Линейные и поворотные регулирующие клапаны, которые используют для управления работой трубопроводов, состоят из множества компонентов, выполняющих определенные задачи. Причем от количества и типа деталей может зависеть функциональность и технические характеристики арматуры.
В этой статье рассмотрим подробнее основные компоненты регулирующих клапанов и классифицируем арматуру по типам и способам использования.
Позиционеры
Для прокладки современных трубопроводных коммуникаций часто используют не просто клапаны, а запорную арматуру с позиционерами. Эти приспособления могут открывать и закрывать поток жидкости, а также размещать запорный элемент в определенном положении в пределах диапазона.
Кроме того, позиционеры выполняют несколько дополнительных задач:
- Управляют работой клапана в автоматическом режиме в зависимости от показаний внешнего датчика;
- Подключаются к компьютеру для программирования контроллера и диагностики технического состояния;
- Изменяют скорость и расстояние перемещения запорного элемента клапана для корректировки его характеристик;
- Интегрируются в системы управления производственными процессами, чтобы автоматизировать работу инженерных систем.
Далее чуть подробнее рассмотрим разные виды клапанов.
Регулирующие клапана
Производители выпускают сотни моделей запорно-регулирующей арматуры для различных трубопроводных систем. В этом материале мы остановимся на тех, что применяют для управления трубами с паром, водой и технологическими жидкостями на производстве.
Используются клапана с двумя видами механизмов:
- Линейные – задвижки, у которых для запирания проходного отверстия рабочий элемент перемещается линейно за счет движения штока;
- Поворотные – шаровые краны и другая арматура, где для перекрытия потока нужно провернуть шток на 90° относительно первоначального положения.
Также устройства делятся на двухходовые и трехходовые. В первом случае арматура может только открывать и закрывать поток жидкости, то есть дросселировать систему. Во втором дополнительно появляется возможность смешивания жидкостей и газов, их перераспределения по трубопроводам.
Двухходовые клапаны
Их используют для полного перекрывания потока или открывания без промежуточных положений. При выборе этой запорной арматуры нужно учитывать так называемое дифференциальное давление или ΔP. Этим термином называют разницу между давлением среды на входе в арматуру и на выходе из клапана.
Оно зависит от размера и конструкции механизма, а также управляющего привода, который перемещает шток в нужном направлении.
Для систем подачи водяного пара максимальное дифференциальное давление подбирают в зависимости от силы воздействия среды на входящем патрубке. За счет этого можно избежать критических ситуаций, которые могут возникать при срабатывании запорной арматуры. Если речь идет о водной системе, максимальное давление определяют в зависимости от типа используемого насоса.
Важно правильно определить усилие, которое воздействует на запорный элемент клапана. Если диаметр проходного отверстия большой, то на него будет влиять сильное давление транспортируемой среды. Следовательно, нужно подбирать правильный привод, который может двигать задвижку.
На трубопроводах большого диаметра возникает очень высокое дифференциальное давление. Он бывает настолько сильным, что создаваемого усилия в любом случае не хватит для закрытия клапана. В этом случае вместо классической односедельной арматуры используют двухседельную модификацию.
Двухседельные клапаны
Клапан с двойным седлом — это регулирующий механизм, у которого внутри установлено две пробки, но они размещены на одном шпинделе. Это дает несколько преимуществ:
- Сама пробка может быть меньше по размеру. Так как их две, площадь проходных отверстий все равно будет достаточной для пропускания жидкости или газа без потерь скорости и давления;
- Действующее на пробки давление уравновешивается. Транспортируемая среда не дает открыться одной пробке, но при этом она помогает другой. Это уменьшает усилие, необходимое для срабатывания механизма.
Однако возникает другая проблема. Пробки и седла в механизме из-за производственных допусков, износа, разницы в тепловом расширении и по другим причинам могут давать протечки. То есть такой механизм не может гарантировать герметичности при длительной эксплуатации.
Потенциальные утечки в запорной арматуре классифицируются в зависимости от количества пропускаемой среды. Двухседельный клапан в лучшем случае может соответствовать классу III. То есть механизм может пропускать до 0,1% жидкости или газа в полностью закрытом положении. Для некоторых видов газов или жидкостей (ядовитые, взрывоопасные), это может быть неприемлемым.
Сбалансированные односедельные клапаны
Из-за недостаточной герметичности двухседельных моделей инженеры используют односедельную запорную арматуру, но с некоторыми модификациями.
Основная проблема такого клапана — очень большое сопротивление, которое оказывает среда на пробку. Чем больше будет запорный элемент, тем большим будет и сопротивление. То есть для больших диаметров такая конструкция неприемлема.
В этом случае клапаны оснащены балансировочным механизмом. Он нужен для снижения прилагаемого усилия. Они особенно нужны для арматуры, которая работает с большими перепадами давления.
Наиболее распространен поршневой балансир. Жидкость или газ на входе попадает в пространство над пробкой, где расположен клапан. Это так называемая камера выравнивания давления. Создаваемое усилие воздействует на пробку клапана так, чтобы уравновесить давление. В результате можно открыть или закрыть механизм без значительных усилий.
Шиберные клапаны
Это еще один вид запорной арматуры, в которой для перекрытия потока используется задвижка. Этот клапан хорошо подходит для регулировки работы больших трубопроводов. В закрытом состоянии он обеспечивает полную герметичность, а в открытом — не мешает протеканию транспортируемой среды, так как шибер находится вне потока.
В зависимости от формы и количества задвижек шиберные клапаны делятся на такие виды:
- Клиновый — запорный элемент имеет заостренную нижнюю часть, которая упирается в седло. За счет своей формы она может разрезать волокнистые включения в транспортируемой среде.
- Параллельный — запорные элементы в виде двух дисков прижимаются к седлам с помощью специального механизма.
Шиберными клапанами можно управлять вручную с помощью рукоятки. Но для автоматизации работы трубопроводных систем применяют параллельные слайдовые клапаны. Он может использоваться как запорная или управляющая арматура.
Параллельный золотниковый клапан оборудован двумя дисками, которые скользят по направляющим за счет действия пружин. В крайнем положении они перекрывают поток жидкости. Причем герметизацию обеспечивает сама среда, которая воздействует на запорные диски своим давлением.
Этот вид арматуры часто используют в трубопроводах большого размера на предприятиях энергетического сектора, перерабатывающих заводов.
Поворотные клапаны
Основное отличие поворотного клапана в том, что для перекрытия потока нужно совершить четверть оборота штока. Яркий пример такого устройства — шаровой кран. Чтобы открыть поток жидкости нужно вращать сферу так, чтобы проходное отверстие расположилось в продольной оси трубы и наоборот.
За счет вращательного движения даже при значительном давлении среды не нужно прилагать большого усилия для перемещения запорного элемента. Следовательно, такие механизмы легко оборудовать приводами.
Клапаны с эксцентриковыми заглушками
Эта разновидность клапанов предназначена для установки в ограниченном пространстве. Их размещают таким образом, чтобы шпиндель занял горизонтальное положение. В этом случае привод можно расположить сбоку.
В запорной арматуре могут быть дополнительные соединения между рабочим элементом и приводом. Они сделаны таким образом, чтобы образовался рычаг с большим плечом. Он увеличивает создаваемое усилие. Также используются позиционеры, которые могут изменять рабочие параметры клапана.
Шаровые краны
Главная конструктивная особенность шарового крана — запорный элемент в виде сферы. Он расположен внутри корпуса между уплотнительными кольцами сверху и снизу. Для прохождения среды в запорной детали просверлено отверстие, равное по диаметру патрубку или меньше его.
В зависимости от этого краны делятся на два вида:
- Полнопроходные — размер отверстия соответствует диаметру трубы, кран не создает препятствий потоку жидкости;
- Стандартнопроходные — отверстие меньше проходного диаметра трубы.
В открытом положении отверстие в шаре располагается на центральной оси трубопровода, поток проходит беспрепятственно. В закрытом оно размещается перпендикулярно и полностью герметизирует трубу.
Дисковая заслонка
Это еще один вид запорной арматуры с рабочим элементом в виде диска. Он может вращаться на 90°. Принцип работы следующий:
- В закрытом положении диск располагается перпендикулярно потоку и плотно прилегает к седлу.
- В открытом положении от развернут параллельно центральной оси и практически не создает гидравлического сопротивления.
Дисковый клапан хорош тем, что имеет компактные размеры. Эта запорная арматура может не иметь корпуса и монтируется между соседними фланцами. Но шаровой кран может работать при большем перепаде давления и дольше сохраняет герметичность.
Опциональные элементы клапанов
Помимо основных технических характеристик, при выборе регулирующего клапана нужно обращать внимание на дополнительные параметры запорной арматуры. От них зависит удобство их эксплуатации.
В шаровых кранах большое значение имеет тип сальника штока и его конфигурация. Это особенно важно, если кран устанавливается на трубопроводы, по которым транспортируется среда с высокой температурой или агрессивными свойствами. Также сальник влияет на выбор привода.
Например, некоторые типы сальников создают большее трение со шпинделем клапана, что требует приложения большего усилия для вращения. Если использовать традиционную набивку, вращать кран будет тяжело. Но при установке уплотнения PTFE с пружиной или сильфонную набивку, усилие будет меньшим.
Дополнительный плюс в том, что подпружиненная набивка компенсирует износ и настраивается самостоятельно. Благодаря этому в течение долгого срока эксплуатации в этом месте не появляется протечка. На обслуживание трубопроводных систем уходит меньше усилий.
Клапаны с сильфонной набивкой дороже аналогов, но они создают очень слабое трение, при этом сохраняя герметичность.
При покупке регулирующих механизмов нужно обращать внимание на способы направления штока внутри механизма. Наиболее распространен метод «двойного направления», когда шток направляют с двух сторон. Но также используется способ «направленного штока», когда задействуют клетку или раму.
Двухходовые клапаны в системах автоматизации
В промышленных паропроводах с температурой до 200 градусов для регулировки работы инженерных систем чаще всего используются шаровые краны. Они имеют достаточно простую конструкцию и легко управляются. Кроме того, в ассортименте производителей легко подобрать вариант практически для любой сферы применения.
Также двухходовые автоматические клапаны со сферическим элементом применяют в инженерных системах для транспортировки жидкости:
- Трубопроводы горячего водоснабжения;
- Отопительные системы.
Из-за особенностей работы жидкостных систем они постоянно нуждаются в балансировании. По этой причине их проектируют таким образом, чтобы двухходовые клапаны использовались без нарушения баланса системы распределения. Если по каким-то причинам двухходовую запорную арматуру применять нельзя, устанавливают трехходовые клапаны. Они балансируют систему распределения, играя роль перепускных или смесительных механизмов.
Трехходовые клапаны
Этот вид арматуры применяют для смешивания или перенаправления потока. Назначение изделия зависит от того, как расположен шток и седло внутри корпуса.
Производители предлагают такие разновидности клапанов:
- Поршневой;
- Шаровой;
- С вращающимся башмаком.
В поршневой запорной арматуре используется поршень, который перемещают с помощью привода в нужное положение. Этот элемент закрывает или открывает проходное отверстие. Конструкция сделана таким образом, чтобы сохранялась общая площадь проходов для транспортируемой среды.
В каком бы положении ни находился поршень, общее сечение будет одинаковым. Например, если одно отверстие открыто на 30%, другое будет открыто на 70%. Это позволяет сбалансировать механизм.
Шаровой трехходовой клапан устроен так, чтобы привод толкал диск или пару клапанных пробок, расположенных между седлами. В результате будет уменьшаться или увеличиваться поток жидкости или газа между отверстиями.
Среда, которая поступает в трехходовую запорную арматуру, может вытекать через один из выходных портов или распределяться между ними. Если один закрыт, а второй открыт, дифференциальное давление прилагается к одной стороне заглушки.
