Запорно-регулирующая арматура используется для контроля потока среды на объектах промышленного производства, и бытовых системах жизнедеятельности. Магистральные трубопроводы , месторождения нефти и газа и заводы по их переработке , сталеплавильные и химические предприятия, очистные сооружения и городской водопровод – вот лишь небольшая часть предприятий, где требуется огромное количество запорно-регулирующей арматуры.

Существует множество типов и модификаций запорно-регулирующей арматуры . Мы рассмотрим принцип действия наиболее распространенных типов изделий, таких как шаровые краны, дисковые поворотные затворы , шиберные задвижки , запорные клапаны и мембранные клапаны.

Принцип действия всех вышеперечисленных типов запорной арматуры примерно одинаков. Все эти устройства либо ограничивают поток среды (воздуха, жидкостей, пара, газа, сыпучих тел), либо полностью перекрывает его. Различаются лишь элементы конструкции типов запорной арматуры, (мембрана, диск, шар) с помощью которых и происходит перекрытие потока.

Шаровый кран – один из самых надежных элементов запорной арматуры. Краны такого типа обеспечивают очень хорошую возможность полного перекрытия потока, в случае поворота запорного элемента на четверть оборота (90°). К достоинствам шарового крана следует также отнести низкое время закрытия, и низкую вероятность протечки, в случае износа уплотнения

Шаровые краны можно разделить на неполнопроходные, и полнопроходные. Неполнопроходной кран в открытом состоянии имеет диаметр прохода меньший, чем диаметр трубопровода, полнопроходный кран имеет диаметр прохода равный диаметру трубопровода. Полнопроходный шаровый кран более эффективен, т.к. позволяет свести к минимуму падение давления в клапане.

Шаровые краны рекомендуются только для использования в полностью открытом, или полностью закрытом положении. Они не приспособлены для точного регулирования потока, или функционирования в частично открытом положении, так как создается избыточное давление на часть корпуса, что может привести к его деформированию. Деформирование корпуса приводит к протечкам и поломкам.

В положении "открыто"
Шаг 1
Шаг 2
В положении "закрыто"

Дисковый поворотный затвор регулирует поток при помощи специального элемента – диска, закреплённого на валу, и поворачивающегося вокруг своей оси. Также, как и шаровый кран, дисковый затвор способен осуществить перекрытие за достаточно короткое время, так как диск осуществляет такой же оборот на 90 °, из-за чего этот затвор называют также четверть-оборотным.

В зависимости от положения диска и вала относительно корпуса, дисковые затворы могут быть трехэксцентриковыми и двухэксцентриковыми . Затвор со смещенным эксцентриситетом означает, что ось диска смещена относительно геометрической оси корпуса, что обеспечивает более плотное прилегание диска к уплотнению затвора, а следовательно – исключает протечки.

Дисковые поворотные затворы характеризуются простотой конструкции, легкостью веса, и компактными размерами. Но материалы, используемые при производстве затворов, могут ограничить их применение при очень высоких температурах, или крайне агрессивных средах. В основном это касается уплотнений затвора, изготовляемых из полимерных материалов.

В положении "открыто"
Шаг 1
Шаг 2
В положении "Закрыто"

Запорно-регулирующий клапан подходит для использования на различных технологических объектах, исключая лишь трубопроводы больших диаметров , для контроля и регуляции потока среды.

Принцип действия клапанов не сильно отличается от принципа действия прочей запорно-регулирующей арматуры. Достоинства этих клапанов состоят в малом ходе затвора для полного открытия, соответственно такой клапан обычно имеет малые габариты и приемлемую массу. Также клапан обладает высокой герметичностью, и отсутствием трения уплотнения затвора о седло, что значительно сокращает их износ.

Недостатки подобного типа клапанов заключаются в сильном гидравлическом сопротивлении, и, соответственно, в больших потерях энергии, ограничении максимального диаметра трубопроводов, на которые их можно установить, а также в существовании застойных зон (по причине S-образного внутреннего сечения), где могут накапливаться примеси и мусор.

В положении "открыто"
Шаг 1
Шаг 2
В положении "закрыто"

Конструкция шиберной задвижки напоминает шлюз - поток регулируется путем его разделения при помощи металлической пластины – шибера. Шиберная задвижка – одно из наиболее простых приспособлений для регуляции потока.

Шиберные задвижки, в зависимости от конструкции запирающего элемента могут быть межфланцевыми, двусторонними и ножевыми.

К достоинствам шиберной задвижки следует отнести то, что этот тип задвижек в открытом состоянии не содержит никаких элементов, препятствующих потоку.

В положении "открыто"
Шаг 1
Шаг 2
В положении "закрыто"

Мембранные клапаны используют в качестве запорного элемента гибкую мембрану (диафрагму) метод «щипать», чтобы остановить поток клапана, используя гибкую мембрану.

Одним из преимуществ мембранного клапана является то, что компоненты самого клапана отделены от потока среды, что в случае агрессивных сред увеличивает срок службы клапана, при условии регулярного обслуживания и своевременной замены мембраны.

Эти типы клапанов, как правило, не подходит для агрессивных сред, и сред с высокими температурами, в основном, они применяются для водопроводных систем.

Ниже представлено видео, в котором наглядно показан принцип работы трехэксцентрикового дискового затвора

Регулирующие клапаны – разновидность запорной арматуры. Она предназначена для управления потоком газообразной или жидкой среды, которая транспортируется по трубопроводу во всевозможных технологических системах.

1. Регулирующие и запорно-регулирующие клапаны – главные параметры

Регулирующие клапаны. Главные разновидности

В России традиционно их делят на следующие виды:

Регулирующие
Регулирующие проходные клапаны широкого и активно используются для постоянной корректировки расхода рабочей среды от минимального до максимального уровня (регулировка идет с помощью перекрытия условного прохода). В первом случае клапан полностью закрыт, а во втором целиком открыт, обеспечивая беспрепятственный проток жидкой или газообразной среды и соответственно наибольшую подачу.

Запорные
Запорные клапаны (иногда еще их называют отсечными) регулировку потоком ведут дискретно, обеспечивая свободный проход для жидкости (газа) либо его перекрытие, имея фактически два положения. Вместе с этим в закрытом положении запорные клапаны допускают небольшие по величине протечки, то нельзя говорить о полной герметичности подобного соединения и при необходимости в систему устанавливают иное запорное оборудование либо использовать другие решения при проектировании. Если же технологический процесс допускает наличие небольших протечек или, например, перекрытие идет кратковременно, то применение системы на регулирующих клапанах подобного типа вполне допустимо.

Запорно-регулирующие
Запорно-регулирующие клапаны занимают промежуточное положение между первыми двумя типами, сочетая в себе преимущество первых и вторых, что делает их достаточно универсальными.

Интересно, что в западных странах все регулирующие клапаны делят на 6 классов таким образом, что чем выше его номер, тем ниже уровень протечки во время эксплуатации в закрытом положении. Последние 3 по традиционной российской классификации относят к запорным или запорно-регулирующим клапанам. Для упрощения подбора зарубежные производители при поставке продукции на российский рынок издают специальные рекомендации по выбору моделей, где приводятся взаимозаменяемые аналоги, что обеспечивает возможность выполнения необходимых условий по степени герметичности.

Регулирующие и запорно-регулирующие клапаны. Главные параметры

Главной характеристикой арматуры остается условный диаметр его прохода. Он равен внутреннему у входного и выходного патрубков (иногда эти размеры могут быть неравными между собой). Каждому из величин этого условного диаметра соответствует определенный уровень наибольшего возможного расхода транспортируемой жидкости (также этот параметр в значительной степени зависит от плотности рабочей среды, перепада уровня давления и некоторых иных параметров).

Для упрощения сравнения отдельных моделей и проведения технического расчета на стадии проектирования применяют термин условной пропускной способности. Он подразумевает объем воды в стандартных условиях (температура 20 градусов и перепад 0,1 Мпа), который проходит через клапан в открытом положении.

Основные конструктивные особенности

Регулируемый клапан делят на 3 основных части:

• дроссельный узел;
• корпус клапана;
• привод.

Первый размещается внутри самого корпуса клапана. Регулирующий элемент состоит, включает седло и плунжер, которые непосредственно присоединяется ко штоку. Само же седло может иметь несколько вариантов исполнения с конструктивной точки зрения (вкручиваться в сам корпус, быть единым с ним или прижиматься втулкой).

Плунжер двигается вдоль направляющей, которая расположена в крышке, а для уплотнения между последней и корпусом устанавливается прокладка. Непосредственно шток клапана выведен наружу сквозь специальный сальниковый узел, который собой представляет несколько подпружиненных фторопластовых колец. На крышке самого клапана монтируется ручной, электрический, пневматический или любой иной привод. Последний объединяется со штоком клапана, а если используется привод неручного типа, то это позволяет легко включить регулирующий орган в автоматическую систему и управлять его работой в удаленном формате.

Дроссельный узел представляет собой главный регулирующий орган и запорный элемент всей системы. Именно он обеспечивает корректировку проходного сечения и параметров пропуска рабочей среды.

Конкретные же комбинации втулка-плунжер-седло определяются следующими условиями использования:

• вид регулируемой среды;
• температура;
• уровень давление;
• вязкость;
• величина пропускной способности;
• наличие посторонних твердых примесей и так далее.

Направление тока жидкости.

В подавляющем большинстве случаев для нормальной работы запорно-регулирующих клапанов огромную роль играет правильность направления подачи жидкой рабочей среды. Оно определяется по стрелке, нанесенной на корпус. Если жидкость или газ подаются в клапан таким образом, что рабочая среда подается к плунжеру с нижней части, то подобное направление иначе еще называют «под затвор». В противном случае подачу на запорные и запорно-регулирующие клапаны часто называют «на затвор».

Таблица 1. Регулирующие и запорно-регулирующие клапаны. Основные технические характеристики

Таблица 2. Условная пропускная способность регулирующих клапанов

Регулируемые клапаны. Исполнительные механизмы (ИМ)

Привод запорной арматуры с ИМ предназначен для преобразования исходного управляющего сигнала непосредственно в перемещение привода вместе со штоком используемого запорного органа. В качестве последнего может выступать задвижка, дисковая заслонка, шаровый или иной элемент.

В зависимости от принципа действия и вида энергии, требуемой для придания необходимого усилия, исполнительные механизмы для существующих регулирующих и запорных клапанов делят на следующие группы:

• пневматические;
• электрические;
• гидравлические;
• комбинированные;
• ручные.

Пневматический исполнительный механизм

ИМ на основе сжатого воздуха, устанавливаемые на запорно-регулирующие клапаны, достаточно активно применяются в российских условиях. Связано это с традициями, так как подавляющее большинство систем промышленной автоматизации еще 50-60 лет назад базировались на использовании сжатого воздуха. Вместе с этим подобный регулирующий орган имеет высокую надежность и возможность ремонта, хотя на фоне современных систем на базе микропроцессоров выглядят несколько устаревшими. Кроме этого пневматические системы регулируемого потока достаточно габаритны и требуют установки для подготовки сжатого воздуха. Одновременно отсутствие в системе даже теоретической вероятности появления искры позволяет применять подобное оборудование во взрывоопасных помещениях и запыленных цехах.

В зависимости от типа привода все пневматические исполнительные механизмы делят на следующие группы:

• мембранные;
• поршневые;
• поворотные;
• вращающиеся.

Мембранные приводы

Принципиальная схема мембранного исполнительного механизма.

1 - регулирующий орган; 2 - шток; 3 - пружина; 4 - мембрана; 5 - сальник

Движение выходного штока, который соединен с регулируемой арматурой, идет с помощью силы, созданной давлением, а возврат идет за счет повышения усилия пружины. Управляющий сигнал поступает в герметичную головку, где расположена мембрана с жесткой центральной частью. В результате действия давления сжатого воздуха возникает усилие на мембрану, которое выравнивается пружиной. В итоге суммарный ход штока напрямую определяется величиной давления управления. Общая жесткость и предварительное сжатие пружины формируют конкретный диапазон усилий с номинальным ходом.

Поставляются на рынок мембранные ИМ регулирующего потока вместе с клапаном. Особенность механизма в автоматическом движении мембраны в вертикальном направлении, поэтому в зависимости от конструкции клапаны делят на нормально закрытые (НЗ) и нормально открытые (НО).

Большим преимуществом мембранных исполнительных механизмов для регулируемых клапанов остается близость к линейным характеристикам, что делает более точной корректировку расхода рабочей среды. Вместе с этим в районе наибольшего значения давления они имеют зону гистерезиса, находящуюся в пределах 2-15%. Конкретная величина последнего параметра зависит от эффективной площади самой мембраны, параметрами пружины и перепадом давления. Для сокращения подобной зоны на ИМ клапана монтируют дополнительный усилитель мощности (позиционер), который может работать по схеме компенсации сил или перемещения.

Если планируется управление клапаном с помощью электросигнала, то на мембранные исполнительные механизмы монтируют специальные позиционеры, которые преобразуют полученный сигнал в импульс управляющего воздуха.

Поршневые пневматические приводы - подобные приводы на регулируемые клапаны устанавливают в тех случаях, когда необходимо обеспечить линейных ход штока в пределах 300 мм. Для роста общей точности и повышения реальных динамических характеристик используют также позиционеры (в этом случае сам поршневой привод называют следящим).

С конструктивной точки зрения весь механизм представляет собой цилиндр, который установлен на кронштейне и расположен поршень со штоком. Движение ему передается от привода, и пружины, которые ориентируются относительно поршня специальным образом. Внутренняя поверхность цилиндра для повышения срока эксплуатации имеет специальное покрытие для уменьшения трения.

Во время работы входной сигнал от системы управления поступает непосредственно на привод, который оказывает воздействие на поршень клапана. Одновременно пружины создают противодействие повышению давления со стороны сжатого воздуха, поэтому общее перемещение штока определяется уровнем жесткости установленных пружин.

Таблица 4. Главные параметры поршневого пневматического привода

Привод используется для управления трубопроводной арматурой в случаях, когда для действия на шток необходимо приложение вращающего момента. Фактически, подобные систему можно рассматривать как один из подтипов поршневого пневматического вида, так как в качестве силового элемента выступает лепесток, который перемещается под подаваемым сжатым возlухом в специальной изолированной камере. Движение своеобразного поршня непосредственно передается приводному валу запорного элемента и обеспечивает ему необходимое положение.

Дополнительно привод может комплектоваться блоками, которые обеспечивают дискретное или аналоговое управление запорно-регулирующей арматурой, имеют сигнализацию актуального положения исходного вала. На рынке также есть блоки во взрывозащитном исполнении, что позволяет их устанавливать в пыльных и иных помещениях.

Основные характеристики поворотного привода пневматического ИП указаны в следующей таблице:

Таблица 5. Основные технические характеристики поворотных пневмоприводов типа ППР

Дополнительно

Иные виды исполнительных механизмов

Исполнительные механизмы электрические предусматривают управление всей системой с использованием специальных приводов или мотор-редукторов. Их удобство в возможности управления на большом удалении, что удобно для протяженных систем и минимальных расходах при обустройстве.

Гидравлические исполнительные механизмы аналогичны по принципу действия пневматическим, но отличием здесь будет использование в качестве рабочей среды жидкости. Последнее неудобно из-за необходимости обеспечить должную герметичность, приобретать гидростанции и другое оборудование.

Седельный регулирующий клапан (линейный) — выполнен на базе седельного клапана. Регулирование осуществляется за счёт изменения проходного сечения между затвором и седлом. Линейными регулирующие клапаны этого типа называются потому, что управляются электрическими приводами с поступательным движением штока. Универсальная конструкция регулирующего клапана позволяет создать практически любую расходную характеристику за счёт модификаций затвора и седла, а отличные регулирующие характеристики и простое устройство регулирующего клапана с седельным затвором способствовали его широкому распространению в инженерных системах зданий. Единственный недостаток линейных клапанов – сложная форма проточной части непригодная для применения с вязкими средами.

Шаровый регулирующий клапан (ротационный) — выполнен на базе шарового крана. Регулирование осуществляется за счёт изменения проходного сечения поворотом шара вокруг оси перпендикулярной направлению потока воды. Проходное сечение шара может быть круглой или иной формы. Ротационными регулирующие клапаны этого типа называются потому, что они управляются приводами с радиальным вращением штока. Шаровые регулирующие клапана используются совместно с ротационными приводами с высоким усилием закрытия и управляются радиальным движением штока. Недостатками шаровых регулирующих клапанов является необходимость использования дорогостоящих электроприводов с высоким усилием закрытия и сложность создания линейной или равнопроцентной расходной характеристики - как следствие низкая точность регулирования. К достоинствам можно отнести простую форму проточной части пригодную для использования с вязкими рабочими средами.

По наличию защитной функции регулирующие клапана делятся на:

• Нормально открытые - при отключении питания открывают проходное сечение.
• Нормально закрытые - при отключении питания перекрывают поток.
• Без защитной функции - при отключении питания электропривода останавливаются.

– это разновидность трубопроводной арматуры, основной задачей которой является изменение давления на участке трубопровода. Изменение состояния рабочей среды осуществляется посредством изменения площади сечения проходного отверстия в корпусе клапана. Регулировочные клапаны подразделяют на два вида: двухходовые и трехходовые.

Двухходовые регулирующие клапаны. В зависимости от направления потока рабочей среды. Проходные монтируются на прямых участках трубопровода, угловые, соответственно, в тех местах, где нужен поворот трубопровода.

Трехходовые регулирующие клапаны одновременно с регулировочной функцией выполняют задачу смешивания или разделения потоков рабочей среды, как правило, этот вид регулирующей арматуры имеет три патрубка входа-выхода, в зависимости от назначения.

Устройство и принцип работы двухходового проходного клапана

Основной устройства является корпус с расположенным внутри его проходным отверстием, на корпусе располагается система фиксации на трубопроводе и механизм регулирования, обычно это плунжерный или золотниковый затвор. Затвор, вследствие изменения своего положения, относительно проходного отверстия, изменяет его площадь, тем самым, регулируя объем проходящей через него, рабочей среды.

Арматура подразделяется по способу регулировки. В зависимости от вида затворного устройства:

• Седельной;
• Золотниковой;
• Мембранной;
• Клетчатой.

Регулировка механизма может осуществляться как вручную, через воздействие на шток, так и посредством системы внешнего управления.

Трехходовой регулирующий клапан имеет задачу разделения или смешивания потока рабочей среды. Используется он чаще всего в системах отопления.

Конструкционно устройство этого типа состоит из металлического корпуса с тремя патрубками. Внутренней перегородки с двумя соосными проходными отверстиями, по одному на каждый патрубок. Запорный механизм, закреплённый на управляемом штоке, может регулировать давление потока рабочей среды, проходящее через каждое отверстие, тем самым регулируя давления в одном или двух выходных патрубках.

Управление регулирующим клапаном может осуществляться как вручную, так и автоматически, в зависимости от состояния системы. В этом случае для управления регулирующим клапаном установлена приводная аппаратура: термостатический привод, изменяет характеристики состояния рабочей среды, контролирует температуру и давление. Кроме этого используются и другие виды привода, электромагнитный например.

Основные преимущества

Регулирующие клапаны, в основном, устанавливаются на системах отопления. Материалом корпуса служит металл, обладающий высокой износостойкостью и прочностью. Это стали, чугун и сплавы цветных металлов. Что позволяет добиться высокой надёжности этого вида арматуры.

Но основная задача регулирующего клапана это регулирование расхода рабочей среды, выравнивание давления и температуры в системе. Трехходовые, кроме этого, ещё экономят энергоноситель.

Технические характеристики

Основными техническими характеристиками регулирующих клапанов, которые нужны для выбора и подключения их к системе трубопроводов являются:

• Диаметр условного прохода;
• Тип запирания;
• Вид фиксации на трубопроводе: фланцевый или резьбовой. Реже встречается приварные устройства;
• Диапазон изменения состояния рабочей среды. Максимальная и минимальная температура и давление, при котором регулирующий клапан сохраняет свою работоспособность;
• Материал корпуса клапана и уплотнительных поверхностей;
• Тип управления: ручной, пневматический, гидравлический и так далее.

Монтаж регулировочных клапанов осуществляется в основном на системы, требующие точного распределения потоков рабочей среды, чаще всего это системы отопления. Также широкое применение регулирующие клапаны нашли в промышленности, при транспортировке жидких и газообразных рабочих сред.