Глава III

ТРУБОПРОВОДЫ И АРМАТУРА

§ 15. Основные сборочные единицы трубопроводов

Трубопроводы — герметичная система из труб, служащая для перемещения жидкости и газов, снабженная запорной, регулирую­щей и другой арматурой.

Различают трубопроводы межцеховые и внутрицеховые. Трубо­проводы, соединяющие аппараты и машины в отдельные агрегаты и установки, называют внутрицеховыми. Межцеховые (внешние) трубопроводы соединяют отдельные объекты (корпуса, установки, склады и т. д.) предприятия в единый комплекс по производству определенных видов продукции.

На предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперера­батывающей промышленности трубопроводы служат неотъемле­мой частью технологического оборудования. Протяженность трубо­проводов на отдельных предприятиях измеряется сотнями и ты­сячами километров.

По трубопроводам транспортируются продукты самых различ­ных физико-химических свойств и агрегатных состояний: ней­тральные, кислые и щелочные жидкости, горючие и взрывоопас­ные газы и пары.

Температура транспортируемых продуктов может быть от низ­ких минусовых до самых высоких плюсовых значений, а давле­ние— от глубокого вакуума до сотен и тысяч мегапаскалей. Поэ­тому к трубопроводам и способам их соединения предъявляют следующие требования: 1) достаточная механическая прочность и герметичность при рабочем давлении и температуре транспор- тируемой среды; 2) устойчивость к действию агрессивной среды и сохранение физико-химических свойств в процессе длительной эксплуатации; 3) минимальное гидравлическое сопротивление; 4) незначительные температурные напряжения; 5) надежность, безопасность и удобство эксплуатации; 6) экономичность при сооружении и эксплуатации.

В зависимости от условий работы применяют трубы: чугунные (из серого и кремнистого чугуна), стальные (из углеродистых и легированных сталей), алюминиевые, свинцовые, титановые, кера-

мические, стеклянные, фарфоровые, пластиковые, стальные, по­крытые внутри резиной, винипластом и полиэтиленом.

Для соединения труб и фасонных деталей друг с другом, а также присоединения их к аппаратам, машинам и арматуре ис­пользуют различные способы соединений, которые подразделяются на разъемные (разборные) и неразъемные (неразборные). Для выполнения неразъемного соединения технологических трубопрово­дов применяют в основном сварку. Разъемные соединения выпол­няют с помощью фланцев, муфт и раструбов.

Наиболее распространено фланцевое соединение. Кон­струкция, типы и размеры фланцев стандартизованы и характери­зуются условным давлением и диаметром. Фланцы могут быть: литые из серого чугуна; литые из ковкого чугуна; литые стальные; стальные плоские приварные; стальные приварные встык; сталь­ные свободные на приварном кольце.

Конструкция уплотнений фланцевых поверхностей зависит от условного давления р_у в трубопроводе (рис. 7): 1 — плоская при р_у = 0,1 МПа; 2 — выступ-впадина при р_у=1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4 МПа; 3 — шип-паз при р_у=1,0; 4,0; 6,4 МПа; 4 — гладкая и 5 — под металлическую прокладку овального сечения при р_у = 0,1 МПа. Трубы высокого давления соединяют с помощью плоских круглых фланцев, имеющих на внутренней поверхности резьбу. Такая же резьба есть и на концах соединяемых труб. Для уплот­нения торцов этих труб используют стальную линзу.

Фасонные части трубопроводов используют следующим обра­зом: колена, отводы и угольники применяют для изме­нения направления трубопровода; переходы — для изменения диаметров трубопроводов; тройники и крестовины — для ответвлений трубопровода.

При изменении температуры среды металлические трубы удли­няют или укорачивают, но это может вызвать нарушение герме­тичности или появление изгибов в местах соединений. Для устра­нения нежелательных явлений на трубопроводах устанавливают компенсирующие устройства: П-образные с гнутыми отводами из бесшовных труб, П-образные со сварными отводами из бесшовных труб или сварных труб, волнистые, линзовые и сальниковые.

Трубопроводы по всей длине закрепляют с помощью непод­вижных («мертвых») и подвижных (катковых, скользящих, пружинных) опор.

Для сохранения определенной температуры транспортируемой среды, т. е. для уменьшения теплоотдачи от стенок трубопровода в окружающую среду, трубопроводы покрывают слоем изоляцион­ного материала, обертывают тканью либо заключают в металли­ческие кожухи.

В качестве изоляционных материалов применяют шлаковую или стеклянную вату, торфяную или пробковую крош­ку, изоляционный кирпич и др.

Для защиты поверхности трубопроводов от разрушения под действием окружающей среды и придания опрятного вида их ок­рашивают масляными красками, покрывают перхлорвиниловым или бакелитовым лаком, а при укладке труб в землю покрывают битумом или другими смолами.

Трубопроводы, включая трубопроводную арматуру, соедини­тельные и фасонные части, окрашивают установленным цветом для быстрого определения транспортируемой среды и облегчения управления производственными процессами (табл. 1). Опознава­тельный цвет способствует также обеспечению безопасности труда.

Окраску можно проводить по всей длине трубопровода или по отдельным участкам.

Для обозначения наиболее опасных по своим свойствам ве­ществ на трубопроводы наносят предупреждающие цветные кольца (одно, два или три рядом) в зависимости от транспортируемой среды: красные —для легковоспламеняющихся, пожаро- и взрыво­опасных веществ, желтые —для агрессивных, токсичных, радио­активных, под высоким давлением, при глубоком вакууме и т. д.; желтые с черными каемками —для газов и кислот; зеленые — для безопасных и нейтральных сред.

Помимо опознавательного цвета трубопроводы снабжают пре­дупреждающими об

опасности знаками и маркировочными щит-

ками, указывающими направление движения и параметры тран- спортируемого вещества.

§ 16. Принцип действия и устройство трубопроводной арматуры

К трубопроводной арматуре относятся различные устройства, устанавливаемые на трубопроводах, которые обеспечивают управ­ление потоком рабочей среды путем изменения проходного сечения.

Трубопроводную арматуру можно разделить на следующие группы: а) запорная — для перекрытия потока рабочей среды; б) регулирующая — для регулирования параметров рабочей среды с помощью изменения ее расхода; в) предохранительная — для автоматической защиты оборудования от аварийных изменений па­раметров; г) обратная — для автоматического предотвращения об­ратного потока рабочей среды. Потоком среды управляют с по­мощью запирающего или регулирующего устройства, помещенного в корпус.

Каждый вид арматуры имеет свою область применения, кото­рая определяется условным давлением, условным диаметром про­хода, температурой и свойствами перемещаемой среды. Услов­ным диаметром прохода называют номинальный внутренний диа­метр трубопровода, к которому присоединяют арматуру, услов­ным давлением — рабочее давление, соответствующее темпера­туре рабочей среды 20°С.

В зависимости от значения условного диаметра арматура бы­вает малых проходов — до 40 мм, средних — 50—250 м, больших — более 250 мм. Арматуру изготовляют для разных давлений (МПа): малых — до 1,6; средних — от 2,5 до 10; высоких — от 16 до 80; сверхвысоких — от 100 и выше.

По температурному режиму арматуру выполняют: из углеро­дистых сталей — для температуры до 450°С, серого чугуна — до 225°С, ковкого чугуна — до 300°С; из легированных сталей — для высоких температур 425—600°С; из жаропрочных сталей — для температур выше 600°С.

На трубопроводах, по которым транспортируют агрессивные вещества, применяют арматуру из нержавеющих сталей, чугуна и сталей с защитным покрытием внутренних поверхностей, из пластических и полимерных материалов (полиэтилен, винипласт, графитопласт и др.), из керамики (фарфор, диабаз, стекло).

Для токсичных и взрывоопасных сред используют специаль­ную арматуру, обеспечивающую повышенную герметичность за­порных и сальниковых устройств.

По способу управления арматура бывает ручная и приводная, которая приводится в действие с помощью механического, элек­трического, пневматического, гидравлического привода. Ручное управление применяют в тех случаях, когда арматуру приходится редко переключать, а также тогда, когда ее используют в каче­стве запасной. Для установки на труднодоступных местах исполь­зуют приводную арматуру с дистанционным управлением. На пожароопасных и взрывоопасных производствах для быстрого устранения аварийной ситуации устанавливают электроприводную арматуру.

Запорная и регулирующая арматура. Краны — трубопровод­ная арматура, в которой запорный или регулирующий орган имеет форму тела вращения (или части его), поворачивающегося вокруг собственной оси. Собственная ось вращения иногда рас­положена произвольно к направлению потока среды. По виду за­порного органа краны могут быть цилиндрические, конусные, шаровые, по способу герметизации — сальниковые, самоуплотняю­щиеся и натяжные, по способу присоединения к трубопроводу — муфтовые, фланцевые и с патрубками под приварку. Краны обыч­но устанавливают на трубопроводах малого диаметра, рассчитан­ных на давление до 16 МПа и температуру до 100°С. Положение запорного органа можно определить по риске на штоке крана, которая указывает, как расположено проходное окно запорного органа. Краны имеют малые габаритные размеры, низкое гидрав­лическое сопротивление и простое управление — поворот запорного органа на 90°, выполняемый вручную или с помощью привода.

Кран с подъемным запорным органом (рис. 8) обладает луч­шими эксплуатационными качествами, так как его запорный ор­ган при повороте не соприкасается с корпусом и не истирается. Перед поворотом запорный орган поднимают вращением махо­вика, затем поворачивают в необходимое положение и снова опус­кают вниз до посадки в корпус.

На трубопроводах, которые транспортируют вязкие вещества, применяют краны с паровым обогревом.

Клапаны — трубопроводная арматура, в которой запорный или регулирующий орган перемещается возвратно-поступательно, параллельно оси потока рабочей среды. Клапаны общетехниче­ского назначения изготовляют из чугуна и стали с ручным и электрическим приводами. Эти клапаны имеют сальниковое уплот-

нение шпинделя. Тарелка запорного органа (золотник) соеди­няется со шпинделем шарнирно.

На трубопроводах, предназначенных для токсичной, пожаро и взрывоопасной или радиоактивной сред, пропуск которых через сальник недопустим, применяют бессальниковую арматуру. Наи­более надежным в этом случае будут сильфонные клапаны из специ­альных сталей (рис.9). Сильфонные сборки 3 из коррозионно-стойкой стали укреплены между корпусом 1 и крышкой 2. Управление клапаном ручное: при вращении штурвала 4 перемещается шпин­дель 5, поднимая или опуская запорный ор­ган 6.

Мембранный кла­пан—сравнительно но­вая разновидность ар­матуры. Его можно применять только при низких давлениях (до 1,0 МПа), что связано с малой прочностью запорного элемента — диафрагмы, изготов­ленной из упругого ма­териала (например, ре­зина). Допускаемая температура должна не превышать 150° С. Диафрагмовые клапа­ны приспособлены для работы на агрессивных средах, потому что не имеют сальника, а подвижные металлические элементы отделе­ны от рабочей среды мембраной.

Задвижки — трубопроводная арматура, в которой запорный или регулирующий орган перемещается возвратно-поступательно, перпендикулярно оси потока рабочей среды. Задвижки отли­чаются простой конструкцией, имеют незначительное гидравличе­ское сопротивление и допускают движение среды в обоих направ­лениях (рис. 10).

Управляют задвижками вручную с помощью штурвала или маховика, а также с помощью электропривода и пневмопривода.

Дисковые затворы — трубопроводная арматура, в кото­рой запорный или регулирующий орган выполнен в виде диска. Дисковые затворы применяют в трубопроводах для транспортиро­вания воды, нефти, масла и нефтепродуктов с температурой до 80°С. Для обслуживания используют червячные передачи с руч­ным управлением, электрическим и гидравлическим приводами.

На рис. 11 показано устройство дискового затвора. В корпусе 1, соединяемым с трубопроводом фланцами 5, установлена диско­вая заслонка 4, которая поворачивается на осях 3 электродвига­телем 2.

Дисковые затворы для агрессивных сред изготовляют из кор­розионно-стойкой стали или титана.

Регулирующие клапаны предназначены для регули­рования параметров рабочей среды путем изменения ее расхода, управляются от внешнего источника энергии. При пневматической системе связи регулирующими клапанами управляют с помощью мембранного привода, при электрической — с помощью электриче­ского привода. Регулирующие клапаны могут быть нормально открытыми (НО) и нормально закрытыми (НЗ), одно- и двухсе-дельные. Наиболее распространены двухседельные регулирующие клапаны.

Регулирующие угловые клапаны с ручным управлением изго­товляют из коррозионно-стойкой стали на рабочее давление 10 МПа для насосных установок крепкой азотной кислоты, нитрозных газов и кислорода.

Предохранительная й обратная арматура. К предохранительной ар­матуре относятся предохранитель­ные и перепускные клапаны, мем-бранно-разрывные устройства.

Предохранительные кла­паны служат для автоматическо­го выпуска части газа, пара или жидкости из трубопроводов, аппа­ратов или машин [при повышении давления сверх нормы. Предохра­нительные клапаны могут быть ры­чажными (грузовыми) и пружин- * ными. Пружинные клапаны на­страивают на определенное давле­ние изменением натяжения пружи­ны, рычажные — перемещением гру­за по рычагу.

Предохранительные клапаны в зависимости от подъема тарелки клапана над седлом разделяют на мало-, средне- и полноподъемные. Полноподъемные клапаны выпу­скают только пружинными. На компрессорных установках, сжи­мающих токсичные, пожаро- и взрывоопасные газы, применяют пружинные предохранительные клапаны закрытого типа, исклю­чающие утечку газа в атмосферу.

Для пружинных предохранительных клапанов принято услов­ное обозначение ППК, рядом с которым через черточки записы­вают условный диаметр и условное давление. К каждому клапану поставляют набор пружин, рассчитанных на определенное давле­ние, которое должно быть не выше условного.

Предохранительный клапан (рис. 12) состоит из корпуса 6 с седлом ,5, к которому пружиной 3 прижимается золотник 4 через шпиндель 2. С помощью рычажного приспособления 1 можно про­дуть клапан, открывая его вручную. Запорный орган герметизи­руют уплотнительными кольцами на седле и золотнике, изготов­ленными из нержавеющей стали.

Предохранительные мембраны в зависимости от ха­рактера разрушения могут быть разрывные, ломающиеся, отрыв­ные, срезные и др. Предохранительные мембраны представляют собой тонкий диск, зажатый между фланцами. При повышении давления сверх расчетного мембрана разрывается, выпуская из­быток среды. Разрывные мембраны иногда устанавливают парал­лельно предохранительному клапану с таким расчетом, чтобы

мембрана срабатывала после клапана, если давление про­должает расти, или последова­тельно для защиты клапана от неблагоприятного воздейст­вия среды. Недостатком мем­бран является то, что их после разрыва необходимо менять.

Обратный затвор предотвращает обратный по­ток рабочей среды в трубо­проводе. По конструкции об­ратные затворы делятся на подъемные и поворотные (за-хлопки). Обратный затвор срабатывает автоматически под действием среды

На рис. 13 приведена конструкция поворотного обратного затвора. Потоком жидкости или газа клапан 2, подвешенный на оси рычага 3 и закрепленный в корпусе 1, отжимается от уплот­нения и пропускает рабочую среду в направлении, указанном стрелкой. При изменении направления потока клапан прижимается к уплотнению и закрывает проход.

Обратную арматуру, соединенную с быстродействующим при­водом, называют отсечной.

Приводы арматуры. Предназначены для управления работой арматуры путем перемещения запирающих органов. По виду используемой энергии приводы арматуры (исполнительные меха­низмы) подразделяют на ручные (с маховиком, конической зуб­чатой, цилиндрической зубчатой и червячной передачами), элек­трические (электромоторные и электромагнитные), пневматиче­ские и гидравлические (поршневые, мембранные и сильфонные), электрогидравлические. По месту расположения привода относи­тельно арматуры приводы бывают местные встроенные, местные агрегатные и дистанционные.

Местный встроенный привод имеет общие с арматурой детали (крышка, шток, сальник). Местный агрегатный привод — отдель­ный агрегат, монтируемый на крышке или кронштейне крышки и присоединенный к шпинделю или штоку арматуры с помощью присоединительной муфты, втулки или гильзы. Дистанционный привод располагают отдельно, часто на значительном расстоянии от арматуры. Передача движения от привода к арматуре осу­ществляется специальной трансмиссией.

Наиболее часто применяют мембранные и пневматические при­воды, используемые в регулирующей арматуре, и электроприводы, расположенные в запорной арматуре.

Конструктивно запирающие органы могут быть выполнены так, что при подаче сжатого воздуха на пневмопривод клапан будет закрываться или, наоборот, открываться. В первом случае исполнение клапана ВЗ (воздух закрывает), во втором — ВО (воз­дух открывает). Выбор исполнения регулирующего клапана (ВЗ или ВО) зависит от условий эксплуатации, в которых находится клапан.

Электроприводы широко используют для запорной и регули­рующей арматуры. Арматуру с электроприводом снабжают до­полнительно ручным управлением.