Трубопроводная арматура представляет собой устройства, предназначенные для управления потоками жидкостей или газов, транспортируемых в трубопроводных системах.
Арматура — неотъемлемая часть любой трубопроводной системы. Расходы на нее составляют, как правило, 10-12% капитальных вложения и эксплуатационных затрат. При работе в различных системах арматура подвергается самым различным воздействиям: высоким и низким температурам, значительным давлениям, вибрациям, воздействию агрессивных жидкостей. Вследствие этого требования, предъявляемые к арматуре, чрезвычайно разнообразны. Основные из них — прочность, увеличение срока службы, надежность и долговечность, низкая стоимость и технологичность изготовления, взрывобезопасность, коррозионная стойкость — являются противоречивыми и не могут быть обеспечены одновременно. Поэтому на сегодняшний день существует огромное количество различных конструкций, каждая из которых представляет определенный компромисс между этими противоречивыми требованиями.
Трубопроводной арматурой называют устройства, монтируемые на трубопроводах, котлах, аппаратах, агрегатах, емкостях и других установках, предназначенные для управления потоками сред путем отключения трубопроводов или их участков, распределение потоков по требуемым направлениям, регулирования различных параметров среды ( давления P, расхода G, температуры Т и т.д.), выпуска среды по требуемому направлению и т.д. путем изменения проходного сечения в рабочем органе арматуры.
Далее в описании термин «трубопроводная арматура» заменен сокращенным обозначением ТА. В практике под термином ТА часто понимают и соединительные части трубопроводов, однако в данном курсе эти детали систем не рассматриваются. В целом, на наш взгляд, по отношению к ним термин ТА является не совсем подходящим. Более соответствует термин «соединительные детали». Аналогичный подход принят в зарубежной практике, где подобные детали называют словом фитинг.
Следует особо подчеркнуть, что принципиально ничего другого, как перекрытия проходного сечения, в ТА не происходит. Какие бы функции не выполняла ТА, принцип ее действия основан только на изменении проходного сечения потока. Так, в смесители кухонной мойки или ванной комнаты мы регулируем температуру воды, изменяя соотношение потоков холодной и горячей воды, однако достигается это тем, что изменяется проходное сечение для каждого из потоков. Регулятор давления, устанавливаемый на газовом баллоне, поддерживает постоянное давление перед газовыми горелками, автоматически изменяя проходное сечение для потока газа так, что при требуемом расходе избыточное давление гасится в проходном сечении.
Конструкция арматуры в общем случае содержит следующие основные элементы: корпус с присоединительными патрубками, крышку корпуса, рабочий орган, привод.
Рабочий орган арматуры состоит из двух элементов — седла и затвора. Седло является неподвижной частью рабочего органа, расположено на корпусе и представляет собой канал или отверстие для прохода потока, окруженное уплотнительной поверхностью, к которой должен плотно примыкать затвор. Затвор является подвижной частью рабочего органа и представляет собой деталь или конструктивно объединенную группу деталей, предназначенных для перекрытия проходного отверстия седла и перемещающуюся или поворачивающуюся относительно седла. Затвор имеет уплотнительное кольцо для посадки на седло и герметизации рабочего органа.
Управление арматурой осуществляется при помощи деталей, образующих подвижное соединение (шток или шпиндель) в крышке корпуса или корпусе. Это подвижное соединение герметизировано по отношению к внешней среде.
Для перемещения затвора используются различные механизмы, чаще всего винтовая пара. При использовании винтовой пары стержень, на котором закреплен клапан затвора, имеет винтовую резьбу и называется шпинделем. По резьбе шпинделя перемещается ходовая гайка, являющаяся вторым элементом винтовой пары. Если же затвор перемещается возвратно-поступательно без вращения, то стержень называется штоком. При ручном управлении или электрическом приводе чаще используют шпиндельную ТА, а при наличии мембранного или поршневого привода для перемещения затвора используется шток.
При работе ТА ее конструктивные элементы соприкасаются с различными потоками сред.
Различают следующие виды сред:
Рабочая
Окружающая
Командная
Управляющая
Рабочая среда — это среда, для управления потоком которой и предназначена арматура, то есть тот поток, который протекает через рабочий орган арматуры.
Окружающая среда — это среда, которая окружает корпус арматуры. Чаще всего окружающей средой является воздух, однако могут быть и другие варианты. Так, для судовой арматуры окружающей средой может быть морская вода, для нефтяной арматуры — сырая нефть и т.д.
Командная среда — это среда, посредством которой передается управляющий импульс для работы арматуры. При использовании пневмоавтоматики это может быть сжатый воздух, при использовании гидроавтоматики — масло. Для многих регуляторов роль командной среды выполняет сама рабочая среда, передавая по трубке импульс давления. При использовании электроавтоматики и электропривода командная среда отсутствует, так как управляющий импульс является электрическим.
Управляющая среда — это среда, которая осуществляет силовое воздействие для перемещения рабочего органа арматуры в требуемое положение. Она имеет место лишь в ТА, снабженной пневмо- или гидроприводом. Роль управляющей среды во многих регуляторах выполняет рабочая среда, так как перемещение рабочего органа происходит под давлением рабочей среды.
В нашей стране принята маркировка и обозначение арматуры по системе таблиц-фигур, принятой еще до революции на заводах Лангензиппена. Эта система в дальнейшем была принята Госснабом и совершенствовалась в соответствии с расширением номенклатуры общепромышленной арматуры. Для энергетической, судовой, специальной арматуры обозначения приняты в других системах и кодах. В соответствии с этим обозначение промышленной арматуры строится из цифрового и буквенного кода основных данных — всего 6 элементов.
Тип арматуры — цифровое обозначение:
10 — кран пробно-спускной
11 – запорный кран
12 — запорное устройство указатель уровня
13,14,15 – запорный клапан, вентиль
16 — клапан обратный подъемный и приемный с сеткой
17 — клапан предохранительный
18 — редукционный клапан, регуляиор
19 — обратный поворотный
21 — регулятор давления
22 — клапан запорный, отсечной
23 – клапан распределительный четырехходовой
25 — клапан регулирующий
27 — клапан смесительный
30,31 — задвижка
32, 33 – затвор, заслонка, захлопка
40 — элеватор
45 – конденсатоотводчик
46 — водоотделитель
47 – компенсатор сальниковый
Материал корпуса — буквенное обозначение:
с — сталь углеродистая
лс — легированная сталь
нж — нержавеющая, коррозионно-стойкая
ч — чугун серый
кч — ковкий чугун
вч — высокопрочный чугун
б — латунь или бронза
а — алюминий
мл — монель-металл
п — пластмасса
вп — винипласт
тн — титан
к — керамика, фарфор
ск – стекло
Тип привода — цифровое обозначение (одна цифра):
3 — механический с червячной передачей
4 — механический с цилиндрической передачей
5 — механический с конической передачей
6 — пневматический
7 — гидравлический
8 — электромагнитный
9 – электрический
Материал уплотнительных колец — буквенное обозначение:
бр — бронза и латунь
бт — баббит
ст — стеллит
ср — сормайт
мн — монель-металл
к — кожа
нж — нержавеющая сталь (коррозионно-стойкая)
нт — нитрованная (азотированная) сталь
р — резина
п — пластмасса (кроме винипласта)
вп — винипласт
фт — фторпласт
э — эбонит
бк — без кольца (седло выполнено прямо на корпусе)
Способ нанесения внутреннего покрытия корпуса — буквенное обозначение:
гм — гуммирование
эм — эмалирование
п — футерование пластмассой
н — наирит.
Классификация ТА по различным признакам:
По целевому назначению ТА подразделяется на следующие группы:
Промышленная
Сантехническая
Лабораторная
Промышленная ТА предназначена для установки на трубопроводах и технологических установках различного профиля. Она подразделяется на арматуру общего назначения, предназначенную для установки в системах, эксплуатируемых в обычных условиях, и специальную, к которой предъявляются особые требования в связи со специфическим характером систем, в которых она установлена.
Сантехническая ТА предназначена для установки во внутренних санитарно-технических системах зданий. К ней относятся водоразборные краны, смесители.
Лабораторная ТА является, как правило, арматурой небольших размеров. Она имеет специфическую конструкцию в связи с тем, что к ней предъявляются совершенно особые требования. Она, как правило, не рассчитана на работу при больших давлениях и температурах.
По области применения ТА подразделяется на следующие группы:
Пароводяная
Газовая
Нефтяная
Энергетическая
Химическая
Судовая
Резервуарная
Пароводяная ТА является наиболее характерной для использования в системах отопления, вентиляции и теплоснабжения. Само название говорит о том, что она предназначена для работы на воде и паре. Эта арматура выпускается на широкий диапазон рабочих давлений и температур.
Энергетическая ТА является, как правило, пароводяной арматурой, предназначенной для работы при высоких давлениях и температурах, характерных для крупных энергетических котлов, турбин и других установок. Энергетические паровые котлы эксплуатируются при давлениях 300 и более атмосфер, а температура пара превышает 500 С. Столь высокие рабочие параметры предъявляют жесткие требования к материалу и качеству арматуры.
Газовая ТА предназначена для установки в системах газоснабжения. К ней предъявляются повышенные требования герметичности в связи с пожаро- и взрывоопасностью рабочей среды.
Нефтяная ТА является арматурой, предназначенной для установки в системах и трубопроводах, по которым транспортируется сырая нефть и нефтепродукты. Эта арматура должна обладать повышенной коррозионной стойкостью в связи с тем, что нефть является весьма агрессивной средой.
Химическая ТА предназначена для работы на очень агрессивной среде, включая концентрированные кислоты и щелочи. Эта арматура в основном применяется в химической промышленности и не характерна для систем ТГВ. Основным средством повышения коррозионной стойкости этой арматуры является использование специальных материалов для корпуса и деталей.
Судовая ТА разрабатывается для использования на флоте и морских сооружениях. Основным требованием к ней является высокая стойкость к воздействию морской воды, надежность, небольшие габариты и возможность работы в различных положениях в условиях качки.
Резервуарная ТА предназначена для установки на резервуарах и емкостях. Основной отличительной ее чертой является наличие одного присоединительного конца, а не двух, как у остальных типов арматуры.
По принципу управления и действия ТА подразделяется на следующие группы:
Управляемая
а) С ручным приводом
б) С механическим приводом
в) Под дистанционно расположенный привод
Автоматически действующая (автономная)
Управляемая ТА отличается тем, что перемещение рабочего органа осуществляется за счет внешнего силового воздействия от некого внешнего источника энергии — ручного усилия, электрическим мотором, пневмоприводном или гидроцилиндром. Управляемая ТА под дистанционно расположенный привод отличается наличием специальной механической передачи, позволяющей отнести источник силового воздействия от самой арматуры. Так, например, оператор котельной управляет задвижкой на паропроводе, находящейся над котлом, сам в это время находясь у фронта котла.
Управляемая ТА может быть снабжена дополнительно силовой возвратной пружиной, возвращающей рабочий орган в определенное положение при отключении управляющего воздействия. При подаче управляющего силового воздействия оно преодолевает действие возвратной пружины и переводит рабочий орган в другое положение. В зависимости от того, в каком положении находится рабочий орган такой арматуры при отсутствии (снятии) управляющего воздействия, бывает ТА «нормально открытая» и «нормально закрытая». Как правило, такая арматура применяется для повышения безопасности работы установок и систем и предотвращения аварийной ситуации, то есть выполняет функции защиты. Так, например, при отключении электроснабжения котельной клапан на топливном трубопроводе должен самопроизвольно вернуться в закрытое положение, что предотвратит взрыво- и пожароопасную ситуацию. Следовательно, здесь следует использовать ТА в исполнении «нормально закрытая». ТА калориферной установки вентиляции должна быть выполнена в исполнении «нормально открытая», чтобы при отключении управляющего сигнала гарантировать проток теплоносителя через калорифер и предотвратить его перемерзание.
Автоматически действующая ТА отличается тем, что управление и рабочий цикл осуществляется только действием самой рабочей среды без каких-либо посторонних источников энергии. К этому типу относятся обратные клапаны, срабатывающий под действием изменения направления потока, регуляторы давления и расхода, конденсатоотводчики, терморегуляторы и другие виды арматуры.
По функциональному назначению ТА подразделяется на следующие основные классы:
Запорная
Регулирующая
Распределительная
Предохранительная
Защитная (отсечная)
Фазоразделительная
Запорная ТА служит для перекрытия потоков сред. Она должна обеспечивать надежное и полное перекрытие проходного сечения. Принципиально она должна обеспечивать всего два состояния — открыта или закрыта — и может быть не предназначена для эксплуатации в промежуточном положении рабочего органа. Она нашла наиболее широкое применение. К этому же классу относится пробно-спускная и контрольно-спускная ТА, предназначенные для кратковременного открытия с целью проверки наличия или параметров рабочей среды.
Регулирующая ТА предназначена для регулирования параметров рабочей среды посредством изменения ее расхода. Эта арматура не обязательно должна обеспечивать полное перекрытие проходного сечения. К ней могут предъявляться дополнительные требования по виду регулировочной характеристики, надежности и точности регулирования параметров. Сюда входит и дроссельная ТА, предназначенная для снижение давления потока.
Распределительная ТА предназначена для распределения потока по двум или более направлениям. Наиболее ярким примером является 3-х ходовой кран, применяемый и в отоплении для регулирования теплоотдачи отопительного прибора путем пропуска части общего расхода теплоносителя на стояке мимо прибора через замыкающий участок. Этот тип арматуры широко используется в системах гидро- и пневмоавтоматики для управления различными устройствами.
Предохранительная ТА предназначена для предотвращения аварийного повышения какого-либо параметра в обслуживаемой системе путем автоматического выброса избыточного количества среды. Наиболее ярким примером является предохранительные клапан, устанавливаемый на паровом котле. При повышении давления в барабане котла выше предельного значения срабатывает предохранительный клапан, и часть пара стравливается через него в атмосферу, поддерживая давление в котле на уровне максимально допустимого значения. К этой же группе ТА относятся и мембранно-разрывные устройства, например взрывозащитный клапан. Он представляет из себя мембрану, разрываемую в момент взрыва его давлением и тем самым препятствующую чрезмерному повышению давления в системе.
Защитная ТА предназначена для защиты оборудования от аварийного изменения параметра среды ( давления, температуры, направления потока ) путем отключения обслуживаемого участка. В отличие от предохранительной ТА поток не стравливается в атмосферу, а просто отключается требуемый элемент системы. Примером могут служить обратные клапаны, предотвращающие самопроизвольное изменение направления потока в трубопроводной системе. В топочных устройствах защитная ТА отключает подачу топлива к горелочному устройству в случае погасания факела или при отключении электроснабжения и остановке дымососа и дутьевого вентилятора.
Фазоразделительная ТА предназначена для автоматического разделения различных фаз рабочей жидкости, например воды и пара ( кондесатоотводчики ), воды и воздуха (воздухоотводчики, вантузы), воды и масла (маслоотделители).
Помимо основных видов ТА можно выделить промежуточные: запорно-регулирующая, смесительная, пробно-спускная и другие.
По материалу корпуса ТА подразделяется на следующие основные группы:
Стальная (из углеродистой стали)
Из коррозионностойкой стали
Из титана
Чугунная (из серого чугуна)
Из ковкого чугуна
Из цветных металлов
Из пластмасс
Из керамики (фарфор)
Чугунная с защитным покрытием (резина, пластмасса, эмаль)
Более подробно характеристики отдельных материалов, их преимущества и недостатки рассмотрены в разделе 6. (Материалы, применяемые для деталей арматуры).
По конструкции корпуса ТА подразделяется на следующие основные группы:
Проходная
Угловая
У проходной ТА оба присоединительных патрубка расположены на одной оси или со смещением на параллельных осях. Это наиболее распространенный тип корпуса арматуры. У угловой ТА присоединительные патрубки расположены под углом друг к другу, причем наиболее часто под прямым углом. Это позволяет в некоторых случаях упростить конструкцию арматуры и избежать необходимости установки на трубопроводе дополнительного отвода для поворота потока.
По конструкции присоединительных патрубков ТА подразделяется на следующие основные группы:
Муфтовая
Фланцевая
Цапковая
Штуцерная
под приварку
Муфтовая ТА изготавливается на малые и средние диаметры. Присоединительные концы муфтовой ТА имеют внутреннюю резьбу, как правило, трубную, предназначенную для вворачивания трубы с концевой короткой резьбой.
Фланцевая ТА имеет на присоединительных концах фланцы, представляющие из себя диск или квадрат с отверстиями под болты. Ответный фланец трубопровода должен иметь аналогичные присоединительные размеры.
Цапковая ТА имеет на конце быстроразъемное соединение с уплотнительной прокладкой, представляющее из себя два или более винтовых захвата. Ярким примером использования этого достаточно редкого соединения является пожарный гидрант, к которому при помощи цапки подсоединяют пожарный рукав.
Штуцерная арматура изготавливается на малые и сверхмалые диаметры. Штуцерное соединение представляет из себя пару, когда на арматуре на присоединительном конце нарезана наружная резьба, а трубопровод притягивается к ней при помощи накидной гайки. Для уплотнения соединения может быть использована прокладка или, если штуцер имеет на конце конус, то мягкая медная трубка может быть достаточно надежно герметизирована за счет плотного обжатия на конусе.
Под приварку подготавливают присоединительные концы арматуры больших диаметров, когда надежность всех других видов соединений становится недостаточной.
Более подробно преимущества различных способов соединения рассмотрены в разделе «Монтажные параметры арматуры».
По способу герметизации узла прохода шпинделя или штока через крышку или корпус ТА подразделяется на следующие основные группы:
Сальниковая
Сильфонная
Мембранная
Шланговая
В сальниковой ТА для уплотнения места прохода шпинделя или штока используется упругая сальниковая набивка — пропитанная антисептическими и гидрофобными составами специальная формованная лента из материалов растительного происхождения. Набивка сжимается в направлении оси штока или шпинделя и, благодаря своим упругим свойствам, расширяется в радиальном направлении, плотно заполняя пространство зазора между стенкой и штоком. Сальниковое уплотнение получило наибольшее распространение благодаря своей простоте, низкой стоимости и возможности ремонта.
В сильфонной, мембранной и шланговой ТА отсутствуют подвижные соединения с зазорами, через которые рабочая среда может вытечь наружу, благодаря тому, что устройство управления движением затвора находится по одну сторону упругого элемента, а рабочая среда — по другую сторону. Иначе говоря, стенка сильфона, шланга или мембрана выступают в роли герметизирующего элемента подвижного соединения.
По способу расположения ТА подразделяется на следующие основные группы:
Только на горизонтальных трубопроводах с вертикальном положении шпинделем или крышкой вверх
На горизонтальных и вертикальных трубопроводах в любом положении
Только на вертикальных трубопроводах
Так, например, пробковый кран может работать в любом положении, обратный шаровой клапан должен устанавливаться только на вертикальных трубопроводах, а тарельчатый обратный клапан должен устанавливаться только на горизонтальных трубопроводах крышкой вверх.
Выполнение одних и тех же функций может осуществляться различными типами арматуры, имеющими одну или другую принципиальную конструкцию затвора. По этому признаку выделяют следующие основные типы ТА:
Задвижки
Клапаны
Заслонки
Краны
Мембранный (диафрагмовый) клапан
Шланговый клапан
(Регуляторы давления, расхода и уровня)
(Конденсатоотводчики)
К характеристикам различных типов арматуры, следует подходить осторожно: в отдельных конструкциях того или другого типа указанные недостатки базового варианта или ликвидированы совсем, или существенно снижены. Так, задвижки с суженным проходом имеют значительно меньшую строительную высоту, чем полнопроходные (однако они имеют большую строительную длину и большее гидравлическое сопротивление). Шаровые краны по сравнению с кранами с конусной пробкой имеют меньший износ поверхностей и усилие на привод, более герметичны (однако сложнее в изготовлении и дороже). Прямоточный вентиль с косым шпинделем в отличие от обычного имеет малое гидравлическое сопротивление. Такая ситуация понятна: именно с целью ликвидации имеющихся недостатков и разрабатываются новые конструкции арматуры.
Регуляторы и конденсатоотводчики не входят в вышеприведенный список, как отдельный тип арматуры и не приведены в таблице. В принципе, они представляют из себя конструкцию, в составе которой в качестве регулирующей арматуры используется один их вышеперечисленных типов (чаще всего клапан). Поэтому их не следует считать самостоятельными типами арматуры по конструкции затвора. Однако они составляют самостоятельную группы по назначению, которые широко используются в системах ТГВ. Принцип их работы рассмотрен ниже.
Задвижки имеют затвор в виде листа, диска или клина, перемещающийся вдоль уплотнительных поверхностей седла корпуса перпендикулярно оси потока среды.
Задвижки бывают полнопроходные, имеющие седло в размер диаметра трубопровода, и суженные, у которых диаметр седла меньше диаметра трубопровода, что позволяет уменьшить необходимый ход шпинделя и, как следствие, строительный размер задвижки.
Задвижки так же бывают клиновые и параллельные. Седло клиновой задвижки представляет из себя две кольцевые поверхности, расположенные под небольшим углом по отношению к оси движения потока, образуя клиновую поверхность. Затвор представляет из себя одну или две тарелки (диска), закрепленные на шпинделе. Он бывает однодисковый или двухдисковый, упругий или сплошной. При перемещении затвора в конце хода при приближении к положению «закрыто» тарелки задвижки примыкают к седлу и за счет наличия клиновой поверхности плотно прижимаются к нему, будучи расклинены за счет усилия, создаваемого при движении шпинделя. У параллельной задвижки поверхности седел параллельны и перпендикулярны оси движения потока. Расклинивание и плотное примыкание тарелок затвора к седлам обеспечивается за счет вспомогательного клина, расположенного между тарелками.
Задвижки выпускаются с выдвижным шпинделем или штоком, и с невыдвижным шпинделем. Отличаются они конструкцией винтовой пары, за счет которой происходит перемещение затвора. Кроме того, задвижки с невыдвижным шпинделем имеют меньший строительный размер.
Преимуществом задвижек является то, что при перемещении рабочего органа он не преодолевает давления среды, что позволяет уменьшить усилие, необходимое для перемещения затвора. Преимуществом является так же то, что поток движется прямоточно, без поворотов, вследствие чего этот тип ТА имеет малое значение коэффициента местного сопротивления в открытом положении.
Благодаря симметричности конструкции задвижки могут эксплуатироваться при любом направлении движения потока.
Недостатком задвижек является сильное трение уплотнительных поверхностей в момент перемещения рабочего органа, большой габарит в направлении выдвижения штока (как минимум два диаметра трубопровода). Существенным недостатком задвижек является то, что в промежуточном положении затвора, когда тарелки частично перекрывают сечение седла, часть уплотнительных кольцевых поверхностей находится в зоне активного обтекания потоком и подвергается сильному абразивному износу твердыми включениями, содержащимися в рабочей среде. После работы в таком режиме уплотнительные поверхности изнашиваются настолько, что не обеспечивают достаточной герметичности при закрытии задвижки — задвижка «не держит».
Это ограничивает использование задвижки как регулирующего элемента (впрочем, этот недостаток свойственен многим видам арматуры). Кроме того, регулирующие характеристики задвижек неудовлетворительны, это в принципе запорная ТА.
Задвижки используются на крупных трубопроводах диаметром более 50 мм, где требуется медленное перекрытие сечения для предотвращения возникновения гидравлического удара.
В системах вентиляции и кондиционирования воздуха аналогом задвижки является вентиляционный шибер, представляющий из себя прямоугольный металлический лист, перемещающийся в направляющих перпендикулярно оси воздуховода.
Клапаны имеют затвор в виде плоской или конусной тарелки, перемещающейся возвратно-поступательно вдоль центральной оси уплотнительной поверхности седла корпуса. В некоторых конструкциях клапанов затвор движется по дуге.
Клапаны являются самым распространенным видом ТА, как основной элемент они входят в конструкцию большинства регуляторов. Клапаны имеют большое число разновидностей (предохранительные, запорные, регулирующие и т.д.). Клапаны с затвором в виде тарелки называются тарельчатыми, а если имеют затвор в виде конусной иглы — игольчатыми. Клапаны бывают односедельные и двухседельные. В двухседельных клапанах имеется два седла, перекрываемых соответственно двумя тарелками.
Клапанами также называется ТА с упругими деформируемыми затворами —
мембранные и шланговые. В мембранном клапане затвор представляет из себя упругую гибкую мембрану, которая под действием приложенного усилия прогибается в направлении, перпендикулярном оси движения потока. Седло представляет из себя край перегородки, стоящую поперек канала для протока рабочей среды. При прогибе мембрана плотно примыкает к краю перегородки и перекрывает свободное сечение для прохода потока. В шланговом клапане сам канал для протока рабочей жидкости представляет из себя упругий деформируемый шланг, который при закрытии клапана просто пережимается специальным элементом затвора. Такие конструкции позволяют избежать наличия подвижных сальниковых уплотнений, по которым рабочая среда может перетекать наружу.
Клапан с ручным управлением, в котором затвор перемещается при помощи резьбовой пары, называется вентилем.
Вентили изготавливают как в муфтовом (резьбовом) исполнении, так и фланцевые.
Основное преимущество вентилей — отсутствие трения уплотнительных поверхностей в момент закрытия, так как затвор движется перпендикулярно, что уменьшает опасность повреждения (задиров). Высота вентилей меньше, чем у задвижек, ввиду того что ход шпинделя невелик и обычно составляет не более четверти диаметра трубопровода. Однако строительная длина вентилей больше, чем у задвижек, так как требуется развернуть поток внутри корпуса.
Недостатком клапанов является большое гидравлическое сопротивление ввиду двукратного изменения направления потока внутри корпуса, а так же меньшего проходного сечения седла, чем у задвижек.
Кроме этого вентиль должен эксплуатироваться только при определенном направлении движения потока через него — когда поток подтекает под тарелку и в закрытом состоянии давит на тарелку со стороны седла. Тогда при открывании вентиля давление рабочей среды помогает оторвать тарелку от седла. Если же вентиль будет установлен неправильно, то в закрытом положении давление рабочей среды будет прижимать тарелку к седлу и при попытке открыть вентиль потребуется значительно большее усилие для перемещения шпинделя или штока, так как придется преодолеть давление рабочей среды, иногда весьма значительное. Это может привести к тому, что большим усилием тарелка затвора будет сорвана со штока и вентиль выйдет из строя, что потребует разборки вентиля для ремонта.
Заслонки имеют затвор в виде плоского листа круглой или прямоугольной формы, установленного внутри канала и вращающегося на оси, установленной перпендикулярно оси движения потока. Таким образом, затвор заслонки движется по дуге.
Заслонки наиболее часто используют в вентиляции и кондиционировании воздуха на воздуховодах, а так же на различных газоходах, то есть там, где имеют место большие диаметры трубопроводов, небольшие давления и невысокие требования к герметичности. Заслонки часто называют дроссельными заслонками или дроссель-клапанами. В зависимости от количества установленных пластин бывают одинарные заслонки и многостворчатые. На капельных жидкостях заслонки применяют редко, так как их конструкция не обеспечивает надежной герметичности перекрытия проходного сечения. На воздухе и газах, учитывая простоту и надежность конструкции, дроссельные заслонки применяют очень часто для регулирования и отключения расхода.
Краны имеют затвор в форме тела вращения, поворачивающийся вокруг своей оси, перпендикулярной оси потока среды. Затвор крана часто называют пробкой. Пробка крана имеет отверстие, перпендикулярное оси тела вращения, служащее для прохода потока. Если пробка крана повернута так, что ось отверстия совпадает с осью трубопровода, то кран находится в открытом положении, так как поток может протекать через отверстие. Если же пробку повернуть на 90o, то ось отверстия станет перпендикулярна оси трубопровода и кран будет закрыт. Таким образом, в отличие от вентиля и задвижки, для того, чтобы открыть или закрыть кран, требуется совершить не несколько оборотов шпинделя, а всего один поворот пробки на 90o. Поэтому краны, как правило, снабжают не маховиком, а рукояткой. Положение рукоятки вдоль оси трубопровода соответствует открытому состоянию, а перпендикулярно оси трубопровода — закрытому.
В зависимости от числа рабочих положений пробки краны бывают двухходовыми или трехходовыми. Принципиально могут быть краны и на большее число положений, однако они нашли применение только в лабораторной арматуре. В зависимости от формы отверстий на пробке краны могут выполнять различные функции.
В зависимости от формы тела вращения, образующего затвор, краны бывают:
Конусные
Цилиндрические
Шаровые
Конусные краны имеют пробку в виде усеченного конуса, в котором имеется прямоугольное или круглое отверстие. Корпус крана также имеет конусную поверхность, к которой должна плотно примыкать пробка. Для обеспечения герметичности пробка должна быть смазана, чтобы смазка заполнила микрозазоры между поверхностью пробки и корпуса. Кроме того, смазка уменьшает усилие, требуемое на поворот пробки. Кроме того, пробка должна быть постоянно прижата к поверхности корпуса. В зависимости от способа прижатия пробки различают сальниковые и натяжные краны. В сальниковых кранах между крышкой крана и верхним торцом пробки расположена сальниковая набивка, являющаяся упругим элементом, создающим постоянное усилие, прижимающее пробку к корпусу. В натяжных кранах снизу пробки имеется стержень с резьбой, проходящий через отверстие в корпусе. Прижатие пробки осуществляется за счет пружины, одеваемой на винт и стянутой гайкой. Натяжные краны более надежны, так как в них работа крана не зависит от свойств сальниковой набивки, которая со временем теряет свои упругие свойства. Поэтому натяжные краны используют в газоснабжении.
Преимуществом конусных кранов является невысокая стоимость, малое гидравлическое сопротивление, простота конструкции и ревизии.
Недостатком таких кранов является большое усилие, требуемое на поворот пробки. По истечении некоторого срока работы (в зависимости от качества воды в системе) микрозазоры между поверхностью корпуса и пробки зарастают отложениями — пробка «прикипает». В этик условиях на поворот пробки требуется настолько большое усилие, что возможно поломка крана.
Краны изготавливают из цветных металлов (бронзы и латуни), так как требуется высокое качество обработки поверхности корпуса и пробки. Кроме того, цветные металлы меньше подвержены коррозии, что снижает возможность «прикипания» пробки.
Цилиндрические краны в основном применяют для регулирования, так как цилиндрическая пробка не обеспечивает достаточной герметичности крана, ибо не может быть плотно прижата к корпусу. Зато она имеет возможность перемещения в вертикальном направлении, что дает возможность регулировать свободную высоту прямоугольного отверстия в пробке. Так устроены краны двойной регулировки, применяемые в системах отопления. За счет перемещения пробки по высоте осуществляется монтажная регулировка системы, а после потребитель имеет возможность уменьшать расход теплоносителя через прибор за счет поворота пробки на 90о.
Шаровые краны являются наиболее совершенными по своим эксплуатационным характеристикам. В них пробка выполнена в виде полированного шара, имеющего круглое отверстие для прохода потока. Диаметр отверстия в точности равен внутреннему диаметру подсоединяемого трубопровода, поэтому данный кран практически не создает местных сопротивлений потоку. Пробка крана не касается поверхности корпуса, что исключает возможность «прикипания». Уплотнение затвора осуществляется за счет двух фторопластовых кольцевых прокладок, устанавливаемых на заводе в момент сборки крана с усилием, превышающим предел текучести фторопласта, вследствие чего он надежно заполняет зазор между пробкой и корпусом и обеспечивает высокую герметичность всего крана. Стоимость этих кранов, однако, выше, чем рассмотренных ранее, так как для их изготовления требуется более высокий уровень технологии.
Мембранный клапан, называемый так же диафрагмовым клапаном или вентилем, отличается тем, что седло затвора выполнено на торце перегородки, установленной поперек оси движения потока, а роль золотника выполняет гибкая мембрана, которая под действием штока или шпинделя прогибается и перекрывает проходное сечение трубопровода. Гибкая мембрана одновременно герметизирует рабочую полость арматуры, так что не требуется наличие сальника. Мембранные клапаны применяются на агрессивных средах, солевых растворах. Используются они на тепловых станциях при перекачке растворов в системах химводоподготовки. В обычных системах ТГВ они не применяются, так как обладают меньшей герметичностью, надежностью и ремонтопригодностью, выдерживают меньшие давления.
Шланговый клапан отличается тем, что проходной канал арматуры выполнен в виде гибкого шланга, который под действием штока или шпинделя пережимается и перекрывает проходное сечение. Гибкий шланг одновременно герметизирует рабочую полость арматуры, так что не требуется наличие сальника. Шланговые клапаны обладают малой герметичностью и применяются в основном для целей регулирования на агрессивных средах, солевых растворах. Используются они там же, где и мембранные клапаны.
В системах ТГВ широко применяется автоматическая арматура, к которой относятся регуляторы (давления, расхода и уровня) и конденсатоотводчики.
Регуляторы давления, расхода и уровня предназначены для автоматического поддерживания параметра без использования вторичных источников энергии.
Регулятор по конструкции представляет из себя клапан с пневмо или гидроприводом мембранного, сильфонного или плунжерного типа, а так же специальную установочную пружину, предназначенную для подстройки регулятора на требуемое значение параметра. Конструкции регуляторов чрезвычайно разнообразны.
Регуляторы уровня подразделяются на регуляторы питания , в которых уровень поддерживается за счет периодического добавлением жидкости в сосуд, и регуляторы перелива, в которых происходит слив избытка жидкости. Примером регулятора уровня первого типа является шаровой кран смывного бачка унитаза.
Регулятор давления рассмотрим на примере редуктора газового баллона. Отверстие входного патрубка для подачи газа является седлом клапана, к которому прижимается тарелка клапана, закрепленная на одном конце углового рычага. Второй конец рычага соединен с подвижной мембраной, на которую с внешней стороны действует сила атмосферного давления и сила сжатия установочной пружины, а с другой стороны — сила давления газа в полости регулятора. Ось вращения рычага закреплена на днище корпуса регулятора. Если давление одна из горелок газовой плиты будет закрыта, то уменьшится расход газа, в результате чего давление газа в полости редуктора начнет повышаться. Это приведет к перемещению мембраны, которая потянет за собой конец рычага, соединенный с нею. Второй конец рычага с закрепленным на нем клапанам так же переместится и прикроет отверстие для прохода газа. В результате давление газа в полости редуктора будет практически на постоянном уровне, так как ход клапана крайне мал и усилие установочной пружины при перемещении мембраны изменится незначительно. Таким образом, регулятор будет обеспечивать пропуск требуемого расхода газа при постоянном значении давления перед горелками.
Регулятор расхода работает аналогично регулятору уровня, поддерживая постоянный перепад давления на некотором дросселирующем устройстве, например, диафрагме или регулируемом сопле. Учитывая, что коэффициент местного сопротивления дросселирующего устройства не изменяется, постоянный перепад давления означает, что скорость потока через дроссель постоянна и, следовательно, постоянен расход. Некоторые регуляторы имеют дроссель, конструкция которого позволяет регулировать его сопротивление, подстраивая регулятор на требуемое значение расхода. Чаще, однако, сопротивление дросселирующего устройства оставляют постоянным, а изменяют сжатие установочной пружины, что позволяет регулировать перепад давления на дросселе и, следовательно, расход через регулятор.
В регуляторах важным моментом является разгрузка клапана от одностороннего давления рабочей среды, что позволяет значительно уменьшить усилия, требуемые на перемещение рабочего органа. Наиболее совершенным вариантом разгрузки является двухседельная конструкция клапана, когда усилия, действующие на две тарелки, противоположны по направлению и взаимно компенсируются. Однако в такой конструкции корпус сложнее в изготовлении и труднее обеспечить полную герметичность закрытия двух клапанов одновременно. Тем не менее, такая конструкция очень широко применяется в современных регуляторах.
Конденсатоотводчики предназначены для вывода из паровой системы конденсата, не участвующего в рабочем или технологическом процессе. Конденсат сливается постоянно или периодически по мере его накопления в системе.
Таким образом, конденсатоотводчики должны выпускатьт воду и задерживать пар, что осуществляется за счет наличия гидравлического или механического затвора. Они должны надежно выпускать конденсат в пределах широкого интервала давлений пара, температур конденсата и скорости его поступления в конденсатоотводчик.
Конденсатоотводчики бывают клапанные и бесклапанные. Клапнные конденсатоотводчики выпускают конденсат периодически, по мере достижения определенных условий, а бесклапанные — непрерывно. В принципе конденсатоотводчики клапанного типа являются двухпозиционными регуляторами, в которых роль чувствительного элемента и привода одновременно выполняет поплавоу, термостат, биметаллическая пластина или диск.
Конденсаотводчики в зависимости от принципа действия бывают:
Поплавковые
а) закрытого типа
б) открытого типа
Термостатические
Термодинамические
Лабиринтные
Сопловые
Поплавковые конденсатоотводчики в зависимости от конструкции поплавка бывают с закрытым поплавком, с открытым поплавком, с опрокинутым поплавком колокольного типа.
В поплавковых конденсаотводчиках проходное сечение клапана для выпуска конденсата открывается при всплытии поплавка, с которым связан затвор клапана. Всплытие поплавка происходит в тот момент, когда уровень конденсата в корпусе конденсатоотводчика достигнет предельного значения. После открывания выпускного клапана часть конденсата выдавливается в конденсатную линию и поплавок снова опускается, перекрывая отверстие седла клапана.
Таким образом, поплавковый конденсатоотводчик в принципе работает, как регулятор уровня (регулятор перелива).
В термостатических или термостатных конденсатоотводчиках для управления затвором клапана используется термосильфон, расширяющийся при повышении температуры, биметаллическая пластина или диск. Работа таких конденсатоотводчиков основана на разнице температур паровой и жидкой фазы.
В термостатных конденсатоотводчиках сильфонного типа сильфон, представляющий из себя тонкостенную гофрированную трубку, заполнен легко испаряющейся жидкостью, испаряющейся при температуре свежего пара, но находящейся в жидкой фазе при температуре конденсата. Так, например, при удалении конденсата с температурой 85 — 90 0С используется смесь из 25% этилового спирта и 75 % пропилового спирта. Как только сильфон начнет омываться паром, жидкость испаряется, сильфон расширяется и перемещает клапан, закрывая отверстие для выпуска конденсата. В других конструкциях для этой цели применяют биметаллические пластины.
Термодинамические конденсатоотводчики являются конденсатоотводчиками непрерывного действия. Они получили в настоящее время наиболее широкое применение благодаря простоте конструкции, малым габаритам, надежности в работе, низкой стоимости, высокой пропускной способности и малым потерям пара.
Тарельчатый конденсатоотводчик такого типа имеет всего одну подвижную деталь — тарелку, свободно лежащую на седле. Проходящий конденсат приподнимает тарелку и выходит через отводной канал. При поступлении пара тарелка прижимается к седлу в связи с тем, что высокие скорости истечения пара создают под ней зону пониженного давления.
Лабиринтные конденсатоотводчики являются конденсатоотводчиками непрерывного действия. Они содержат устройство в виде лабиринта, которое для пара создает большое гидравлическое сопротивление, а для воды (конденсата) — значительно меньшее.
Благодаря этому конденсат проходит через конденсатоотводчик, а пар задерживается.
Сопловые конденсатоотводчики являются конденсатоотводчиками непрерывного действия. Они содержат устройство в виде ступенчатого сопла с расширением, которое для конденсата не создает большого гидравлического сопротивления. Для прохода пара сопротивление сопла значительно больше, так как при этом создается внезапное расширение пара, и скорость его соответствует критическому перепаду давления ( в то время как на конденсат действует весь перепад давления). Благодаря этому конденсат проходит через конденсатоотводчик, а пар задерживается.
В целом конденсатоотводчики являются малонадежными и капризными устройствами и требуют частой ревизии. Более подробно о работе конденсатоотводчиков можно прочитать в учебниках по курсу «Отопление» в разделах, посвященных паровому отоплению. Следует отметить, что паровые системы отопления даже на промышленных предприятиях, имеющих собственную паровую котельную, повсеместно заменяются водяными системами, как более надежными, легче регулируемыми и более долговечными. Поэтому актуальность применения конденсатоотводчиков в настоящее время снизилась.
К монтажным параметрам ТА относятся:
Условный диаметр прохода
Строительная длина
Строительная высота
Конструкция присоединительных патрубков
Размеры присоединительных патрубков
Номинальный диаметр отверстия в трубе или арматуре, служащего для пропуска рабочей среды, называется условным диаметром прохода и обозначается Dy.
Этот параметр установлен ГОСТом.
По условному диаметру прохода арматура делится на следующие группы:
Сверхмалых размеров
Малых размеров
Средних размеров
Больших диаметров
Сверхбольших диаметров
К группе сверхмалых размеров относится ТА с Dy до 5,0 мм включительно. Это как правило специальная или лабораторная арматура. В практике строительства к этому типу арматуры можно отнести редукторы для баллонов сжатых газов. К этой же группе относится арматура различных приборов, связанных с перемещением газовых или жидкостных потоков: газоанализаторы, термостаты, испарители, химическое оборудование и т.д. Присоединительные концы часто под штуцер или имеют готовый штуцер под шланг.
К группе малых размеров относится ТА с Dy от 6 до 40 мм включительно. Эта арматура применяется очень широко в системах отопления, теплоснабжения, холодного и горячего водоснабжения. Как правило, это муфтовая ТА, то есть присоединительные концы имеют внутреннюю резьбу. Материал корпуса чугун или цветные металлы, сталь для этой арматуры применяется редко, только если она рассчитана на работу при высоких давлениях.
К группе средних размеров относится ТА с Dy от 50 до 300 мм включительно. Эта ТА широко применяется в системах отопления и теплоснабжения, холодного и горячего водоснабжения. Учитывая значительные диаметры, она устанавливается на вводах в здание или на магистральных трубопроводах. Широко применяется арматура такого размера в котельных, ТЭЦ, технологических установках различного профиля. Изготавливается из чугуна, стали углеродистой или легированной в зависимости от назначения.
К группе больших диаметров относится ТА с Dy от 350 до 1200 мм включительно. Это арматура устанавливается на магистральных трубопроводах или крупных трубопроводах тепловых станций, станций водоснабжения и канализации.
К группе сверхбольших диаметров относится ТА с Dy от 1400 и выше. Такая арматура применяется в основном в металлургии и гидротехническом строительстве. В санитарно-технических системах она не применяется.
Строительная длина характеризует длину участка трубы, который арматура замещает в трубопроводе. Строительные длины унифицированы для клапанов и задвижек общепромышленной арматуры, для другой арматуры они не унифицированы.
Строительная высота — это расстояние от оси прохода арматуры до конца шпинделя в верхнем положении.
Знание строительных размеров арматуры очень важно на этапе проектирования, чтобы правильно определить габариты, занимаемые арматурой. Игнорирование этих параметров может привести к тому, что арматура не поместится в отведенном для нее месте.
По конструкция присоединительных патрубков, как указывалось в разделе 1, арматура наиболее часто бывает муфтовая, фланцевая и под сварку.
Муфтовая ТА изготавливается на малые диаметры. Как правило, на арматуре наносят внутреннюю трубную резьбу соответствующего диаметра, а снаружи присоединительные концы оформляются в виде шестигранника «под ключ». Размеры присоединительных концов ГОСТированы. Трубная резьба представляет из себя дюймовую резьбу с мелким шагом. Дюймовая резьба, в отличие от метрической, имеет при вершине профиля угол не 600, а 550. Мелкий шаг означает, что шаг резьбы и высота зубьев не зависят от диаметра трубопровода. Мелкий шаг применяется потому, что при выполнении на трубе резьбы с обычным шагом высота зубьев получилась бы такой большой, что превысила бы толщину стенки трубы.
Муфтовое соединение обладает рядом преимуществ. Оно технологично, резьба может формироваться различным способом — штамповкой, накаткой, нарезкой, причем нарезка может быть произведена простыми приспособлениями в условиях мелкой мастерской и даже дома. Муфтовое соединение легко и достаточно надежно герметизируется льняной прядью или лентой ФУМ. Для муфтового соединения трубопровода и арматуры не требуются дополнительные крепежные детали.
Вместе с тем этому виду соединения присущи и недостатки. Самый главный заключается в том, что вследствие нарезки резьбы уменьшается толщина стенки трубы, что приводит к снижению прочности и долговечности соединения. Это не позволяет нарезать резьбу на тонкостенных трубах. Кроме того, для выполнения соединения требуется большое усилие для наворачивания муфты на резьбу с уплотнительной подмоткой, причем это требуемое усилие резко возрастает при увеличении диаметра трубопровода. Поэтому для диаметров более 50 мм резьбовое соединение не применяют.
Фланцевая арматура выпускается на диаметры от 50 до 500 мм.
Фланцевое соединение как таковое очень широко применяется в технике. Фланцы соединяются между собой болтами, между ними вставляется прокладка из различных материалов.
Преимуществом фланцевого соединения является надежность, простота соединения, возможность многократной разборки и соединения.
Вместе с тем расход металла на фланцы весьма значительный, а трудоемкость их изготовления достаточно высока. При увеличении диаметра трубопровода толщина и масса фланцев существенно возрастают, что увеличивает расход металла. Сильно увеличивается и количество болтов, которое требуется для стыковки фланцев, что приводит к возрастанию трудоемкости их сборки. Кроме того, если фланцы небольших диаметров могут быть изготовлены из распространенного листового металла толщиной 8 — 15 мм, то фланцы больших размеров должны изготавливаться из дефицитного толстолистового металла или круглого профиля большого диаметра, что удорожает их изготовление. Для изготовления фланцев больших размеров требуются крупногабаритные токарные станки, что редко бывает в условиях рядового предприятия. При токарных работах много металла идет в отходы. С увеличением диаметра трубопровода возрастает усилие на фланцы и повышается вероятность разрыва и выдавливания прокладки.
Типы применяемых фланцев зависят от условного диаметра и рабочего давления среды. Существует много типов фланцем, отметим здесь лишь основные:
Без выступа стальные плоские приварные
Плоские приварные с соединительным выступом
С выступом или впадиной из серого чугуна
С шипом или пазом
Плоские фланцы бывают самодельного и заводского изготовления.