Авторы Писарец А. В., Коробко И. В., Кузьменко П.К., НДЦ ПРИСЭ НТУУ (КПИ)

Развитие водопроводных и тепловых систем, внедрение энергосберегающих технологий, автоматизация жилищно-коммунального хозяйства, дало толчок к расширению номенклатуры разнообразных устройств, предназначенных для управления потоками рабочей среды транспортируемой по трубопроводам. Такие устройства, применяемые для отключения, распределения, регулирования, смешения или сброса потоков сред, объединены под понятием трубопроводной арматуры.

Насыщение рынка зарубежными и отечественными образцами, большое разнообразие условий, в которых работает арматура, специфичность требований, предъявляемых к ней, вопросы надежности и долговечности, наличие большого количества конструктивных типов усложняют выбор арматуры для конкретных условий эксплуатации в современных системах.

Подавляющее большинство арматуры устанавливается на трубопроводах, и значительно меньшая часть монтируется непосредственно на котлах, аппаратах, установках и агрегатах.

Основными параметрами трубопроводной арматуры являются:

❏ диаметр условного прохода;

❏ условное давление;

❏ температура рабочей среды;

❏ рабочее давление;

❏ пробное давление.

Причем первые три характеристики являются общими для арматуры и трубопроводов.

Диаметр условного прохода ( D y ) — номинальный внутренний диаметр трубопровода, на котором устанавливается арматура. Разные типы арматуры при одном и том же диаметре условного прохода имеют разные проходные сечения.

Условное давление — наибольшее избыточное рабочее давление при температуре 20 °С, при котором обеспечивается длительная работа арматуры и соединительных частей трубопроводов.

Температура рабочей среды — наивысшая длительная температура перекачиваемой по трубопроводу среды (без учета кратковременных повышений температуры, допустимых техническими условиями).

Рабочее давление — наибольшее избыточное давление, при котором обеспечивается длительная работа арматуры и соединительных частей трубопроводов при рабочей температуре проводимой среды.

Пробное давление — избыточное давление, при котором арматура и соединительные части трубопроводов должны подвергаться гидравлическому испытанию на прочность и непроницаемость материала корпусных деталей при температуре не ниже 5 °С и не выше 70 °С, если в нормативно-технической документации не указано конкретное значение этой температуры.

Граничное отклонение значения пробного давления не должно превышать 15 %. Условное давление является единственным параметром арматуры, гарантирующим ее прочность и учитывающим как рабочее давление, так и рабочую температуру. Условное давление соответствует допустимому для данного изделия рабочему давлению при нормальной температуре. При повышении температуры механические свойства конструкционных материалов ухудшаются. Поэтому для арматуры с высокой рабочей температурой допустимые рабочие давления ниже условных. Это понижение зависит от материала деталей арматуры и температурной зависимости прочностных свойств материала. Чем выше рабочая температура, тем ниже максимальное рабочее давление при одном и том же условном давлении.

Для внесения общей ясности в эксплуатационные и конструктивные особенности применения трубопроводной арматуры предлагается её классифицировать по следующим параметрам:

1) по способу перекрытия потока среды;

2) по области применения;

3) в зависимости от рабочей среды и ее параметров;

4) по материалу корпусных деталей;

5) по методу управления;

6) по функциональному назначению;

7) по способу присоединения к трубопроводу;

8) по величине диаметра условного прохода;

9) по величине условного давления.

Характеризуется арматура эксплуатационными и конструкционными свойствами. Эксплуатационные характеристики определяют область применения арматуры, конструкционные — особенности конструкции, влияющие на метод управления, монтажа, технического обслуживания и ремонта.

К эксплуатационным характеристикам относятся:

❏ класс арматуры;

❏ тип изделия;

❏ материал основных деталей;

❏ тип привода.

Конструкционными характеристиками арматуры являются:

❏ строительная длина;

❏ строительная высота;

❏ тип присоединительных патрубков;

❏ способ присоединения к трубопроводу;

❏ тип уплотнительных колец.

По способу перекрытия потока среды трубопроводная арматура подразделяется на следующие типы:

■ задвижка — затвор в виде диска, пластины или клина, совершает возвратно-поступательное движение вдоль своей плоскости, перпендикулярно к оси потока среды ( рис. 1 ). Принципиальная особенность задвижек та, что при их закрывании запорный элемент не преодолевает усилия от давления среды, так как он движется поперек потока. В задвижках при закрывании необходимо преодолевать только трение. Поэтому задвижки можно применять для самых больших проходов и рабочих давлений.

■ клапан — затвор в виде тарелки или корпуса совершает возвратно-поступательное движение параллельно оси потока среды в седле корпуса арматуры ( рис. 2 ).

■ вентиль — клапан, в котором затвор перемещается с помощью винтовой пары и управляется вручную. Основное преимущество вентилей — отсутствие трения уплотнительных поверхностей, поэтому вентили применяют в самых ответственных трубопроводах высокого давления.

■ кран — затвор, имеющий форму тела вращения (или его части), поворачивается вокруг своей оси, расположенной перпендикулярно к оси потока среды ( рис. 3 );

■ заслонка — затвор, имеющий форму диска, поворачивается вокруг оси, расположенной в плоскости затвора или параллельно ей ( рис. 4 );

■ мембранный клапан — затвор в виде упругой мембраны, перемещается вдоль оси потока в седле клапана ( рис. 5 ).Мембранные клапаны особенно хорошо приспособлены для работы на агрессивных средах, потому что они не имеют сальника, а подвижные металлические элементы отделены от рабочей среды диафрагмой.

■ шланговый клапан — перекрытие потока осуществляется путем пережима эластичного (резинового) шланга, внутри которого проходит транспортируемая рабочая среда ( рис. 6 ). Главные преимущества шланговых клапанов: простота конструкции, эффективность работы в шламах и пульпах (где арматура большинства других типов неработоспособна), стойкость к коррозии и абразивному износу.

В зависимости от рабочей среды и ее параметров арматуру подразделяют на пароводяную (для воды и пара), энергетическую, нефтяную, канализационную, вентиляционную, криогенную, вакуумную, резервуарную.

По материалу корпусных деталей выделяют арматуру:

1) стальную (из углеродистой или легированной стали);

2) из коррозионностойкой стали;

3) титановую;

4) чугунную (из серого чугуна);

5) из ковкого чугуна;

6) цветных металлов;

7) пластмасс;

8) керамики (фарфор);

9) стекла.

По функциональному назначению арматура делится на следующие классы:

■ запорная арматура предназначена для полного перекрытия потока среды в трубопроводе;

■ регулирующая арматура — для регулирования расхода рабочей среды с целью регулирования соответствующих параметров технологического процесса (температуры, давления, состава материалов, участвующих в процессе);

■ распределительно-смесительная арматура используется для распределения потока среды по определенным направлениям;

■ предохранительная арматура — для предохранения обслуживаемых объектов от чрезмерного повышения давления путем выпуска избыточного количества рабочей среды;

■ защитная арматура предназначена для защиты оборудования от аварийных изменений параметров рабочей среды. В отличие от предохранительной, защитная арматура при возникновении аварийных условий закрывается и отключает обслуживаемый участок, чем предохраняет его от недопустимых воздействий;

■ фазоразделительная и массоразделительная арматура предназначена для автоматического разделения сред в зависимости от их фазы и состояния.

По области применения трубопроводную арматуру разделяют на следующие категории:

■ Промышленная арматура общего назначения изготавливается серийно в больших количествах и предназначена для сред с часто применяемыми значениями давлений и температуры. Этой арматурой оснащаются водопроводы, паропроводы, городские газопроводы, системы отопления и т.п. На Украине такая арматура широко представлена продукцией немецкого производителя ARI-Armaturen GmbH , польского — Zetkama , словенского — POLIX , украинского — корпорация «Киевская арматура» . В основном это задвижки, запорные и регулирующие клапаны, редукционные клапаны давления, регуляторы температуры, предохранительные, балансировочные клапаны, конденсатоотводчики.

■ Промышленная арматура для особых условий работы предназначена для эксплуатации при относительно высоких давлениях и температурах, при низких температурах, на коррозионных, токсичных, радиоактивных, вязких, абразивных или сыпучих средах. К этой арматуре относятся: арматура высоких энергетических параметров, криогенная, коррозионностойкая, фонтанная, арматура с обогревом, арматура для абразивных гидросмесей и для сыпучих материалов. Одним из крупнейших предприятийпроизводителей в Украине является ОАО «Ивано-Франковский арматурный завод» .

■ Специальная арматура разрабатывается и изготавливается по отдельным заказам на основании особых технических требований (например, для экспериментальных и уникальных промышленных установок, в том числе и для атомных электростанций).

■ Судовая арматура выпускается для работы в специфических условиях эксплуатации на судах речного и морского флота с учетом повышенных требований относительно минимальной массы, вибростойкости, повышенной надежности, особых условий управления и эксплуатации.

■ Сантехнической арматурой оснащаются различные бытовые устройства: газовые плиты, ванные установки, кухонные раковины и т.д. В основном это шаровые краны, обратные клапаны, регуляторы давления, фильтры, регулировочные вентили. Такого типа арматура на нашем рынке представлена торговыми марками HERZ (Австрия), Danfoss (Дания) Heimeier, Oventrop (Германия), Far,Brandoni (Италия).

Применение того или иного вида арматуры определяется такими факторами, как: возможность и необходимость ручного или механического привода, дистанционного или автоматического управления, быстрота срабатывания, наличие в приводе аварийной системы с независимым источником энергии.

Таким образом, по методу управления арматура может быть управляемой и автоматически действующей (автономной или прямого действия). Большинством производителей предусматривается конструктивно использование ручного или механического привода. Арматура с ручным приводом снабжается маховиком, маховиком и редуктором. В качестве механического привода может применяться электромеханический, электромагнитный, мембранный, поршневой и сильфонный. По конструктивному исполнению привод арматуры может быть насадным (блочным), встроенным и дистанционным. Такая универсальность присуща в основном регулирующим клапанам, регуляторам перепадов давлений, температур, которые участвуют в автоматизированных системах транспортировки нефтепродуктов, газа, системах отопления.

При регулировании технологических процессов с применением арматуры различают: автоматическое и ручное регулирование, дистанционное и местное, непрерывное и периодическое, бесступенчатое и позиционное.

Наиболее совершенным является дистанционное автоматическое непрерывное бесступенчатое регулирование. Наименее совершенным — ручное местное периодическое регулирование.

По способу присоединения к трубопроводу арматура подразделяется на фланцевую, муфтовую, цапковую, штуцерную и с патрубками под приварку (приварную).

Фланцевая арматура имеет присоединительные патрубки, снабженные фланцами, муфтовая — муфты с внутренней резьбой. Арматура для канализационных сетей может иметь муфтовые патрубки без внутренней резьбы, конусные полости которых при соединении с трубопроводом герметизируются резиновым кольцом и заполняются уплотняющим материалом. Цапковая арматура имеет присоединительные патрубки с прокладочным уплотнением и наружной резьбой, штуцерная — с наружной резьбой без прокладочного уплотнения.

Арматура под приварку имеет присоединительные патрубки, предусмотренные и подготовленные для приварки к трубопроводу.

Не все конструкции арматуры можно устанавливать в любом рабочем положении на трубопроводе. В связи с этим трубопроводную арматуру можно разделить на конструкции, допускающие монтаж в любом рабочем положении, допускающие установку только в вертикальном положении на горизонтальном трубопроводе и допускающие установку только на вертикальном трубопроводе.

По величине диаметра условного прохода различают арматуру малых проходов ( D y ≤ 40 мм), средних походов ( D y = 50-250 мм) и больших проходов ( D y > 250 мм).

По величине условного давления арматуру можно разделить на три основные группы:

❏ низкого давления на P y < 10 кгс/см 2 (1 МПа);

❏ среднего давления на 16 < P y <64 кгс/см 2 (1,6.6,4 МПа);

❏ высокого давления на 100 < P y < 1000 кгс/см 2 (10.100 МПа).

Условия работы арматуры определяются большим количеством факторов: рабочим давлением среды, рабочей температурой, физическими и химическими свойствами рабочей среды, колебаниями давления и температуры, периодичностью выполнения циклов срабатывания или переключений, типом привода, местоположением арматуры на трубопроводе, расположением на открытом месте или в закрытом помещении, климатическими условиями и т.д.

Правильный выбор конструктивного типа арматуры в значительной степени определяет безаварийную работу как отдельных технологических производств в целом, так и отдельных трубопроводов. Требования, предъявляемые к трубопроводной арматуре, чрезвычайно разнообразны. Вместе с тем явно проявляется тенденция резкого повышения срока эксплуатации, надежности и долговечности всех видов арматуры. Арматура линейной части газопровода должна обладать долговечностью порядка 10-20 лет, так как экономически замена такой арматуры обходится значительно дороже стоимости самой арматуры из-за необходимости остановки газопровода, сложности доставки арматуры на место и т.п.

Запорная арматура технологических трубопроводов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств эксплуатируется в самых разнообразных режимах и условиях. Общими требованиями к такой арматуре, как правило, в этих случаях, являются взрывобезопасность (особенно это относится к электроприводу и электроавтоматике), герметичность затвора, прокладочных и сальниковых уплотнений, коррозионная стойкость материала основных деталей, стойкость уплотнений к углеводородным средам. Конструкция арматуры также должна отвечать требованию высокой пригодности к ремонту — легкости и удобству замены изношенных деталей. Эти же требования предъявляются при работе арматуры на агрессивных средах.

Тип и назначение трубопровода, долговечность и ремонтопригодность, надежность работы, а также вид арматуры и место ее установки в гидравлической системе определяют конкретные особенности применения и эксплуатации арматуры, а также характер требований, предъявляемых к ней. Наконец, одним из решающих факторов при использовании является экономичность арматуры.

При этом должны учитываться цена арматуры, стоимость её обслуживания, а также влияние арматуры на экономические показатели всего технологического процесса. Все эти характеристики должны быть обязательно связаны с расчетным сроком службы системы, где применяется арматура, а также с проектируемой в дальнейшем модернизацией или автоматизацией.

Таким образом, подводя итоги можно сказать, что трубопроводную арматуру следует выбирать в зависимости от:

1) конкретных условий и особенностей технологического процесса, в котором она должна участвовать;

2) вида и физических свойств рабочей среды (нефтепродукты, вода, газ, пар и другие);

3) характера работы арматуры (частота срабатывания, преобладающее закрытое или открытое рабочее положение);

4) вида нагрузок в гидравлической системе (устойчивый режим, пульсация давления, динамические и ударные нагрузки, наличие вибрации);

5) температурного режима трубопровода и окружающей среды. ■