Лекция 6. Трубопроводная арматура

Цель занятия. Изучение конструкций устройств, применяемых для прекращения или регулирования подачи, предохранения трубопроводов от аварий и других воздействий на материальные потоки, протекающие по трубопроводам.

Раздел 1. Основные понятия и классификация арматуры

Арматура различного вида и назначения служит для управления и контроля материальных потоков, проходящих по трубопроводам. С помощью арматуры выполняют следующие операции: включение и отключение отдельных участков трубопровода, изменение направления потока, расхода или давления, отделение жидкости от пара. К арматуре относят также фонари, для визуального контроля потоков жидкостей, и указатели уровня.

Классификация арматуры. Трубопроводную арматуру принято классифицировать по ряду признаков. Остановимся на некоторых из них.

По области применения:

Промышленная трубопроводная арматура общего назначения используется в различных отраслях народного хозяйства.

Промышленная трубопроводная арматура для особых условий работы предназначается для эксплуатации при относительно высоких давлениях и температурах, при низких температурах, на коррозионных, токсичных, радиоактивных, вязких, абразивных или сыпучих средах.

Специальная арматура разрабатывается и изготавливается по отдельным заказам на основании особых технических требований.

Судовая арматура выпускается для работы в специфических условиях эксплуатации на судах речного и морского флота

Сантехнической арматурой оснащаются различные бытовые устройства: газовые плиты, ванные установки, кухонные раковины и др.

По функциональному назначению (виду):

Запорная арматура предназначена для полного перекрытия потока рабочей среды в трубопроводе и пуска среды в зависимости от требований технологического процесса (цикл «открыто-закрыто»).

Регулирующая арматура предназначена для регулирования параметров рабочей среды посредством изменения ее расхода. К ней относятся: регулирующие клапаны, регуляторы давления, регуляторы уровня жидкости, дросселирующая арматура и т.п.

Распределительно-смесительная (трехходовая или многоходовая) арматура предназначена для распределения рабочей среды по определенным направлениям или для смешения потоков среды (например, холодной и горячей воды). Сюда относятся распределительные клапаны и краны.

Предохранительная арматура предназначена для автоматической защиты оборудования и трубопроводов от недопустимого давления посредством сброса избытка рабочей среды. Сюда относятся: предохранительные клапаны, импульсные предохранительные устройства, мембранные разрывные устройства, перепускные клапаны.

Защитная арматура предназначена для автоматической защиты оборудования и трубопроводов от недопустимых или предусмотренных технологическим процессом изменений параметров или направления потока рабочей среды и для отключения потока без выброса рабочей среды из технологической системы. Сюда относятся: обратные клапаны, отключающие клапаны.

Фазоразделителъная арматура предназначена для автоматического разделения рабочих сред в зависимости от их фазы и состояния. Сюда относятся конденсатоотводчики, воздухоотводчики и маслоотделители.

По конструктивным типам (табл. 6.1):

Задвижка – трубопроводная арматура, в которой запирающий элемент перемещается возвратно-поступательно перпендикулярно направлению потока рабочей среды.

Клапан – трубопроводная арматура, в которой запирающий или регулирующий элемент перемещается возвратно-поступательно параллельно оси потока рабочей среды в седле корпуса арматуры. Клапан, в котором запирающий элемент перемещается с помощью винтовой пары и управляется вручную, называется вентилем.

Кран – трубопроводная арматура, в которой запирающий или регулирующий элемент имеет форму тела вращения или его части; поворачивается вокруг своей оси, перпендикулярно расположенной по отношению к направлению потока рабочей среды.

Затвор (затвор дисковый) - трубопроводная арматура, в которой запирающий или регулирующий элемент имеет форму диска и поворачивается вокруг оси, перпендикулярной к оси трубопровода.

Таблица 6.1.– Конструктивные типы арматуры (в зависимости от способа перекрытия потока среды)

Тип арматуры	Эскиз	Краткая характеристика
Кран		Малая строительная высота. Малое время открывания и закрывания. Большие крутящие моменты, необходимые для управления. Малое гидравлическое сопротивление.
Задвижка		Малая строительная длина, большая строительная высота. Большой ход затвора, большое время открывания и закрывания. Малое гидравлическое сопротивление.
Затвор дисковый		Малые габаритные размеры и масса. Малое время открывания и закрывания. Проход частично перекрыт затвором при открытом положении изделия. Незначительное гидравлическое сопротивление.
Клапан		Большая строительная длина. Малый ход затвора, малое время открывания и закрывания. Большое гидравлическое сопротивление.

Трубопроводную арматуру классифицируют также по условному давлению, рабочей температуре, способу присоединения к трубопроводу, способам герметизации, управления и т.п.

Раздел. 2 Конструкции трубопроводной арматуры

Запорная арматура. Запорная арматура по количеству применяемых единиц составляет 80 % всей арматуры. Поэтому на рассмотрении ее конструкций мы остановимся несколько подробней.

Запорная арматура должна обеспечивать плотность отключения в закрытом состоянии и оказывать минимальное сопротивление протекающей среде в открытом состоянии. Различные производители выпускают сотни подвидов запорной арматуры, однако все их можно подразделить на 3 вида: вентили, задвижки и краны.

Вентили. Вентили, как запорные органы, применяют преимущественно при небольшом проходном сечении (диаметр трубопровода до 100 мм), когда требуется большая плотность отключения (например, для дренажных и спускных трубопроводов), и в основном они используются в качестве регулирующих органов.

На рис. 6.1, а изображен наиболее распространенный тип запорного вентиля – нормальный (другое название – проходной) фланцевый вентиль низкого и среднего давления. Он состоит из корпуса 4, в который запрессовано стальное или бронзовое кольцо (седло 5), и клапана (тарелки) 6, соединенного со шпинделем 7. На конце шпинделя имеется резьба. При вращении маховика 1 во время закрывания или открывания вентиля шпиндель ввинчивается в траверсу 9. Присоединение запорного вентиля к трубопроводу осуществляется с помощью фланцев 3. На рис. 6.1, б показан запорный вентиль высокого давления бесфланцевый, который крепится к трубопроводам посредством сварки.

Рис. 6.1.– Запорный вентиль: а – фланцевый низкого и среднего давления; б – высокого давления, бесфланцевый; 1-маховик; 2-сальниковое уплотнение; 3-фланец; 4-корпус; 5-седло; 6-клапан (тарелка); 7-шпиндель; 8-крышка; 9-траверса; 10-втулка; 11-разгрузочный клапан; 12-шестерня;

Количество жидкости или газа, проходящего через вентиль, регулируется подъемом или опусканием клапана. Для облегчения открывания крупных вентилей применяют разгрузочные обводные (байпасные) линии малого диаметра, служащие для выравнивания давления среды до и после вентиля. Прежде чем открыть основной вентиль, открывают байпас и после того, как в трубопроводе до и после вентиля установится одинаковое давление, приступают к открыванию основного вентиля. Для этой же цели некоторые вентили выполняются с двумя расположенными на одном шпинделе клапанами (тарелками), один из которых имеет меньший размер и устанавливается в средней части большого клапана (см. рис. 6.1, б). При подъеме шпинделя сначала поднимается малый разгрузочный клапан 11 на определенную высоту, а затем после выравнивания давления при дальнейшем открывании вентиля поднимается большой клапан 6.

Для облегчения открывания вентиля привод шпинделя осуществляют через две цилиндрические шестерни 12 от маховика диаметром до 500 мм. При эксплуатации каждый вентиль должен обеспечивать полное перекрытие трубопроводов.

Нормальный вентиль является надежным запорным и регулирующим органом. Однако он создает большое сопротивление потоку среды вследствие резкого двукратного изменения направления ее движения. Меньшим сопротивлением обладают прямоточные (косые) и угловые вентили.

Рис. 6.2.– Прямоточный вентиль.	Рис. 6.3.– Угловой вентиль

К прямоточным относят вентили, корпус которых имеет соосные патрубки входа и выхода. Ось шпинделя, расположена в нем под углом 45...60° к оси этих патрубков. Преимущества вентилей этого типа по сравнению с нормальными следующие: относительно малое гидравлическое сопротивление; компактность конструкции; отсутствие зон застоя.

Недостатки прямоточных вентилей – большая по сравнению с проходными длина и относительно большая масса.

Вентиль (рис. 6.2) состоит из корпуса 1 с навинченными на него фланцами. Уплотнительная кромка получена при обработке корпуса. В этой конструкции крышка 4 крепится к корпусу вместе со стойкой 6. Сальниковое устройство 5 обычной конструкции с нажимным фланцем. На стойке жестко посажена ходовая гайка 8. Наиболее интересным в рассматриваемой конструкции является то, что узел соединения 10, штока 3 со шпинделем 9 вынесен за пределы корпуса. Это позволяет жестко (сваркой) закрепить клапан 2 на штоке.

Угловые вентили рис. 6.3 имеют корпус с перпендикулярно расположенными патрубками, причем один из патрубков соосен или параллелен оси седла и золотника 2. Вентили этого типа предназначены для соединения двух частей трубопровода, расположенных перпендикулярно друг другу или для монтажа на повороте.

Эти вентили по сравнению с проходными более компактны по конструкции, меньше по массе и не имеют застойных зон в корпусе. К недостаткам угловых вентилей относятся относительно высокое (по сравнению с прямоточными) гидравлическое сопротивление и большая высота.

Угловой вентиль (рис.6.3) предназначен для работы при давлениях рабочей среды, меньших 6,4 МПа, и при невысоких температурах. Он состоит из корпуса 1, на котором закреплена крышка 4, отлитая вместе со стойкой. На стойке крепится ходовая гайка 6 и сальник 5. Набивка сальника состоит из уплотнительных колец. Ходовая гайка предохраняется от вращения вокруг оси при помощи винтов. В этой конструкции седло заменяется уплотнительной, поверхностью, полученной обработкой перемычки корпуса. Тарельчатый золотник 2 соединен со шпинделем 3. Это предотвращает вращение золотника в закрытом положении затвора. Маховик закрепляется на шпинделе.

Задвижки. В промышленности широкое применение нашли задвижки, которые создают значительно меньшее сопротивление потоку среды, чем вентили. Жидкость или пар к задвижкам подводится с любой стороны. Задвижки могут иметь разные затворы (параллельные и клиновые), выдвижные и невыдвижные шпиндели.

Рис. 6.4.– Задвижки: а – нормальная с параллельными уплотнительными дисками и выдвижным шпинделем; б – бесфланцевая высокого давления с дистанционным приводом; в – клиновая с невыдвижным шпинделем; 1-маховик; 2-сальниковая набивка; 3-шпиндель; 4-уплотнительные кольца; 5 — уплотнительные диски; 6— распорное устройство; 7-корпус; 8-крышка; 9-траверса; 10-шарнир; 11-зубчатая передача; 12-буртик; 13-нарезная втулка; 14-клиновой затвор.

На рис. 6.4, а приведена нормальная задвижка с параллельными уплотнительными дисками. Задвижка состоит из чугунного корпуса 7, крышки 8, маховика 1, выдвижного шпинделя 3, уплотнительных колец 4 и дисков 5. Между дисками устанавливается распорное устройство 6. При вращении маховика по часовой стрелке шпиндель вместе с дисками опускается, распорное устройство, упираясь в нижнюю часть корпуса, раздвигает диски и плотно прижимает их к уплотнительным кольцам, закрывая проход жидкости или газу. В задвижках с выдвижным шпинделем шпиндель и маховик имеют квадратную резьбу, и при вращении маховика шпиндель вывинчивается или ввинчивается в него, увлекая за собой диски.

На предприятиях часто применяются задвижки или вентили с электрическим приводом, позволяющим открывать или закрывать их дистанционно. На рис. 6.4, б приведена бесфланцевая задвижка высокого давления с дистанционным приводом. Бесфланцевая арматура непосредственно приваривается к трубопроводу.

В клиновых задвижках с невыдвижным шпинделем 3 (рис. 6.4, в) последний вращается вместе с маховиком 1. На конце шпинделя 3 имеется резьба, которая входит в нарезную втулку 13, расположенную в верхней части клинового затвора 14. При вращении маховика шпиндель 3 из-за имеющегося на нем буртика 12 не может подняться и будет вращаться вместе с маховиком. При этом нарезная втулка 13 будет вращаться по его резьбе, поднимая или опуская клиновой затвор 4 задвижки.

Уплотнение шпинделя задвижки достигается при помощи сальниковой набивки 2 и грундбуксы (сальникового уплотнения). Грундбукса с внешней стороны имеет резьбу, при помощи которой она ввинчивается в крышку и, таким образом, уплотняет набивку.

По сравнению с вентилями задвижки создают относительно небольшое гидравлическое сопротивление, требуют меньшего усилия на открывание и закрывание, допускают протекание среды в обоих направлениях, имеют меньшую длину корпуса, могут быть изготовлены на большое проходное сечение. К недостаткам задвижек относятся более сложная, чем у вентилей, конструкция, быстрый износ уплотнительных поверхностей затвора и больший подъем затвора при полном открывании, что увеличивает ее габаритные размеры.

Краны. В качестве запорного устройства для низкого давления среды (0,3...0,5 МПа) применяются пробковые краны. Краны предназначены для быстрого открывания и закрывания прохода в трубопроводе и для регулирования расхода. Краны имеют малое гидравлическое сопротивление. Их основной недостаток – плохая герметичность.

Пробковые краны по способу уплотнения бывают натяжные (рис. 6.5, а) и сальниковые (рис. 6.5, б); по способу соединения — муфтовые и фланцевые; по материалу корпуса и пробки — чугунные, бронзовые и комбинированные (чугунный корпус с бронзовой пробкой).

Рис.6.5.– Краны: а – натяжной газовый муфтовый; б – сальниковый; 1-корпус; 2-пробка; 3-четырехгранная головка; 4-шайба; 5-гайка; 6-шпилька с резьбой; 7-опорное кольцо; 8-сальниковая набивка; 9-крышка сальника; 10-болт.

Основными элементами кранов являются корпус 1 и коническая пробка 2 с отверстием для прохода газа. На четырехгранной головке 3 под ключ наносится риска, совпадающая с направлением отверстия в пробке. Если риска на головке совпадает с направлением трубопровода, на котором установлен кран, то проход для среды открыт, а если риска направлена поперек трубопровода, то проход закрыт.

В натяжных кранах в нижней части пробки есть шпилька 6 с резьбой (см. рис. 6.5, а), на которую надевается шайба 4 и накручивается гайка 5. Плотность в этих кранах обеспечивается натяжением гайки. Краны, устанавливаемые на газопроводах, должны иметь упоры, ограничивающие поворот пробки в границах 90°.

Плотность в сальниковых кранах обеспечивается сальниковой набивкой 8. Уплотнение ее осуществляется затягиванием сальника с помощью крышки 9 сальника. Для облегчения разборки сальникового крана в нижней части корпуса устанавливается отжимной болт 10.

В настоящее время пробковые краны вытесняются шаровыми, которые обеспечивают большую герметичность и меньшие усилия при открывании и закрывании, не требуют обслуживания. Одна из разновидностей шарового крана представлена на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Кран шаровой: 1 – корпус, 2 – уплотнительная прокладка, 3 – шар с отверстием для прохода жидкости, 4 – патрубок для присоединения к трубопроводу, 5 – сальниковое уплотнение головки.

Для изменения направления потоков или их смешивания промышленностью выпускаются трехходовые краны (рис. 6.7). Они используется, главным образом, в измерительной технике, но существуют трехходовые краны и для применения на технологических трубопроводах.

Рис. 6.7. – Трехходовой кран: а – положения I-V трехходового крана; б – детали крана; 1-фланец; 2-штуцер; 3-пробка крана; 4-риски; 5-ниппель; 6-отверстия в пробке; 7-гайка для затяжки пробки.

На ручке трехходового крана в виде буквы Т нанесены риски, совпадающие с направлениями каналов в пробке. Поворотом ручки можно соединять между собой все три входа в кран (положение V), либо попарно (положения I, II, II), либо все их разъединить (положение IV)

Дроссельная и регулирующая арматура. Для регулированиярасходов жидкости или газа или снижения их давления применяют арматуру клапанного типа, в частности, вентили. Обычные вентили применяются для этих целей ограничено, так как, во-первых, изменяют расход только при малых высотах подъема клапана (до четверти диаметра седла), во-вторых, шарнирное крепление клапана затрудняет точную регулировку и, наконец, расход потока меняется не пропорционально углу поворота шпинделя.

Отличие дроссельной арматуры от обычных вентилей в том, что клапан кроме обычной запорной поверхности имеет устройство, обеспечивающее почти линейное изменение сечения для прохода потока от угла поворота и увеличенный ход шпинделя от открытого до закрытого положения.

Для грубого регулирования расхода часто применяют дисковые (дроссельные) заслонки, которые также называют заслонками типа «баттерфляй» или «бабочка». Один из вариантов такой заслонки приведен на рис. 6.8.

Рис. 6.8.– Дисковая заслонка.

Арматура обратного действия (обратный клапан). Различают конструкции обратных клапанов вентильного и поворотного типов. Первый аналогичен по конструкции вентилю, но клапан в нем не зафиксирован и может свободно подниматься над седлом давлением потока, движущегося в разрешенном направлении, и придавливаться к седлу, перекрывая движение среды в обратном направлении. В клапанах поворотного типа собственно клапан расположен на петле и, поворачиваясь на ней, может открывать или закрывать проход среды.

Рис. 6.9.- Предохранительный клапан пружинного типа.

Арматура предохранительная (предохранительный клапан). Арматура предназначена для автоматической защиты оборудования и трубопроводов от подъема давления выше допустимой величины.

Наиболее распространены клапаны вентильного типа с самодействующими (прямо действующими) приводными устройствами пружинного (рис. 6.9) или грузового (рис. 6.10) типа. Самодействие – подъем затвора арматуры давлением рабочей среды без использования каких-либо дополнительных средств автоматики.

Обязательными компонентами конструкции предохранительного клапана являются корпус 1, собственно клапан, состоящий из золотника 3 и седла 4 (рис. 6.9), и задатчик (пружина) 2, обеспечивающий силовое воздействие на клапан. С помощью задатчика 2 клапан настраивается таким образом, чтобы усилие на золотнике клапана 3 обеспечивало его прижатие к седлу 4 запорного органа и препятствовало пропуску рабочей среды, в данном случае настройку производят специальным винтом 1, вращая который можно сжимать или отпускать пружину 2.

Когда предохранительный клапан закрыт, на золотник 3 воздействует рабочее давление в защищаемой системе, стремящееся открыть клапан и сила от сжатой пружины 2, препятствующая открытию. С возникновением в системе давления, превышающего допустимую величину, его воздействие на золотник преодолевает усилие сжатой пружины. Запорный орган начинает открываться и, если давление в системе не перестанет возрастать, происходит сброс рабочей среды через клапан. С понижением давления в защищаемой системе, из-за сброса среды, запорный орган клапана под действием усилия от пружины закрывается.

Пружинный клапан обладает хорошим быстродействием и обеспечивает герметичность (исключает попадание сбрасываемой среды в атмосферу помещения). В то же время, он плохо держит настройку, что обусловлено «усталостью» пружины и зависимостью создаваемого ею усилия от температуры.

Рис. 6.10.- Предохранительный клапан грузового типа.

Этого недостатка лишен предохранительный клапан грузового типа (рис. 6.10). Он отличается от пружинного тем, что усилию на золотник 1 от давления рабочей среды противодействует сила создаваемая грузом 2, передаваемая через рычаг 3 на шток 4 клапана. Настройка таких клапанов на давление открытия производится фиксацией груза определённой массы на плече рычага.

Недостатками грузового клапана являются: замедленное в сравнении с пружинным открытие (из-за большой инерции системы из груза, рычага и золотника) и неизбежность попадания сбрасываемой среды в атмосферу.

Конденсатоотводчики.Конденсатоотводчики предназначены для автоматического отделения конденсата от пароводяной эмульсии и выпуска его из системы. Конденсат образуется в теплообменниках и при прогреве трубопроводов и установок когда часть пара превращается в воду. Конденсатоотводчик должен выпускать воду и задерживать пар, что осуществляется с помощью гидравлического или механического затвора.

В различных конструкциях конденсатоотводчиков для отделения конденсат от пара используется различие их физических свойств: плотности, температуры или удельного объема.

Типы конденсатоотводчиков. Термостатические конденсатоотводчики реагируют на разницу температуры пара и конденсата. Пар отдает свое тепло в нагревательном устройстве, образуя конденсат при температуре пара. Из-за потерь тепла температура конденсата падает. Термостатический конденсатоотводчик пропускает конденсат при возникновении этой разницы температур. Как только в конденсатоотводчик попадает пар, температура возрастает и конденсатоотводчик закрывается. На рис. 6.11 показан рабочий элемент одного из вариантов термостатического конденсатоотводчика в открытом (рис. 6.11, а) и закрытом (рис. 6.11, б) состоянии.

а

  б

Рис. 6.11.– Конденсатоотводчик с капсулой в качестве темостатического элемента: а – в открытом, б – в закрытом состоянии.

Термостатический элемент представляет собой капсулу, заполненную специальной жидкостью, имеющей точку кипения ниже, чем у воды. В холодном состоянии капсула "сжата" и шарик в ее нижней части открывает клапан конденсатоотводчика, позволяя конденсату свободно уходить. Когда конденсат проходит через конденсатоотводчик, он омывает капсулу, нагревая жидкость в ней. Жидкость в капсуле вскипает до того как до конденсатоотводчика дойдет пар. Давление внутри капсулы увеличивается, гибкая пластина изгибается и шарик закрывает клапан. Теперь конденсатоотводчик остывает и в определенный момент капсула опять "сожмется", шарик откроет клапан и процесс повторится снова.

Механические конденсатоотводчики реагируют на разницу плотности пара и конденсата. Эти конденсатоотводчики разделены на две категории: с шаровым поплавком (рис. 6.12) и с поплавками в виде стакана. Выпускаются две разновидности таких устройств: с открытым и с перевернутым стаканом. В конденсатоотводчике с шаровым поплавком (рис. 6.12) поплавок 1 всплывает при наличии конденсата 3 и открывает клапан 2, который выпускает конденсат.

 

Рис. 6.12.– Конденсатоотводчик с шаровым поплавком.

Что касается конденсатоотводчика с поплавком типа открытый или перевернутый стакан, то поплавок в нем всплывает, когда конденсат из стакана вытесняется паром. При этом он закрывает клапан. Когда же стакан заполняется конденсатом, он тонет и открывает клапан.

Термодинамические конденсатоотводчики реагируют на разницу скоростей пара и конденсата. Работа термодинамических конденсатоотводчиков частично зависит от образования вторичного пара. Эта группа включает в себя термодинамические дисковые, импульсные и лабиринтные конденсатоотводчики. Все рассчитаны на то, что горячий конденсат вскипает и образует пароводяную смесь.

Одна из разновидностей такого конденсатоотводчика представляет собой трубку, в которую впаяны чередующиеся диски и диафрагмы. Это устройство оказывает незначительное гидравлическое сопротивление выходу конденсата и весьма значительное, если в него поступает пар.

Дата добавления: 2014-01-03