Тема 3.4 Трубопроводы и трубопроводная арматура

Занятие №3 Запорные клапаны и их типы. Краны и их типы. Устройство, принцип действия. Регулирующая арматура. Предохранительная арматура. Обратная арматура.

Продолжительность: 2часа

Запорные клапаны и их типы

К запорным клапанам (Рис.20) относят запорную арматуру с поступательным перемещением затвора в направлении, параллельном потоку транспортируемой среды. Затвор (золотник) перемещается при помощи системы винт – гайка. Запорный клапан применяют для перекрытия потоков транспортируемых сред в трубопроводах с Ду до 300 мм при рабочих давлениях до 2500 кГс/см² и температурах сред от – 200 до + 450⁰С.

Рисунок 20 – Запорный клапан

Как правило, шпиндель запорного клапана совершает одновременно и вращательное и поступательное движение, т. к. его ходовая гайка жестко закреплена в верхней части бугельной стойки, что ухудшает работу сальникового уплотнения. Золотник по форме представляет собой тело вращения с плоским основанием, на котором закреплено уплотнительное кольцо, изготовленное из металла. резины или фторопласта. Золотник соединяется со шпинделем шарнирно и отрывается от седла без скольжения, благодаря чему исключается повреждение уплотнительных поверхностей.

По сравнению с другими видами запорной арматуры запорные клапаны имеют следующие преимущества:

Достоинства клапанов:

• возможность работы при высоких перепадах давлений на золотнике и при больших величинах рабочих давлений

• простота конструкции, обслуживания и ремонта в условиях эксплуатации

• меньший ход золотника (по сравнению с задвижками), необходимый для полного перекрытия прохода

• относительно небольшие размеры и масса

• применение при высоких и сверхнизких температурах рабочей среды

• герметичность перекрытия прохода

• использование в качестве регулирующего органа

• установка на трубопроводе в любом положении

• исключение возможности гидравлического удара

Недостатки клапанов:

• высокое гидравлическое сопротивление по сравнению с другими запорными устройствами;

• невозможность применения на потоках сильнозагрязненных сред, а также на средах с высокой вязкостью;

• большая строительная длина;

• подача среды только в одном направлении, определяемом конструкцией запорного клапана.

Запорные клапаны классифицируют по нескольким признакам.

По конструкции корпуса:

• проходные;

• прямоточные;

• угловые

• смесительные

По назначению:

• запорные,

• запорно-регулирующие

• специальные.

По конструкции затворов:

• тарельчатые,

• пробковые

По способу уплотнения шпинделя

• сальниковые,

• сильфонные

• диафрагмовые.

Проходными называют запорные клапаны (рисунок 21), которые имеют корпус с соосными или параллельными патрубками. Они предназначены для установки на прямолинейных трубопроводах.

Р исунок 21 - Проходной запорный клапан с золотником тарельчатого типа

1 – корпус; 2 – седло; 3 – золотник; 4 – шпиндель; 5 – крышка; 6 – сальник; 7 – стойка; 8 – ходовая гайка; 9 – маховик.

Проходные запорные клапаны имеют следующие недостатки: относительно высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное тем, что поток рабочей среды делает по крайней мере два оборота; наличием зоны застоя, которая является местом скопления различных включений; большие строительные размеры, обусловленные их конструкцией; сложность конструкции корпуса и относительно большую массу

Прямоточные запорные клапаны

К прямоточным относятся запорные клапаны, корпус которых имеет соосные патрубки, а ось шпинделя расположена под углом к оси прохода (см. рисунок 22).

Преимущества запорных клапанов этого типа по сравнению с проходными следующие: относительно малое гидравлическое сопротивление: компактность конструкции; отсутствие зон застоя.

Недостатки прямоточных запорных клапанов – большая по сравнению с проходными строительная длина и относительно большая масса.

Преимущества запорных клапанов этого типа по сравнению с проходными следующие: относительно малое гидравлическое сопротивление: компактность конструкции; отсутствие зон застоя.

Недостатки прямоточных запорных клапанов – большая по сравнению с проходными строительная длина и относительно большая масса.

В представленной на рисунке 22 конструкции крышка крепится к корпусу вместе со стойкой. Сальниковое устройство обычной конструкции с нажимным фланцем. На стойке жестко посажена ходовая гайка. Наиболее интересным в рассматриваемой конструкции является то. что узел соединения (сцепка) штока со шпинделем вынесен за пределы корпуса. Таким образом, шпиндель вращаясь и перемещаясь поступательно, передает штоку, а с ним и золотнику только поступательное движение. Этим устраняется вращение золотника, а также улучшаются условия работы сальниковой набивки. Золотник состоит из тарелки с приваренным к ней полым штоком. Этим облегчается конструкция затвора.

Рисунок 22 - Прямоточный запорный клапан

1 – корпус; 2 – золотник; 3 – шток; 4 – крышка; 5 – сальник; 6 - стойка; 7 – маховик; 8 – ходовая гайка; 9 – шпиндель; 10 – сцепка.

Запорно-регулирующие клапаны

Конструкция запорно-регулирующих клапанов (Рисунок 23) в основном не отличается от обычных конструкций проходных или угловых запорных клапанов, однако им присущи следующие особенности: золотник имеет профилированную рабочую поверхность (чаще всего применяют золотники пробкового типа); золотник и седло имеют хорошо обработанные и притертые уплотняющие кромки; направляющая движение шпинделя должна быть четко сцентрирована с седлом; золотник и седло в целях повышения надежности изготовляют из специальных сплавов.

Рисунок 23- Запорно-регулирующие клапаны

1 – корпус; 2 – плунжер; 3 -крышка; 4 – сальник; 5 – нажимная гайка; 6 – маховик.

В клапанах, работающих при высоких перепадах давлений рабочей среды, профилированная поверхность золотника подвержена воздействию значительных скоростей потока и при возникновении кавитации или загрязненности среды она быстро изнашивается. В условиях эксплуатации изготовить новый золотник достаточно сложно, поэтому на золотниках пробкового типа рабочую поверхность обычно получают наплавкой твердыми сплавами, которые значительно увеличивают срок службы золотников, хотя и усложняют технологию их производства. При малых диаметрах условных проходов вентили имеют золотники в виде конуса, которые в практике называют игольчатыми.

Краны и их типы. Устройство, принцип действия. Преимущества и недостатки отдельных конструкций, область применения

Кран – это запорное устройство, в котором запорный элемент (пробка) имеет форму тела вращения с отверстием для пропуска потока, для перекрытия которого вращается вокруг своей оси.

В зависимости от геометрической формы уплотнительных поверхностей пробки и корпуса (затвора) краны разделяют на три основных типа: конические, цилиндрические и шаровые

Рисунок 24 - Конический кран

Конусность пробки (корпуса) конических кранов (рисунок 24) принимают обычно 1: 6 или 1 :7. Чем меньше угол конусности, тем меньшее осевое усилие вдоль пробки требуется для создания на уплотнительных поверхностях необходимого удельного давления, обеспечивающего герметичность. Однако при этом возрастает опасность заклинивания пробки в корпусе и возможность задира уплотнительных поверхностей. При увеличении угла конусности наблюдается обратная картина. Поэтому краны из материалов, имеющих хорошие антифрикционные свойства (например, чугун, латунь, бронза), имеют конусность 1:7, при этом легче создать необходимое удельное давление на уплотнительных поверхностях и получить требуемую герметичность.

Цилиндрические краны

Краны с цилиндрическим затвором (рисунок 25) проще конических в изготовлении, а их уплотнительные поверхности не нуждаются в притирке ввиду простоты технологической доводки цилиндрических поверхностей.

По конструктивным признакам цилиндрические краны можно разделить на две группы – краны с металлическим и эластичным уплотнениями.

Шаровые краны

Это краны с пробкой в виде шара со сквозным отверстием для прохода среды для различных условий работы. По принципу герметизации запорного органа их можно разделить на две основные разновидности: с плавающим шаром и с шаром на опорах. Применяются иногда и конструкции с плавающими уплотнительными кольцами.

Шаровые краны отличаются простотой конструкции, прямоточностью, низким гидравлическим сопротивлением, постоянством взаимного контакта уплотнительных поверхностей, благодаря сферической форме имеют меньшие габаритные размеры и массу, большую прочность и жесткость.

Рисунок 25- Цилиндрический кран

У шаровых кранов имеется принципиальное преимущество перед коническими: даже при небольшом несовпадении радиусов сферы пробки и уплотнительного кольца контакт между ними происходит по окружности и обеспечивает гораздо лучшую герметичность.

Изготовление шаровых кранов менее трудоемко. В шаровых кранах, в отличие от конических, уплотнительных поверхностей в корпусе нет, они есть только на уплотнительных кольцах, размеры которых во много раз меньше, чем размеры корпусов конических кранов. Кроме того, в шаровых кранах с кольцами из пластмассы вообще отпадает необходимость в притирке уплотнительных поверхностей. Пробку в шаровых кранах обычно хромируют или полируют.

Шаровые краны отличаются большим разнообразием конструкций. Однако их можно разбить на два основных типа: краны с плавающей пробкой и краны с плавающими кольцами.

Цельносварной шаровой кран

Цельносварной шаровой кран по конструкции относится к кранам с плавающими кольцами. Каждый цельносварной шаровой кран сконструирован и изготовлен для длительной эксплуатации, что достигается кованым шаровым затвором, долговечным уплотнением корпуса, самосмазывающимися уплотнениями штоков, установленных на подшипниках. Цельносварные шаровые краны испытываются при температуре –60⁰С и они доказали свою надежность при долголетней эксплуатации.

Цельносварной шаровой кран выпускается типоразмерами от 150 до 700 мм на рабочее давление до 10Мпа.

Уплотнительные кольца в этих кранах изготовляются из резины, фторопласта или металла. Краны с малым условным диаметром прохода обычно имеют ручное управление, краны с большим диаметром прохода снабжаются электроприводом.

К регулирующей арматуре относятся регулирующие клапаны (вентили), регулирующие клапаны, регуляторы давления прямого действия, регуляторы уровня и смесительные клапаны.

Регулирующая клапаны это исполнительные устройства, являющиеся элементами систем автоматического управления и регулирования. Устройства состоят из двух основных блоков: регулирующего органа (клапан, заслонка) и привода (командное управление)

На выходе практически всех НПС располагаются узлы регулирования (не менее 2 регулирующих устройств).

Регулирующие клапаны широко используются в системах автоматизированного управления потоками. Управление осуществляется с помощью мембранного привода при пневматической системе связи или с помощью электромоторного привода. Регулирующие клапаны -это исполнительные устройства, они могут быть двух видов действия: нормально открыты(НО) и нормально закрыты(НЗ).

Регуляторы давления прямого действия работают с использованием энергии транспортируемой среды. Они подразделяются на регуляторы давления «До себя» и «после себя» в зависимости от того, на каком участке, после или до регулятора расположен участок отрегулированного давления.

Заслонки

Заслонками называют конструкции с затвором в виде диска, поворачивающиеся на оси, расположенной в проходе потока. Они наиболее часто используются при больших диаметрах трубопроводов, небольших давлениях среды и невысоких требованиях к герметичности запорного органа.

Предохранительная арматура. Типы предохранительной арматуры. Устройство и принцип действия пружинного предохранительного клапана

Для защиты сосудов, аппаратов, емкостей, трубопроводов и другого технологического оборудования от разрушения при чрезмерном повышении давления чаще всего применяют предохранительные клапаны. Предохранительные клапаны обеспечивают безопасную эксплуатацию оборудования в условиях повышенных давлений рабочей среды. При повышении в системе давления выше допустимого предохранительный клапан автоматически открывается и сбрасывает избыток рабочей среды, тем самым предотвращая возможность аварии. После окончания сброса давление снижается до величины, меньшей давления начала срабатывания клапана, предохранительный клапан автоматически закрывается и остается закрытым до тех пор, пока в системе вновь не произойдет увеличение давления выше допустимого.

Классификация предохранительных клапанов

Существующие конструкции предохранительных клапанов (рисунок 26) можно классифицировать по нескольким признакам:

- по виду нагрузки на золотник:

1. предохранительные клапаны грузового типа с непосредственной нагрузкой на золотник. Они очень просты по конструкции, их применяют только для низких давлений из-за невозможности приложения к золотнику груза большой массы;

2. предохранительные клапаны грузового типа с непрямым нагружением золотника. К ним относятся рычажные предохранительные клапаны. Настройка на давление срабатывания может осуществляться перемещением груза на рычаге или же путем снятия или навешивания дополнительного груза. Основное преимущество этого клапана – нагрузка на золотник при его подъеме остается постоянной (это относится и к предыдущим клапанам);

3. п ружинные предохранительные клапаны – в них давлению среды на золотник противодействует сила сжатия пружины . На срабатывание клапан настраивают большим или меньшим поджатием пружины. Преимущество пружинных предохранительных клапанов – относительно малые габаритные размеры при больших проходных сечениях. Недостаток – с увеличением высоты подъема золотника соответственно возрастает усилие пружины вследствие ее сжатия

Рисунок 26 – Предохранительные клапаны

а-предохранительные клапаны грузового типа; б- клапаны грузового типа с непрямым нагружением золотника; в- пружинные предохранительные клапаны

по высоте подъема золотника, которая является одной из основных характеристик предохранительных клапанов, так как определяет его пропускную способность:

1. низкоподъемные предохранительные клапаны, у которых отношение высоты подъема золотника к диаметру сопла равно 1/20 – 1/40. К ним относятся простейшие предохранительные клапаны, которые применяют главным образом для жидкостей, когда не требуется большая пропускная способность;

2. среднеподъемные предохранительные клапаны, имеющие отношение высоты подъема золотника к диаметру сопла 1/6 – 1/10;

3. полноподъемные предохранительные клапаны, отличающиеся высокой производительностью, т.к. сечение щели при подъеме золотника равно или больше сечения сопла клапана, т. е. высота подъема золотника равна или больше 1/4 диаметра сопла.

по связи с окружающей атмосферой:

1. предохранительные клапаны открытого типа, которые при открывании сбрасывают среду непосредственно в атмосферу;

2. предохранительные клапаны закрытого типа, пропускающие среду при открывании в трубопровод и герметичные по отношению к окружающей атмосфере.

по способу открывания клапана:

1. предохранительные клапаны прямого действия, у которых давление среды воздействует непосредственно на золотник, поднимая его при установочном давлении;

2. предохранительные клапаны со вспомогательным устройством, срабатывающие только после срабатывания вспомогательного устройства (импульсного клапана).

по числу сопел:

1. одинарные предохранительные клапаны имеют одно сопло и золотник (как правило, в промышленности используют именно такие клапаны);

2. двойные предохранительные клапаны – в одном корпусе расположены два сопла и два золотника (для увеличения производительности предохранительных клапанов);

3. тройные предохранительные клапаны – в одном корпусе находятся три сопла и три золотника.

Пружинные предохранительные клапаны (рисунок 27) предназначены для углеводородных жидких и газообразных некоррозионных сред. Эти клапаны как правило полноподъемные, имеют высокую пропускную способность. В некоторых конструкциях пружинных предохранительных клапанов для контрольных продувок во время эксплуатации предусмотрен рычажный механизм.

Рисунок 27 - Пружинный предохранительный клапан

На нефтеперекачивающих станциях наиболее широкое применение получил стальной пружинный предохранительный клапан типа СППК4-200-16 (рисунок 28).

Пружинный предохранительный клапан типа СППК4-200-16 закрытый, без рычага для контрольной продувки, имеет высокую пропускную способность. Конический проточный канал приемного патрубка обеспечивает плавный переход от проходного сечения фланца к соплу клапана. На выходе из конической части приемный патрубок имеет резьбовое гнездо с притертым пояском для герметичного крепления сопла. Сопло клапана имеет резьбу. Для герметизации соединения сопла с корпусом на его наружной цилиндрической поверхности предусмотрен фланец с уплотнительным пояском, обработанным до высокого класса чистоты поверхности. Запорная тарелка клапана изготовляется с коническим отбойником по периферии. Для максимального приближения точки приложения нагружающего усилия к уплотнительным поверхностям направляющий выступ тарелки имеет внутреннюю полость, и опорный конус штока садится на подушку в самой нижней точке этой полости, что способствует устойчивому положению тарелки при открытом клапане и облегчает ее перемещение при посадке на седло сопла.

Технологические параметры клапана регулируют кольцом, навинченным на сопло. На кольце сверху имеется узкий плоский поясок. При свинчивании кольцо приближается к торцовой плоскости тарелки. Регулируя зазор между плоскостями пояска кольца и торца тарелки, можно в широких пределах регулировать давление полного открывания клапана и давление его закрывания, т.е. величину продува. Набор пружин клапана обеспечивает плавное регулирование установочного давления в пределах 0,5 – 16 кГс/см².

Рисунок 28 Клапан предохранительный пружинный типа СППК4

1-колпак; 2-регулировочный винт; 3- крышка; 4-шпилька; 5-корпус; 6-опорные шайбы; 7-золотник; 8- стопорные винты; 9-регулировочная втулка верхняя; 10-регулироввачная втулка нижняя; 11- направляющая втулка; 12-сопло; 13- перегородка.

Предохранительный пружинный клапан представляет собой механизм автоматического действия. Давлению среды на золотник клапана противодействует сила пружины, прижимающая золотник к седлу через опору и шток. При рабочем давлении в аппарате или сосуде сила действия среды уравновешивает силу пружины. Возрастание давления в сосуде, аппарате и трубопроводе выше допустимого нарушает равновесие, подъемная сила преодолевает усилие пружины, золотник поднимается, и происходит сброс среды.

Клапан полноподъемный, так как золотник поднимается на высоту, равную или больше четверти диаметра седла. Высокий подъем золотника достигается использованием кинетической энергии и реакции потока, выходящего с большой скоростью из сопла. Для этого клапан снабжен верхней и нижней регулировочными втулками, которые, обеспечивая подъем золотника, а следовательно, производительность клапана, регулируют давления полного открытия и обратной посадки золотника на седло, т.е. обеспечивают четкую работу клапана. Регулировочные втулки фиксируются в определенном положении стопорными винтами. В клапанах Ду150 и 200 верхняя регулировочная втулка отсутствует, и подъем золотника в этих клапанах обеспечивается специальной формой увеличенной нижней части золотника

Для принудительного открытия и контрольной продувки в рабочем состоянии клапан снабжен рычажным устройством. Поворотом рычага усилие через валик, кулачок и гайку передается на шток, приподнимая последний вместе с золотником и обеспечивая открытие клапана.

Настройка пружины на требуемое давление осуществляется регулировочным винтом. Набор сменных пружин обеспечивает бесступенчатую регулировку клапана на заданный диапазон рабочих давлений.

Во время эксплуатации предохранительных клапанов особое внимание должно быть уделено срокам ревизии, которые устанавливаются исходя из особенностей производства данной отрасли промышленности.

После ревизии предохранительный клапан регулируют на заданное установочное давление и проверяют его герметичность. Затем клапан пломбируют; устанавливать неопломбированные клапаны категорически запрещается.

Наиболее общие дефекты или неисправности при неправильной эксплуатации клапанов – утечка, пульсация и задиры движущихся частей.

Обратная арматура. Обратные клапаны и обратные затворы. Назначение, типы и устройство, принцип действия. Дисковые затворы. Устройство, принцип действия

Обратные клапаны предназначены для предотвращения обратного потока среды в трубопроводе и, тем самым, предупреждения аварии, например при внезапной остановке насоса и т.д. Они являются автоматическим самодействующим предохранительным устройством. Затвор – основной узел обратного клапана. Он пропускает среду в одном направлении и перекрывает ее поток в обратном.

По принципу действия и по конструкции обратные клапаны подразделяют на подъемные (см. рисунок 29) и поворотный обратный затвор (см. рисунок 30).

Рисунок 29 - Обратный клапан подъемного типа

1– корпус; 2– золотник; 3– пружина; 4– крышка; 5 – болт

Рисунок 30 - Обратный затвор

1– корпус; 2– захлопка; 3– крышка; 4 – серьга

Преимущество обратных затворов заключается в том, что они имеют меньшее гидравлическое сопротивление. Подъемные клапаны более просты и надежны. Они могут быть угловыми и проходными, причем для их изготовления можно использовать корпуса запорных клапанов.

При большом условном проходе в обратных затворах при закрытии может возникнуть гидравлический удар, поэтому при установке таких затворов иногда применяют обводную линию с задвижкой, которую необходимо закрывать при срабатывании затвора. Но целесообразнее использовать специальные обратные затворы с демпфером, который обеспечивает плавную посадку затвора при срабатывании клапана. При этом демпфер может быть простым, в виде поршня, помещаемого внутри корпуса над запорным органом, а при очень больших условных проходах демпфер выносится за корпус клапана и имеет более сложную конструкцию.

Обратный затвор представляет собой самодействующее устройство, закрывающее проход при движении потока среды в обратном направлении. Часто обратный затвор считается разновидностью обратного клапана, но ГОСТ Р 52720 строго разделяет эти два типа арматуры по принципу движения запорного элемента. В обратном затворе запирающий элемент выполнен в форме диска, поворачивающегося вокруг горизонтально расположенной оси. Центр качающегося диска совпадает с центром прохода внутри корпуса затвора, что гарантирует ровную посадку диска в седло.

Устройство преимущественно применяется на трубопроводах, транспортирующих углеводородные газы, водяной пар и воду.

В отличие от обратных клапанов, затворы не могут быть установлены на трубопроводах с пульсирующим потоком, но пригодны для использования в сильно загрязненных средах.

Обратный затвор состоит из корпуса, внутри которого расположено седло - отверстие для прохода рабочей среды, запирающего элемента (диска) и уплотнительных поверхностей. Диск закрепляется на горизонтальной оси, расположенной выше центра седла. Чтобы обеспечить герметичность затвора в закрытом положении, между седлом и диском устанавливаются уплотнительные поверхности, обеспечивающее плотное прилегание диска к седлу.

При потоке среды в требуемом направлении диск затвора поворачивается (поднимается) под действием давления среды, открывая проход для нее. Перед тем, как среда изменяет свое направление на противоположное, скорость ее потока равна нулю. В этот момент диск опускается на седло под тяжестью собственного веса. Когда среда меняет свое направление на противоположное, она начинает давить на диск затвора с противоположной стороны, прижимая его плотнее к седлу.

Контрольные вопросы

1. Запорные клапаны и их типы. Устройство, принцип действия

2. Дать определение клапана.

3. Распределение клапанов по назначению.

4. Краны и их типы. Устройство, принцип действия

5. Дать определение крана.

6. Регулирующая арматура, используемая на магистральных трубопроводах.

7. Устройство и принцип действия регулирующих дисковых затворов.

8. Предохранительная арматура. Типы предохранительной арматуры.

9. Устройство и принцип действия пружинного предохранительного клапана.

10. Обратные клапаны, назначение и принцип действия.

11. Обратные затворы, назначение и принцип действия

12. Дисковые затворы. Устройство, принцип действия

13. Правила установки вентилей на трубопроводе

14. Отличительные особенности и устройство обратных клапанов подъемного и поворотного типов

Программа: Повышения квалификации рабочих по профессии «Трубопроводчик линейный» (4 и 5 разряд)