Трубопроводная арматура

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.

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.

Классификация ТА по различным признакам:

По целевому назначению ТА подразделяется на следующие группы:

1. Промышленная
2. Сантехническая
3. 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:

1. Пароводяная
2. Газовая
3. Нефтяная
4. Энергетическая
5. Химическая
6. Судовая
7. Резервуарная

По принципу управления и действия ТА подразделяется на следующие группы:

  1. Управляемая

   а) С ручным приводом

   б) С механическим приводом

   в) Под дистанционно расположенный привод

  2. 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:

1. Запорная
2. Регулирующая
3. Распределительная
4. Предохранительная
5. Защитная (отсечная)
6. 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:

1. Стальная (из углеродистой стали)
2. Из коррозионностойкой стали
3. Из титана
4. Чугунная (из серого чугуна)
5. Из ковкого чугуна
6. Из цветных металлов
7. Из пластмасс
8. Из керамики (фарфор)
9. Чугунная с защитным покрытием (резина, пластмасса, эмаль)

По конструкции присоединительных патрубков ТА подразделяется на следующие основные группы:

1. Муфтовая
2. Фланцевая
3. Цапковая
4. Штуцерная
5. 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.

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:

1. Задвижки
2. Клапаны
3. Заслонки
4. Краны
5. Мембранный (диафрагмовый) клапан
6. Шланговый клапан

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.

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.

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.

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.

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 системах ТГВ широко применяется автоматическая арматура, к которой относятся регуляторы давления.

Регуляторы давления воды (клапаны давления) делятся на две большие группы: “регуляторы до себя” и “регуляторы после себя”. Первые поддерживают постоянное давление до них, если смотреть по ходу протекания воды, вторые – после них. Принцип действия и у тех, и у других одинаков – изменение сечения клапана во время протекания по нему воды. Чаще применяется первый из перечисленных регуляторов давления воды. Поэтому рассмотрим работу именно такого клапана.

Устройство автоматически устанавливает и поддерживает водяное давление воды в трубопроводе, расположенном после места его установки, варьируя сечение прохода через данный регулятор воды. Если давление после прибора начинает увеличиваться относительно заранее установленного уровня, регулятор давления автоматически изменяет поперечное сечение исполнительного механизма, пока давление жидкости не станет равным установленному.

Управление клапаном осуществляется за счет кинетической энергии протекающей жидкости. Ее давление направлено на то, чтобы закрыть клапан. Но с другой стороны сила пружины пытается открыть его. Взаимодействием этих сил определяется место нахождения затвора в каждый конкретный момент. Если он находится в таком положении, что проход увеличился, то давление жидкости после данного регулятора давления также увеличится. И наоборот.

К монтажным параметрам ТА относятся:

1. Условный диаметр прохода
2. Строительная длина
3. Строительная высота
4. Конструкция присоединительных патрубков
5. 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.

Диаметр, мм

Диаметр, DN, условный проход, номинальный размер. Приблизительно равен внутреннему диаметру присоединяемого трубопровода в миллиметрах. Значения диаметров должны соответствовать числам параметрического ряда, устанавливаемого по ГОСТ 28338-89. Через дробь указывается диаметр для неполнопроходной арматуры и тех блоков, у которых изменяется диаметр на протяжении составляющих его элементов.

Давление, МПа

Давление может быть условным - PN или рабочим - Pр, измеряется в МПа.

Условное давление PN - наибольшее избыточное давление при температуре рабочей среды 20 С°. Значения условных давлений должны соответствовать числам параметрического ряда, устанавливаемого по ГОСТ 26349-84.

Рабочее давление Pр - наибольшее избыточное давление при штатном режиме работы, то есть, температура рабочей среды соответствует обычным условиям эксплуатации арматуры. Рабочее давление равно условному давлению при температуре от – 15 до 120 C°, при повышении температуры рабочее давление понижается. Рабочее давление указывается только для специальной, энергетической, атомной арматуры.