Тема 2 Запорная арматуры

Наиболее распространенный вид трубопроводной арматуры – запорная арматура. Запорная арматура состоит из трех основных элементов: запорного устройства, привода и системы управления.

Запорное устройство представляет собой закрытый герметичный корпус, внутри которого размещен затвор. Корпус обычно имеет два (иногда и больше) присоединительных конца, при помощи которых он прочно закрепляется на трубопроводе. Затвор предназначен для герметичного разобщения части трубопровода. Он состоит из седла и запорного тела, которое при герметичном разобщении части трубопровода соприкасаются по поверхности, называемой уплотнительной, и образуют запорную пару.

Привод – это исполнительный механизм, перемещающий запорное тело внутри запорного устройства относительно седла из закрытого положения в открытое и наоборот.

Система управления – служит для подачи дистанционного или местного управляющего сигнала к исполнительному механизму с целью установки затвора в открытое или закрытое положение

Запорная арматура классифицируется по конструктивным типам: кран, клапан (вентиль), задвижка, затвор.

Кран – рисунок 1 запорный или регулирующий орган имеет форму тела вращения или части его, который проворачивается вокруг собственной оси, произвольно расположенной к направлению потока рабочей среды.

Рисунок 1 – Кран

Клапан (вентиль) – рисунок 2 запорный или регулирующий орган перемещается возвратно-поступательно параллельно оси потока рабочей среды.

Рисунок 2 – Клапан (вентиль)

Задвижка – рисунок 3 запорный или регулирующий орган перемещается возвратно-поступательно перпендикулярно оси потока рабочей среды.

Рисунок 3 – Задвижка

Краном называют запорное устройство, в котором подвижная деталь затвора имеет форму тела вращения с отверстием для пропускания потока и при его перекрытии вращается вокруг своей оси, перпендикулярно к направлению потока. Кран состоит из двух основных деталей: неподвижной – корпуса и вращающейся – пробки.

В зависимости от конструкции затвора краны бывают коническими, цилиндрическими, сферическими или шаровыми;

– от характера движения пробки – с вращение пробки без подъема и с подъемом ее перед поворотом и последующим опусканием (прижимом после поворота);

– по способу присоединения к трубопроводу – фланцевыми, муфтовыми, цапковыми, с концами под приварку и специальными;

– по форме и сечению проходного канала – полнопроходными и с суженным проходом, а также со смазкой и без смазки.

Краны могут иметь ручное управление, гидравлический, пневматический, пневмогидравлический и электрический приводы.

По сравнению с другими видами запорной арматуры краны обладают следующими преимуществами:

– крутящий момент привода (ключа, штурвала и др.) в них передается непосредственно на пробку (в других видах запорной арматуры для обеспечения поступательного перемещения запирающей детали имеется, как правило, резьбовая пара);

– прямоточность движения потока через отверстие в пробке и вследствие этого малое гидравлическое сопротивление;

– компактность (пробка кранов в отличие от подвижных деталей вентилей и задвижек, перемещающихся поступательно, вращается вокруг оси, не перемещаясь в пространстве);

– при работе поверхность пробки не отрывается от корпуса и уплотнительные поверхности остаются замкнутыми, что значительно уменьшает эрозию уплотнительных поверхностей и опасность попадания на поверхность контакта посторонних частиц; возможность использования при малом давлении кранов, имеющих небольшой диаметр условного прохода, для регулирования потока.

Шаровый кран обладает прямоточностью, низким гидравлическим сопротивлением, постоянным контактом уплотнительных поверхностей, малыми габаритными размерами. Корпус и пробка этих кранов имеют сферическую поверхность.

Наиболее трудоемкие операции при изготовлении кранов – механическая обработка и притирка уплотнительных поверхностей корпуса и пробки. Уплотнительные поверхности корпусов шаровых кранов выполняют в виде колец или седел, размеры которых во много раз меньше размеров уплотнительных поверхностей пробок. В шаровых кранах с кольцами, имеющими мягкие уплотнения, необходимость в притирке уплотнительных поверхностей отпадает вообще. Пробку обычно хромируют или полируют.

Дополнительная герметизация шаровых затворов в кранах с большими диаметрами проходных сечений, которые предназначены для установки на газопроводах, рассчитанных на большие условные давления и низкие отрицательные температуры, достигается за счет подачи уплотнительной смазки (пасты, герметик). Шаровой затвор представляет собой узел, состоящий из шара, двух уплотняющих седел и поворотного штока (шпинделя).

По способу установки шара и уплотнительных седел выделяют три основных типа шаровых затворов:

– с плавающим шаром;

– шаром на опорах;

– с плавающим шаром и подпружиненной плавающей втулкой.

Кран с плавающим шаром представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Кран с плавающим шаром

Принцип работы затвора с плавающим шаром следующий: в корпусе расположены два уплотнительных седла, между которыми штуцерами зажимается стальной или бронзовый шар, имеющий сквозное отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру трубопровода. С помощью штока шар может поворачиваться в уплотнительных седлах. В открытом положении отверстия шара и трубопровода совпадают, обеспечивая протекание рабочей среды с минимальным гидравлическим сопротивлением. При повороте штока на четверть оборота (на 90°) отверстие шара устанавливается перпендикулярно к проходному отверстию крана. Давлением среды шар прижимается к заднему седлу, чем обеспечивается полная герметичность затвора. Седла уплотняются с корпусом прокладками из резины, а с шаром – тефлоновым кольцом.

Краны с плавающим шаром применяются с диаметром до 100 мм, при давлении до 10 МПа.

Основное преимущество таких затворов – простота и компактность, что определяет высокую надежность в эксплуатации и малую металлоемкость крана.

Необходимые герметичность и надежность работы кранов такого типа обеспечены при выполнении следующих условий:

– удельная нагрузка на поверхность контакта шара и седла должны быть достаточно высокими для уплотнения;

– шар должен быть идеальной сферической формы и высокой чистоты обработки;

– посадка седла должна быть герметичной в канавку (с углом при вершине 60° и глубиной 2–3 мм) на торцевой поверхности гнезда;

– уплотнение седла должно быть выполнено из пластичного и прочного материала (фторопласт, имеющий низкий коэффициент сухого трения, большой диапазон работающих температур, высокую химическую стойкость) и способного выдерживать большие нагрузки.

В нормально работающем затворе с плавающим шаром уплотнение обеспечивается седлом, расположенным за шаром. Седло, расположенное перед шаром, давлением газа может отжиматься от торцовой поверхности и изгибаться. В этом случае рабочая среда может проходить в зазор в полость шарового затвора. Во избежание повреждения седло перед шаром необходимо надежно закреплять в корпусе с помощью пружинного бронзового кольца с внутренними буртами.

Кран с затвором на опорах, показанный на рисунке 5, конструктивно более сложный. Применяют такой кран в основном в шарах с большим диаметром до 1600 мм, которые рассчитаны на давление до 79 МПа. Перенос опорных усилий с уплотнительных седел на полуоси шара позволяет значительно уменьшить момент, необходимый для поворота пробки. Затвор с шаром на опорах может быть выполнен по двум схемам: с уплотняющим седлом перед шаром и за ним.

Рисунок 5 – Кран с затвором на опорах

Принцип работы затвора с уплотнительным седлом следующий: шар, выполненный как одно целое с полуосями, может свободно поворачиваться в двух опорных подшипниках (скольжения или качения). Уплотнительные седла расположены в плавающих втулках, которые уплотняются в корпусе кольцами. Седла затвора предварительно поджимаются комплектом пружин. Седло, со стороны входа, при закрытом затворе прижимается к шару давлением среды, действующим на кольцевую поверхность, которая ограничена окружностями с диаметрами d и 𝐷₁. Противоположное седло в уплотнении затвора не участвует.

Конструктивное отличие затвора с уплотняющим седлом за шаром от затвора с уплотняющим седлом перед шаром заключается в том, что он имеет плавающие втулки, у которых диаметр уплотнения 𝐷₂ меньше среднего диаметра седла 𝑑_ср.

Затвор с шаром на опорах по сравнению с затворами с плавающим шаром имеют следующие преимущества:

– с уплотняющим седлом перед шаром – при закрытом затворе уплотнение шпинделя и большая часть корпуса крана не нагружены внутренним давление;

– с уплотняющим седлом за шаром – значительное снижение нагрузки на опорный подшипник, уменьшение суммарного момента трения в затворе.

Затворы с уплотняющим седлом перед шаром характеризуются значительным крутящим моментом, необходимым для поворота шара, и высокими нагрузками на опорные подшипники в результате увеличения эффективной площади, на которую действует давление.

При эксплуатации магистральных газопроводов используются краны в надземном и подземном исполнении. Кран подземного исполнения включает в себя удлиняющую колону и удлинитель шпинделя. На рисунке 6 представлен кран надземного исполнения, на рисунке 7 представлен кран подземного исполнения.