Назначение и основные виды трубопроводной арматуры

Арматурой называют устройства, которые устанавливают на

трубопроводах и ёмкостях для управления потоком (движением)

рабочих сред. По области применения арматуру подразделяют на

пароводяную, энергетическую, нефтяную и т. п. По материалу

корпусных деталей арматура делится пи чугунную, стальную, из

коррозионностойкой стали, цветных металлов и сплавов, а также

из неметаллических материалов. Выделяют арматуру с защитным

покрытием пластмассой или эмалью и арматуру с эластичным

деформируемым затвором.

Управление потоком среды в арматуре осуществляется с по-

мощью запорного или регулирующего органа, состоящего из за-

твора и седла. Затвор представляет собой деталь (или группу де-

талей), перемещающуюся или поворачивающуюся с помощью

шпинделя или штока относительно седла корпуса.

По способу перекрытия потока среды арматура подразделя-

ется на следующие типы:

1) задвижка – затвор перемещается возвратно-поступательно

перпендикулярно оси потока среды;

2) клапан – затвор перемещается возвратно-поступательно па-

раллельно оси потока среды; клапан, в котором затвор переме-

щается с помощью винтовой пары, называется вентилем;

3) кран – затвор, имеющий форму тела вращения (или части

его), поворачивается вокруг своей оси, расположенной перпенди-

кулярно оси потока среды;

4) заслонка – затвор, имеющий форму диска, поворачивается

вокруг оси, расположенной в плоскости затвора или параллельно

ей;

5) шланговый затвор – перекрытие потока осуществляется путем

пережима эластичного шланга, внутри которого проходит

среда.

По конструктивному исполнению типы арматуры могут

иметь следующие разновидности:

1) задвижка клиновая (с цельным, составным двухдисковым

или упругим клином) – уплотнительные поверхности затвора

расположены под углом друг к другу;

2) задвижка параллельная (шиберная однодисковая или двух-

дисковая) – уплотнительные поверхности затвора расположены

параллельно друг к другу);

3) задвижка с выдвижным шпинделем или штоком – шпиндель

или шток совершает возвратно-поступательное движение вместе

с затвором;

4) задвижка с невыдвижным шпинделем – шпиндель совершает

вращательное движение при возвратно-поступательном дви-

жении затвора;

5) запорный клапан (вентиль, задвижка) – предназначен для пол-

ного перекрытия потока среды;

6) регулирующий клапан – предназначен для регулирования рас-

хода среды и управляется от постороннего источника энергии;

7) регулятор давления – предназначен для поддержания по-

стоянного давления среды путем изменения её расхода и управ-

ляется непосредственно рабочей средой;

8) регулятор давления «после себя² – обеспечивает поддержание

постоянного давления в системе после себя;

9) регулятор давления «до себя² – обеспечивает поддержание по-

стоянного давления в системе до себя;

10) односедельный регулирующий клапан – поток среды дви-

жется через одно седло;

11) двухседельный регулирующий клапан – поток среды дви-

жется через два седла;

12) смесительный клапан – регулирующий клапан, предназна-

ченный для смешения двух и более различных по параметрам

сред;

13) распределительный клапан – предназначен для распределения

потока среды по определённым направлениям;

14) предохранительный клапан – предназначен для выпуска из-

бытка среды с целью предотвращения аварийного повышения

давления;

15) импульсное предохранительное устройство – состоит из глав-

ного предохранительного клапана, снабженного поршневым при-

водом, и импульсного предохранительного клапана, управ-

ляющего открытием главного;

16) обратный клапан – предназначен для предотвращения об-

ратного потока среды;

17) невозвратно-запорный клапан – предназначен для предот-

вращения обратного потока среды и имеет устройство для при-

нудительного закрытия;

18) невозвратно-управляющий клапан – предназначен для пре-

дотвращения обратного потока среды и имеет устройство для

принудительного открытия и закрытия;

19) конденсатоотводчик – предназначен для отвода конденсата

водяного пара (поплавковый конденсатоотводчик имеет за-

порный орган, управляемый с помощью поплавка, термостатиче-

ский – управляемый с помощью термостата, термодинамический

– управляемый с использованием аэродинамического эффекта и

термодинамических свойств среды;

20) кольцевой клапан – имеет цилиндрический затвор и коль-

цевую проточную часть седла;

21) цилиндрический кран – имеет затвор в виде цилиндра, ко-

нусный – в виде конуса, шаровой – в виде шара;

22) распределительный кран (трехходовой), распределительный

клапан (трехходовой) и распределитель (многоходовой) – отли-

чаются от запорной арматуры наличием нескольких подводящих

или отводящих среду каналов.

По способу управления различают арматуру с ручным

управлением (без редуктора или с редуктором), с электрическим

и с электромагнитным приводом, с пневмо- или гидроприводом

и арматуру под дистанционное управление.

В зависимости от способа присоединения к трубопроводу

арматура подразделяется на фланцевую, муфтовую, царговую,

штуцерную и арматуру под приварку к трубопроводу.

По способу герметизации относительно внешней среды под-

вижного соединения шпинделя с крышкой различают сальнико-

вую, сильфонную, мембранную и шланговую арматуру.

Арматура с приводом, снабженным силовой пружиной, под-

разделяется на нормально открытую (НО) и нормально закрытую

(НЗ). В нормально открытой арматуре при прекращении подвода

энергии, создающей перестановочное усилие, обеспечивается от-

крытие для движения потока среды, в нормально закрытой – за-

крытие и прекращение потока.

По конструкции корпуса арматура разделяется на проходную

и угловую. В проходной арматуре среда не изменяет направление

своего движения на выходе по сравнению с направлением на входе,

в угловой направление изменяется (обычно на 90É).

По функциональному назначению арматура делится на ос-

новные классы (или виды), к которым относятся следующие.

Запорная арматура предназначена для перекрытия потока

среды. По количеству применяемых единиц она составляет около

80 % всей арматуры. К запорной относят и пробно-спускную, или

контрольно-спускную, арматуру, используемую для проверки

уровня жидкой среды в емкостях, отбора проб, выпуска воздуха

из верхних полостей, дренажа и т. п. Пробно-спускная арматура

изготовляется и применяется в больших количествах. Характер-

ным для нее является малая величина условного диаметра прохо-

да (Dу).

Регулирующая арматура предназначена для регули-ргжлния

параметров среды посредством изменения ее расхода. В состав

регулирующей арматуры входят клапаны-регуляторы давления,

клапаны-регуляторы уровня, регулирующие клапаны. К регули-

рующей арматуре относится и дросселирующая арматура, пред-

назначенная для работы при больших перепадах давления.

Распределительная арматура используется для распределе-

ния потока среды по определенным направлениям. К ней отно-

сятся распределительные краны, распределительные клапаны и

распределители.

Предохранительная арматура служит для автоматической

защиты оборудования от аварийных изменений параметров или

направления потока рабочей среды. К предохранительной арма-

туре относятся предохранительные клапаны, предохранительные

импульсные устройства и предохранительные разрывные мем-

браны. Одним из видов предохранительной арматуры можно счи-

тать иицитную арматуру, которая также предназначена для защи-

ты оборудования от аварийных изменений параметров. Различие

между собственно предохранительной и защитной арматурой за-

ключается в том, что при возникновении аварийного состояния

параметра среды предохранительная арматура открывается, а за-

щитная закрывается, отсекая защищаемый участок от остальной

части трубопровода. В качестве защитной арматуры обычно ис-

пользуются конструкции запорной арматуры, снабженные быст-

родействующими приводами.

Фазоразделительная арматура предназначена для автомати-

ческого разделения рабочих сред в зависимости от их фазы и со-

стояния. К ней относят конденсатоотводчики, воздухоотводчики,

маслоотделители и т. п.

Ряд конструкций общепромышленной арматуры изготовля-

ется по техническим условиям, установленным стандартами.

Выбор арматуры

Правильный выбор арматуры создает предпосылки для ра-

боты оборудования без перерывов для внепланового ремонта и

замены арматуры. Значение этого фактора велико, так как при ус-

тановке арматуры, не соответствующей условиям работы на кор-

розионных средах, в ряде случаев она выходит из строя через

один–два месяца, в то время как при правильном выборе изделие

работает в тех же условиях более двух–трех лет без капитального

ремонта. В связи с этим выбор арматуры является ответственным

этапом проектирования трубопроводной системы, поскольку час-

то безотказность и долговечность арматуры определяют собой

безотказность и долговечность всей системы. В результате выбо-

ра должны быть установлены конструкции, в оптимальной степе-

ни удовлетворяющие всем техническим и экономическим требо-

ваниям, предъявляемым к арматуре. Выбор должен проводиться

на основе тщательно подготовленных и четко выявленных техни-

ческих данных, определяющих требуемые параметры.

Первым этапом является установление возможности ис-

пользования арматуры, серийно выпускаемой заводами, и лишь

при отсутствии требуемой конструкции в номенклатуре серийной

промышленной арматуры подготавливаются данные для ее про-

ектирования и изготовления по отдельному заказу. В результате

выбора должен быть установлен объект – конструкция арматуры,

удовлетворяющая поставленном техническим требованиям и

обеспечивающая надежное и длительное функционирование сис-

темы или установки, на которой будет использоваться арматура.

Конструкцию и материал деталей арматуры следует выби-

рать в зависимости от назначения арматуры, свойств транспорти-

руемой среды, температуры и давления по ГОСТам, каталогам,

справочникам и нормалям заводов-изготовителей.

На трубопроводах, транспортирующих продукты с токсич-

ными свойствами, горючие и активные газы и легковоспламе-

няющиеся жидкости, рекомендуется применять арматуру, специ-

ально предназначенную для этих продуктов в заданных рабочих

условиях. Для указанных сред допускается применение арматуры

общего назначения только при условии соответствия ее конст-

рукции и материалов условиям надежной и безопасной работы.

На трубопроводах для высокоагрессивных сред и сред, которые

могут быть испорчены от соприкосновения с металлом, а также

для продуктов пищевой промышленности, фармацевтической

промышленности допускается использование арматуры из корро-

зионно-стойких сталей, неметаллических материалов или из чу-

гуна и стали с внутренним антикоррозионным защитным покры-

тием. Арматура с корпусами из бронзы или латуни используется

только для продуктов с физико-химическими свойствами, не до-

пускающими применения черных металлов.

Полные перечни конструкций арматуры для работы в раз-

личных условиях приводятся в специальных каталогах. Следует

иметь в виду, что промышленностью ежегодно осваиваются но-

вые конструкции и снимаются с производства устаревшие, по-

этому при выборе арматуры с использованием данных, приве-

денных в каталогах, необходимо провести дополнительную про-

верку для подтверждения того, что изготовление требуемой ар-

матуры предусмотрено промышленностью.

Характеристики арматуры можно разделить на эксплуата-

ционные и конструкционные. Первые определяют собой основ-

ные эксплуатационные свойства арматуры и область ее примене-

ния, вторые – особенности конструкции, оказывающие влияние

на метод монтажа, ремонта, ухода и т. д.

К эксплуатационным (функциональным) характеристикам

относятся класс арматуры (запорная, регулирующая, предохрани-

тельная, и т. д.), тип изделия, (вентиль, задвижка), материал ос-

новных деталей, привод и т. п., к конструкционным – строитель-

ная длина и строительная высота арматуры, тип присоедини-

тельных патрубков (фланцы, муфты, штуцеры, цапфы, концы под

приварку), тип уплотнительных колец (без колец, кольца запрес-

сованы, на резьбе, кольца с наплавкой и пр.) и др. В некоторых

случаях эксплуатационные и конструкционные характеристики

взаимно связаны и не могут быть четко отделены друг от друга. В

общем виде порядок выбора арматуры может быть следующим.

1. Уточняется назначение и определяются условия работы ар-

матуры – среда, температура, давление и т. д.

2. Определяется условный диаметр прохода присоединительных

фланцев.

3. Уточняется метод управления арматурой – ручной привод,

электропривод, дистанционное управление, электромагнитный

привод, пневмо- или гидропривод.

4. На основе подготовленных данных выбирается материал кор-

пусных деталей – серый чугун, ковкий чугун, углеродистая сталь,

коррозионностойкая сталь, бронза и др.

5. Выбирается класс арматуры (запорная, регулирующая, пре-

дохранительная и т. д.).

6. Назначается тип арматуры (вентиль, задвижка, кран, регу-

лирующий или предохранительный клапаны и др.).

7. Уточняется условный диаметр прохода и диаметр отверстия в

седле, для чего устанавливается допустимое гидравлическое соп-

ротивление, коэффициент пропускной способности, характери-

стика плунжера и т. п.

8. С использованием данных о номенклатуре выпускаемой ар-

матуры и данных каталогов выбираются соответствующие изде-

лия.

9. Определяются геометрические параметры выбранной арма-

туры (строительная длина, строительная высота, тип и размеры

фланцев, размеры и число болтов и т. д.).

10. Проверяются параметры выбранной арматуры и соответствие

их заданным условиям работы.

Для выбора арматуры должны быть известны следующие

данные.

1. Назначение арматуры, условия эксплуатации и способы уп-

равления.

2. Свойства рабочей среды, рабочее давление, рабочая темпе-

ратура, коррозионные свойства, вязкость среды.

3. Требования к гидравлическим характеристикам арматуры, про-

пускная способность, расходная характеристика, класс герме-

тичности и т. д.

4. Монтажные и габаритные требования: условный диаметр про-

хода, способ присоединения к трубопроводу, габаритные или ве-

совые ограничения и др.

5. Возможные дополнительные требования в отношении надеж-

ности, долговечности, взрывозащищенности привода и др.

Условный диаметр прохода в подавляющем большинстве

случаев бывает равен диаметру прохода трубопроводов, но для

регулирующих клапанов, если не требуется их полнопроход-

ность, диаметр прохода может быть меньше диаметра трубопро-

вода, и в этом случае они выбираются по пропускной способно-

сти. По пропускной способности выбирается и размер предохра-

нительного клапана. При выборе регулирующего клапана необ-

ходимо выявить, какая в данном случае требуется пропускная ха-

рактеристика плунжера. Если характеристики плунжеров, выпус-

каемых серийно, не могут удовлетворить требованиям эксплуа-

тации, то плунжеры рассчитываются и изготовляются по задан-

ным условиям.

При установке запорной арматуры на трубопроводе, через

который осуществляется большой расход среды, предпочтение

следует отдавать конструкциям с малым гидравлическим сопро-

тивлением: задвижкам, кранам, заслонкам, прямоточным венти-

лям. Для концевых запорных устройств или для арматуры, нахо-

дящейся в постоянно закрытом положении, коэффициент гидрав-

лического сопротивления обычно не имеет значения, и здесь мо-

гут быть использованы вентили (для диаметра прохода D) более

200 мм). Анализ потребления арматуры показывает, что около 80

% всей арматуры приходится на долю запорной. Несмотря на

тенденции к унификации и стандартизации, в настоящее время

существует большое разнообразие типов и конструкций армату-

ры. Выбор типа арматуры обусловливается совокупной оценкой

всех производственных требований.

Задвижки используются там, где габариты арматуры не

имеют решающего значения, а условия эксплуатации тяжелые:

высокая температура рабочей среды, требуется длительная гер-

метичность запорного органа. Задвижки имеют малое гидравли-

ческое сопротивление, малую строительную длину (при малых

давлениях), низкую стоимость и широкий диапазон диаметров

прохода. Задвижки используются только в качестве запорной ар-

матуры. При необходимости частого открывания и закрывания

(высокая частота циклов) применять их не рекомендуется.

Вентили – наиболее массовый тип арматуры. Вентили с пло-

скими уплотнительными кольцами не должны применяться для

загрязненных сред, в этом случае более целесообразно конусное

уплотнение. Вентили могут использоваться и для регулирования

расхода среды. Важным свойством вентилей является возмож-

ность применения сильфонов вместо сальников. Особое положе-

ние занимают мембранные и шланговые вентили (шланговые за-

творы). Мембранные вентили имеют внутреннее защитное по-

крытие из неметаллических материалов (резина, полиэтилен,

фторопласт, эмаль). Обычно корпус и крышка мембранного вен-

тиля изготовляются из чугуна, но некоторые фирмы изготовляют

мембранные вентили из фарфора с защитой в виде наружного чу-

гунного кожуха. Высокой коррозионной стойкостью обладают

чугунные эмалированные мембранные вентили с двухслойной

мембраной из резины с защитным слоем пленки из фторопласта.

Краны конусные (пробковые) имеют малые габаритные раз-

меры. Краны со смазкой применяются для повышенных давле-

ний. Краны шаровые обладают рядом преимуществ перед конус-

ными и успешно конкурируют с другими типами арматуры в са-

мых различных областях и при различных режимах. Заслонки

(поворотные дисковые затворы) имеют минимальную строитель-

ную длину и минимальную строительную высоту, дешевы в изго-

товлении и просты в эксплуатации.

В регулирующей арматуре наибольшее распространение по-

лучили двухседельные и односедельные регулирующие клапаны.

Для коррозионных сред эти клапаны изготовляются из корро-

зионностойких сталей. Для малых давлений и температур исполь-

зуются регулирующие мембранные и шланговые клапаны. При-

менение общепромышленной арматуры для работы на загрязнен-

ных средах рекомендуется ограничивать пределом концентрации

механических примесей в 25 мг/л при размере частиц до 70 мкм.

Сильфонные вентили устанавливаются на взрывоопасных,

пожароопасных, токсичных, особо чистых средах, а также при

требованиях к вакуумированию системы.

Для передвижных установок (цистерны) общепромыш-

ленную арматуру применять не рекомендуется, так как она не

предназначена для работы в условиях действия вибраций.

Герметичность запорного органа арматуры обеспечивается

тщательной пригонкой затвора к седлу. Если материал этих дета-

лей коррозионноустойчив по отношению к рабочей среде, уплот-

нительные кольца выполняются заодно с деталью; в противном

случае уплотнительные кольца делаются вставными (или наплав-

ленными) из соответствующего материала: латуни, бронзы, кор-

ро-зионностойкой стали, стеллита, фторопласта, резины и т. д.

Классы герметичности установлены ГОСТ 9544-75.

Повышенные требования в отношении герметичности

предъявляются к арматуре, работающей на линиях с горючими,

токсичными, пожаро- и взрывоопасными средами, для которых

конструкция и качество изготовления арматуры должны обеспе-

чивать I класс герметичности.

Ручное управление арматурой используется лишь при ред-

ком ее срабатывании. В случаях частого использования армату-

ры, необходимости механизации или автоматизации управления

производственными процессами, быстрого открытия и закрытия

арматуры в опасных условиях или аварийных случаях применя-

ются электрические, пневматические или гидравлические приво-

ды с местным либо дистанционным управлением арматурой. Ар-

матуру с электроприводами не рекомендуется устанавливать на

открытых площадках, а также в колодцах с повышенной влажно-

стью и периодически затапливаемых. Электроприводы предна-

значены для использования при температуре окружающего воз-

духа до –40ÉС.

Крепление арматуры к трубопроводу наиболее часто обес-

печивается применением фланцевых соединений, которые, до-

пускают быструю замену арматуры для ремонта или замены из-

ношенных деталей. Тип фланцевого соединения и материал про-

кладки выбирают в зависимости от условий работы арматуры:

давления, температуры и коррозионных свойств среды. В трубо-

проводах малого диаметра прохода распространены резьбовые

соединения. Резьбовое соединение требует минимального коли-

чества присоединительных элементов, обеспечивает малые ме-

таллоемкость и массу, а также простоту конструкции. В связи с

этим оно используется во всех случаях, где это соединение до-

пустимо.

Когда одинаковые типы арматуры (краны, вентили) выпус-

каются с резьбовым и фланцевым соединениями, резьбовое со-

единение выбирают для условий, при которых демонтаж армату-

ры с целью ремонта маловероятен. Для ответственных случаев,

когда среда имеет коррозионные свойства, твердые взвеси и т. п.,

а в процессе обслуживания требуется систематическая ревизия,

ремонт или замена арматуры, предпочтение следует отдавать

фланцевым соединениям. Наиболее надежным способом присое-

динения является приварка арматуры, поэтому в энергетических

установках с высокими параметрами пара, в трубопроводах для

горючих, токсичных, пожаро- и взрывоопасных сред и при дру-

гих опасных и ответственных условиях работы стальной армату-

ры применяется приварка во всех случаях, где это допустимо.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главной задачей развития отечественного химического про-

изводства является выпуск конкурентоспособных на мировом

рынке национальных продуктов. В решении этой актуальной за-

дачи главенствующая роль принадлежит созданию высокоэффек-

тивных производственных комплексов, реализующих перспек-

тивные технологии.

Требования рынка и динамичность задач, стоящих перед

производством, определяют ряд новых условий, а именно не-

обходимость быстрого внедрения организационных и технологи-

ческих новшеств, прогнозирование ресурсообеспеченности, час-

тое изменение номенклатуры выпускаемой продукции, постоян-

ное обновление структуры предприятия.

В современных условиях к проектированию производств

неорганических веществ, срокам и качеству выполнения проект-

ных работ предъявляются особые требования. Внедрение в про-

екты прогрессивных решений требует использования математи-

ческих методов и вычислительной техники, методов системного

анализа и научно обоснованного прогнозирования, повышения

точности и достоверности исходных данных, унификации и стан-

дартизации проектных решений, разработки нормативов проек-

тирования и оценочных показателей, четкой регламентации дея-

тельности исполнителей.

Таким образом, круг задач, стоящих перед проектантом, не

ограничивается только умением проектировать технологические

процессы. Специалист-проектировщик должен решать весь ком-

плекс вопросов, связанных с построением производственного

процесса: должен хорошо разбираться в экономике, организации

и управлении производством. Необходимость решения подобных

вопросов возникает при работе как на промышленных предпр-

ятиях, так и в проектных организациях и научных институтах.

Четкое усвоение методологии проектирования на уровне

аппарата, участка, цеха или производства в целом, умение гра-

мотно производить технико-экономический анализ проектных

решений позволят инженеру-конструктору, проектировщику соз-

давать высокоэффективные производственные системы.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Поникаров, И. И. Конструирование и расчёт элементов хи-

мического оборудования / И. И. Поникаров. – М. : Альфа-М,

2010. – 382 с.

2. Расчёт и конструирование машин и аппаратов химических

производств. Примеры и задачи / под ред. М. Ф. Михалёва. –

М. : Арис, 2010. – 312 с.

3. Лащинский, А. А. Основы конструирования и расчёта хими-

ческой аппаратуры. Справочник /А. А. Лащинский, А. Р.

Толчинский. – М. : Альянс, 2008. – 752 с.

4. Лащинский А. А. Конструирование сварных химических ап-

паратов. Справочник / под ред. А. Р. Толчинского. – М. :

Альянс, 2008. – 384 с.

Дополнительная литература

5. Тимонин, А. С. Основы конструирования и расчёта хими-

ко-технологического оборудования: в 3 т. / А. С. Тимонин.

– Калуга : Изд-во Н. Бочкарёвой, 2002. – Т. 1. – 852 с.; Т. 2.

– 1028 с.; Т. 3. – 968 с.

6. Основы проектирования химических производств / под ред.

А. И. Михайличенко. – М. : Академкнига, 2005. – 332 с.

7. Свит, Т. Ф. Технологическое оборудование производств

неорганических веществ / Т. Ф. Свит, В. В. Зацепин. – Бар-

наул : АлтГТУ, 2003. – 268 с.

8. Хуснутдинов, В. А. Оборудование производств неорганиче-

ских веществ / В. А. Хуснутдинов. – Л. : Химия, 1987. – 248 с.

9. Альперт, Л. З. Основы проектирования химических устано-

вок / Л. З. Альперт. – М. : Высш. шк., 1989. – 304 с.

10. Семёнова, И. В. Коррозия и защита от коррозии / И. В. Се-

мёнова. – М. : Физматлит, 2006. – 372 с.

11. Шубин, В. С. Надёжность оборудования химических и неф-

теперерабатывающих производств / В. С. Шубин, Ю. А.

Рюмин. – М. : Колосс, 2006. – 359 с.