7.1.3 Запорно-регулирующая арматура

Запорно-регулирующая криогенная арматура должна удовлетворять следующим требованиям:

1. сохранение работоспособности во всем диапазоне температур: от криогенных до Т ~ 300К;

2. обеспечивать минимальные теплопритоки в низкотемпературную зону;

3. обеспечивать необходимую герметичность;

4. обеспечивать отсутствия утечек среды в окружающую среду;

5. иметь малое время срабатывания;

6. иметь малое гидравлическое сопротивление;

7. иметь высокую надежность;

8. обеспечивать большой ресурс работы.

Технический уровень криогенной арматуры оценивается рядом показателей, которые с той или иной степенью точности отражают выполнение предъявляемых к арматуре технических требований. Среди таких показателей можно выделить специфические для криогенной арматуры, а также показатели, характерные для любой общепромышленной арматуры.

К специфическим показателям относятся: теплоприток к продукту из окружающей среды и теплосодержание деталей, охлаждаемых криогенным продуктом. Общими показателями технического уровня являются: ресурс, величина протечек через затвор, герметичность уплотнения шпинделя, коэффициент гидравлических потерь и др.

Теплоприток к транспортируемому продукту является важнейшей эксплуатационной характеристикой криогенной арматуры, и стремление к максимальному сокращению теплопритока определяет ее конструктивные основные особенности. Основным показателем конструктивного совершенства арматуры в тепловом отношении служит обычно величина теплопритоков из окружающей среды к криогенному продукту в единицу времени.

Другим показателем конструктивного совершенства криогенной арматуры (важным при частых отогревах коммуникаций) является количество теплоты, передаваемой криогенной среде при охлаждении запорно-регулирующего устройства.

Угловые запорные устройства - для них характерны большие гидравлические потери, возможны кавитационные явления.

Шаровые клапаы и вентили -для них характерны небольшой вес и размер, недостаточная герметичность, низкие гидравлические потери.

В зависимости от способа тепловой защиты можно выделить три типа схемно-конструктивных исполнений криогенной арматуры. Схема, изображенная на рис. 6.35, а, находит применение в тех случаях, когда криогенные трубопроводы расположены внутри блока с порошковой или порошково-вакуумной изоляцией. Корпус запорно-регулирующих устройств находится внутри кожуха, в котором смонтированы трубопроводы, а привод расположен снаружи, и они соединены между собой достаточно длинной (в целях увеличения термического сопротивления) трубой с заключенным внутри нее шпинделем.

Схемное решение, изображенное на рис. 6.35, б, является основным для арматуры жидкостных криогенных систем. Характерной особенностью данной конструктивной схемы является наличие герметичного кожуха для защиты криогенного продукта от теплопритока из окружающей среды с помощью вакуумных видов изоляции. Кожух и корпус криогенной арматуры привариваются к кожухам и внутренним трубам смежных секций коммуникаций, образуя с ним единую вакуумную полость. Шток арматуры удлинен по сравнению с обычной теплой арматурой. Крепление шпиндельной группы относительно корпуса может быть выполнено как неразъемным, так и разъемным по типу штыкового разъема. Применение штыкового разъема позволяет демонтировать шпиндельную группу с целью ремонта или замены без нарушения вакуума в изоляционной полости. Неразборная арматура имеет несколько лучшие типовые характеристики, однако ее ремонт затруднен; она находит применение только в гелиевых системах. Внутренний корпус криогенной арматуры обычно имеет жесткую связь с кожухом с помощью пластиковых опор, конструкция которых рассчитана на передачу усилий от внутренней трубы на кожух и далее на строительную конструкцию.

Для небольших условных проходов известны конструкции, в которых допускается небольшая подвижность корпуса арматуры относительно кожуха благодаря шарнирному креплению. В таких конструкциях допускаются некоторые температурные деформации подводящих труб. При использовании порошково- или слоисто-вакуумной изоляции величина теплопритока к продукту зависит в основном от длины моста. Для уменьшения габаритных размеров арматуры применяют тепловые мосты из стеклопластика.

Удлинение шпинделя позволяет не только уменьшить теплопритоки из окружающей среды по штоку и тепловому мосту, но и дает возможность повысить надежность работы арматуры. При недостаточной длине шпинделя температура наружных поверхностей в месте вывода штока может понизиться, и в процессе эксплуатации будет иметь место постепенное вымораживание влаги из воздуха; явление местного обмерзания зоны вывода штока недопустимо ввиду того, что может привести к его заклиниванию. Интенсивность конденсации и вымораживания влаги зависит от температуры поверхности и относительной влажности воздуха. Допустимым максимальным пределом относительного понижения температуры, установленным практикой, считается 5°С.

Наилучшие тепловые характеристики имеет встроенная в вакуумную полость арматура с пневмоприводом, расположенным в холодной зоне (рис. 6.35, в). Однако, вследствие низкой ремонтопригодности такая арматура находит применение только в гелиевых системах, в которых предъявляются наиболее высокие требования к тепловым характеристикам запорно-регулирующих устройств. В арматуре встроенного типа теплоприток к продукту осуществляется за счет теплоемкости гелия, поступающего в управляющие полости, и теплопроводности трубок, подводящих управляющий гелий. Составляющая теплопритока по шпинделю полностью исключается. Теплоприток, вносимый управляющим гелием, зависит от частоты срабатывания и обычно не превышает 10^-1…10^-2 Вт.

Работоспособность, или ресурс работы, арматуры определяется числом циклов срабатывания в рабочих условиях, Требование к ресурсу работы криогенной арматуры для большинства случаев заключается в гарантированной наработке не менее 5000 циклов срабатывания при температуре жидкого азота, Достижение этого показателя зависит от решения целого комплекса задач, среди которых особо важное значение имеют следующие: выбор конструкционных материалов, работоспособных при низких температурах, обеспечение герметичности затвора и узла вывода штока в тепловую зону, выбор пар трения, исключающих задиры (повреждения) соприкасающихся подвижных деталей.

Герметичность затвора является одной из важнейших характеристик арматуры. Испытания затворов на герметичность проводятся путем определения объемной скорости протечки через них газа при различных температурах в условиях, когда давление по одну сторону затвора равно рабочему, а по другую — изменяется в пределах 10°-10^-2 Па. Вследствие существенного изменения температуры, механических свойств материалов и линейных размеров деталей достижение требуемой герметичности затвора во всем диапазоне рабочих температур представляет более сложную задачу по сравнению с тепловыми условиями.

Затворы типа «металл по металлу» чувствительны к наличию случайных твердых частиц в потоке жидкости, в том числе частиц отвержденных газов.

Обеспечение герметичности уплотнения шпинделя является обязательным условием при создании криогенной арматуры, поскольку утечка криогенных продуктов в атмосферу недопустима. В связи с этим обычно герметизация арматуры по штоку осуществляется с помощью сильфонов. Применение многослойных сильфонов позволяет увеличить ресурс работы уплотнений до 20 000 циклов. В менее ответственных случаях применяются сальниковые уплотнения. Эффективно использование в сальниковых уплотнениях резиновых колец (рис. 6.39), которые практически полностью исключают протечки газа. При этом температура конструкции в зоне установки резиновых колец должна быть не ниже допустимой для данной резины, которая обычно составляет (—50 °С). При отсутствии резиновых уплотняющих колец сальники требуют постоянного обслуживания — подтягивания.

В качестве силового привода в криогенной арматуре широкое распространение получили пневматические цилиндры, которые отличаются высокой надежностью и быстродействием.

На внешней стороне корпуса нанесено 20 слоев полихлорвиниловой пленки с прокладками из стекловуали. Концами труб корпуса и кожуха клапан стыкуется с внутренней трубой и кожухом смежных секций трубопроводов. Конструкция опор корпуса и фланцевого соединения обеспечивает жесткое закрепление корпуса внутри кожуха и передает усилия от внутренней трубы криогенного трубопровода на кожух. Вывод шпиндельной группы в теплую зону осуществляется с помощью разъемного теплового моста, состоящего из коаксиально располо­женных тепловых мостов корпуса и шпиндельной группы с минимальным зазором между ними. Во избежание залива теплового моста жидкостью необходимо при установке клапана обеспечить угол наклона штока к горизонтали не менее 45°. Благодаря увеличенной длине штока и теплового моста снижается теплоприток из теплой зоны к криогенному продукту.

Для регулирования скорости срабатывания пневмоклапанов применяется пневматическое демпфирование с помощью обратных клапанов и дроссельных шайб, установленных на штуцерах подвода и отвода управляющего газа. Уплотнение по штоку осуществляется двумя последовательно расположенными многослойными сильфонами. Пневмоклапан снабжен электрическим сигнализатором, показывающим положение запорного органа "открыт" или "закрыт".

Конструкция встроенного запорного клапана применяется в гелиевых системах. Вследствие того, что арматура встроенного типа целиком расположена в вакуумной полости, отпадает необходимость в удлинении штока и в герметичном автономном кожухе.

Герметизация обеспечивается с помощью сильфона.