Проектирование и эксплуатация насосных и компрессорных станций

4.2.ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА

4.2.1.Задвижки

Кзадвижкам относят запорные устройства, в которых проход перекрывается поступательным перемещением затвора в направ­ лении, перпендикулярном движению потока транспортируемой среды. Задвижки широко применяют для перекрытия потоков газообразных или жидких сред в трубопроводах с диаметрами условных проходов от 50 до 1400 мм при рабочих давлениях 4 — 200 кгс/см2 и температурах среды от 60 до 450 °С.

Малое гидравлическое сопротивление задвижек делает их особенно ценными при применении на трубопроводах, через ко­ торые постоянно движется среда с большой скоростью, например для трубопроводов большого диаметра.

В сравнении с другими видами запорной арматуры задвижки имеют следующие преимущества: незначительное гидравличе­ ское сопротивление при полностью открытом проходе; отсутствие поворотов потока рабочей среды; возможность применения для перекрытия потоков среды большой вязкости; простота обслужи­ вания; относительно небольшая строительная длина; возможность подачи среды в любом направлении.

К недостаткам задвижек следует отнести их относительно большую высоту, поэтому в тех случаях, когда затвор в соответ­ ствии с технологическим процессом большую часть времени дол­ жен быть закрыт, а открывается он редко, в целях экономии места при Dy200 мм, как правило, применяют вентили. Это особенно на­ глядно видно, когда трубопроводы располагаются в несколько эта­ жей.

Недостатки, общие для всех конструкций задвижек, следую­ щие: невозможность применения для сред с кристаллизующимися включениями, небольшой допускаемый перепад давлений на зат­ воре (по сравнению с вентилями), невысокая скорость срабатыва­ ния затвора, возможность получения гидравлического удара в конце хода, большая высота, трудности ремонта изношенных уп­ лотнительных поверхностей затвора при эксплуатации. Внешний вид задвижки и ее основные элементы представлены на рис. 4.2.

Рабочая полость задвижки (рис. 16), в которую подают транс­ портируемую под давлением среду, образуется корпусом и верх-

321

11-1-164

Иногда уплотнительные поверхности получают непосред­ ственно при обработке корпуса. Однако такое конструктивное ре­ шение вряд ли может быть приемлемым для всех задвижек, так как при износе этих поверхностей проще и дешевле заменить сменные седла, чем заново обработать корпус при эксплуатации. Уплотнительные поверхности седел и затвора с целью уменьше­ ния износа и усилий трения, возникающих при перемещении зат­ вора, обычно изготавливают из материалов, отличающихся от ма­ териала корпуса, путем запрессовки, что позволяет их менять

впроцессе эксплуатации.

Вверхней части затвора закреплена ходовая гайка, в которую ввинчен шпиндель, жестко соединенный с маховиком. Система винт-гайка служит для преобразования вращательного движения маховика (при открывании или закрывании задвижки) в поступа­ тельное перемещение затвора.

При перекрытии прохода от одностороннего давления среды возникают довольно значительные усилия, действующие на зат­ вор, которые передаются на уплотнительные поверхности седла. Величина этих усилий зависит от перепада давления рабочей сре­ ды в трубопроводе до и после задвижки и от величины удельного давления на уплотнительных поверхностях затвора и седел, кото­ рую надо обеспечить для герметичного перекрытия потока рабо­ чей среды при заданном рабочем давлении в трубопроводе. Систе­ ма винт —гайка — наиболее рациональная, так как она позволяет получить компактный и простой по конструкции привод с посту­ пательным движением выходного элемента, а также поступатель­ ное движение привода с большим усилием в направлении хода. Кроме того, поскольку такая конструкция является самотормозящей, она практически исключает возможность самопроизвольно­ го перемещения затвора при отключении привода, что весьма важно для запорной арматуры при эксплуатации.

Недостатком этой системы в данном конкретном случае следу­ ет считать то, что пара винт —гайка находится в среде, протекаю­

щей через рабочую полость задвижки.

Среда смывает смазку, отсюда повышенный износ пары. Кро­ ме того, такую конструкцию можно применять не на всех средах.

Существуют самые разнообразные конструкции задвижек. Их пытаются классифировать по различным признакам, связан­ ным с конкретными условиями эксплуатации, по химическому со­

323

Рис. 4.4. Параллельная однодисковая задвижка:

1 — шибер; 2 — патрубок; 3 — корпус; 4 — узел крепления шпинделя и ши­ бера; 5 — седло; 6 — шпилька; 7 — уплотнительное кольцо; 8 — прокладка; 9 — верхняя крышка; 10 — набивка сальника; 11 — нажимная планка; 12 — шпиндель; 13 — кожух; 14 — выходной элемент привода; 15 — стойка

Рис. 4.5. Затвор двухдисковых параллельных задвижек:

а — с выдвижным шпинделем: 1 — диск; 2 — грибок; 3 — шпиндель; 4 —уп­

лотнительное кольцо; 5 — седло; 6 — корпус; б — с невыдвижным шпинделем: 1 — диск; 2 — грибок; 3 — ходовая гайка;

4 — шпиндель; 5 — уплотнительное кольцо; 6 — седло; 7 — корпус

325

4.2.2. Краны

Кран — запорное устройство, в котором подвижная деталь затвора (пробка) имеет форму тела вращения с отверстием для пропуска потока. Перекрытие потока осуществляется вращением вокруг своей оси подвижной детали затвора. В зависимости от гео­ метрической формы уплотнительных поверхностей пробки и корпу­ са краны разделяют на два основных типа: конические и шаровые.

Краны можно классифицировать и по другим конструктив­ ным признакам: по способу создания удельного давления на уп­ лотнительных поверхностях, по форме окна прохода пробки, по числу проходов, по наличию или отсутствию сужения прохода, по типу управления и привода, по материалу уплотнительных поверх­ ностей и т. д.

Наибольшее распространение на магистральных трубопрово­ дах получили шаровые краны.

В конструкции шаровых кранов сохранены основные преиму­ щества конических кранов (простота конструкции, прямоточность и низкое гидравлическое сопротивление, постоянство вза­ имного контакта уплотнительных поверхностей), но есть и отличия.

Во-первых, пробка и корпус крана благодаря сферической форме имеют меньшие габаритные размеры и массу, а также большую прочность и жесткость (им не нужны ребра жесткости, усложняющие технологию отливки).

Во-вторых, при изготовлении кранов с коническим затвором технологически трудно получить одинаковую геометрию конусов корпуса и пробки. Даже при незначительном различии углов при вершине конусов корпуса и пробки последние будут только теоре­ тически касаться корпуса по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной к оси конуса. Между тем такое различие в конусности неизбежно при обработке уплотнительных поверх­ ностей корпуса и пробки с разных технологических установок (обычно при изготовлении кранов больших проходов). Практиче­ ски, даже после притирки контакт уплотнительных поверхностей неравномерен по высоте конуса. При этом достаточно плохого контакта вверху или внизу конуса для того, чтобы герметичность крана была нарушена, так как при этом отсутствует замкнутая об­ ласть контакта уплотнительных поверхностей вокруг прохода. У шаровых кранов имеется принципиальное преимущество перед

326

коническими: даже при небольшом несовпадении радиусов сфе­ ры пробки и уплотнительного кольца теоретический контакт меж­ ду ними происходит по окружности вокруг прохода. Это означает, что даже при неточном изготовлении поверхность контакта уплот­ нительных поверхностей корпуса и пробки полностью окружает проход и герметизирует затвор крана. Таким образом, конструк­ ция кранов со сферическим затвором менее чувствительна к не­ точностям изготовления, что обеспечивает гораздо лучшую герме­ тичность.

В-третьих, изготовление шаровых кранов менее трудоемко (при наличии необходимого оборудования). Это объясняется тем, что наиболее трудоемкие операции при изготовлении кранов — механическая обработка и притирка уплотнительных поверхно­ стей корпуса и пробки. В шаровых кранах, в отличие от кониче­ ских, уплотнительных поверхностей в корпусе нет, они есть толь­ ко на уплотнительных кольцах, размеры которых во много раз меньше, чем размеры корпусов конических кранов (отсюда и рез­ кое снижение трудоемкости). Кроме того, в шаровых кранах с кольцами из пластмассы вообще отпадает необходимость в при­ тирке уплотнительных поверхностей. Здесь пробку обычно хро­ мируют или полируют.

Для создания необходимого при герметичности удельного дав­ ления на металлических поверхностях в шаровых кранах преду­ смотрено два направления.

Первое — применение шаровых кранов со смазкой на высо­ кие давления среды и большие проходы. При этом усилие, созда­ ваемое перепадом давления среды на большой площади, позволяет надежно герметизировать затвор, а применение смазки — умень­ шить необходимые усилия для управления краном.

Второе — применение в шаровых кранах пластмассовых уп­ лотнительных колец, что позволило снизить необходимые для гер­ метичности затвора усилия. Изготовляют краны с плавающим ша­ ром (рис. 4.6) и с шаром на опорах (рис. 4.7).

У первых шар в закрытом положении крана давлением рабо­ чей среды поджимается к уплотнительной поверхности седла, при этом он сам занимает то положение, которое определяется седлом. У вторых усилие от давления рабочей среды на шар воспринима­ ется опорами, а соосность шара и уплотнительной поверхности седла обеспечивается не автоматически, как в предыдущем слу-

327

чае, а при сборке изделия — регулировкой положения шара по вы­ соте. Краны с плавающим шаром имеют более простую конструк­ цию и более низкую трудоемкость изготовления, чем краны с ша­ ром в опорах. По мере повышения рабочего давления и размеров крана с плавающим шаром возрастает контактное давление на уп­ лотнительных поверхностях седла и шара. Чтобы контактное дав­ ление не превысило допустимого значения, контактную площадь сопрягаемых деталей увеличивают, однако наступает момент, ког­ да это увеличение становится неэффективным, так как фактиче­ ская площадь контакта не возрастает пропорционально увеличе­ нию размеров на уплотнительных поверхностях кольца и шара, при их взаимном скольжении образуются задиры. Это обстоятель­ ство ограничивает возможность расширения параметров шаро­ вых кранов с плавающим шаром.

Существенными недостатками этих изделий являются: значительные крутящие моменты, требуемые для управления,

необходимость применения в связи с этим мощных приводов, имеющих большую массу и размеры;

нестабильность крутящих моментов.

С понижением температуры требуемый крутящий момент обычно возрастает в связи с увеличением вязкости герметика

иприсутствием воды в газе. Влияние того и другого фактора весь­ ма существенно из-за большой площади взаимного контакта седла

ишара. Кроме того, в кранах с седлом из полимерного материала на усилии, необходимом для трогания шара с места (если кран зак­ рыт и находится под давлением), сказывается их взаимное сцепле­ ние, вызванное микронеровностями поверхности шара, в которую седло вдавливается. Увеличение крутящего момента на валу крана по указанной причине зависит от величины неровностей и их на­ правления (от шероховатости поверхности шара и глубины рисок, возникших на нем при эксплуатации изделия, и их направления), температуры, материала седла, контактных давлений и времени нахождения седла и шара в контакте. Имеются данные, что прира­ щение усилия на валу крана по указанной причине снижается

в2 — 2,5 раза при понижении шероховатости поверхности шара (с Ra 0,06 до 0,024). К таким же последствиям ведет и нарушение макрогеометрии шара. Наконец, во всех кранах с плавающим ша­ ром (с металлическим седлом или седлом из полимерного материа­ ла) в закрытом положении одно из седел, а в открытом — два

330