактируют с кольцами при закрывании и открывании затвора практически без проскальзывания, то есть без трения.