Дисковые поворотные затворы

Дисковые поворотные затворы (английское «butterfly valve» и французское уаnnе рарillоn» - в переводе означают «мотыльковые клапаны») - один из наиболее прогрессивных видов арматуры. Их стали широко применять в последнее десятилетие.

Запорный элемент арматуры - диск диаметром, приблизительно равным внутреннему диаметру трубопровода. Затвор открывается и закрывается вра­щением диска вокруг оси, перпендикулярной (или почти перпендикулярной) оси трубопровода. Проточная часть корпуса затвора по форме близка к отрезку трубопровода.

Благодаря простой геометрической форме корпуса и запорного элемента дисковые поворотные затворы просты по конструкции и невелики по габарит­ным размерам. В центральной части корпуса дискового затвора расположены подшипники вала, на котором вращается диск. Диск в открытом поло­жении размещается в центральной и периферийной частях корпуса, причем в качестве последней может быть использован трубопровод. Это позволяет выполнять дисковые затворы с очень малыми строительными длинами (наи­меньшими среди всех видов арматуры).

Запорный элемент (диск) затвора размещают по диаметру внутри проходной части трубопровода (благодаря этому высота - затворов также минималь­на). Диск имеет небольшие площадь и толщину, что обеспечивает легкость затворов и их низкую металлоемкость. Дисковые поворотные затворы позво­ляют соединить в одной конструкции две основные функции трубопроводной арматуры - регулирование и полное перекрытие (запирание) потока, что обусловливает экономичность их использования. Отличие дисковых затворов от подобных им по конструкции дроссельных (регулирующих) заслонок (регулирующих дисковых клапанов), применяющихся уже многие десятилетия, состоит в том, что затворы обеспечивают герметичность в закрытом поло­жении. Это отличие является принципиальным, так как именно герметизация в закрытом положении - наиболее сложная конструктивная проблема для арматуры данного типа.

Дисковые поворотные затворы - один из наиболее старых видов армату­ры. Однако, несмотря на их максимальную простоту, наименьшие по сравне­нию с другими типами арматуры габаритные размеры и массу, дисковые за­творы ранее были мало распространены. Это объясняется трудностью созда­ния и обеспечения на достаточно длительный срок их надежной герметичности.

Ранее не существовало материалов, которые удовлетворяли бы требова­ниям, предъявляемым к эластичным седлам дисковых затворов, - сохране­ние формы и упругих свойств в течение длительного времени при вдавливании в них кромки диска после многих тысяч циклов срабатывания, а также теплостойкость и химическая стойкость. В последние годы благодаря синтетическим резинам (эластомерам) эта проблема решена. В связи с этим была проведена большая работа по совершенствованию дисковых затворов.

Затворы общепромышленного применения обычно имеют упругое уплотнительное кольцо или седло, устанавливаемое в корпусе (кольцо может быть на диске), либо резиновую рубашку в корпусе. Характеристики синтетических резин, используемых для уплотнений, пока еще ограничивают область применения дисковых затворов. Самое нежелательное для дисковых затворов свойство резин - набухание в рабочей среде, что увеличивает крутящий момент при открывании и закрывании затвора и приводит к преждевременному выходу уплотнения из строя.

Для работоспособности затвора важное значение имеет профиль диска, особенно точность размеров и качество отделки взаимодействующих поверх­ностей диска и седла.

Основные преимущества дисковых затворов по сравнению с другими типами запорной арматуры (задвижками, вентилями и кранами) - простота кон­струкции, малые габаритные размеры и масса - дают тем больший эффект, чем больше условный проход арматуры. Поэтому дисковые затворы уже дав­но используют в качестве запорной арматуры в водоводах турбин гидростанций, где диаметры проходного сечения порядка 3-5 м делают практически неприменимой арматуру других типов.

Область применения дисковых затворов до начала 60-х годов ограничи­валась в основном водоводами и воздуховодами средних и больших проходов (начиная от 400-600 мм и до нескольких метров). Это объясняется тем, что небольшие протечки воды и воздуха, возможные при недостаточно надежном уплотнении затвора, обычно не опасны. Область применения дисковых затворов сужена по сравнению с другими типами запорной арматуры из-за того, что их конструкция плохо приспособлена для работы при средних и высоких давлениях рабочей среды. Причины заключаются в следующем. Во-первых, трудность герметизации прохода при значительных перепадах давления на затворе вследствие невозможности (или большой конструктивной сложности) использования эффекта самоуплотнения под действием рабочего давления. У дисковых затворов принципиальная сложность герметизации связана с тем, что запорный элемент вращается (как у кранов), так что основное рабочее перемещение запорного элемента нельзя использовать для герметизации. В то же время запорный элемент не может свободно перемещаться вдоль оси трубопровода. Поступательное перемещение («плавание») под нагрузкой от рабочей среды диска или седла вдоль оси трубопровода в дисковых затворах (в отличие от кранов) очень трудно осуществить в конструкции. Для этого нужен специальный механизм, не связанный с механизмом поворота диска. Применение такого механизма значительно усложняет и удорожает конструк­цию, поэтому такие конструкции почти не применяют.

Усложнение герметизации дисковых затворов при повышенных рабочих давлениях связано с низкой прочностью и, особенно, малой жесткостью диска. Последний представляет собой плиту с опорой посередине и длинными консолями (в отличие, например, от запорного элемента задвижки, который представляет собой ту же плиту, но с опорой по периферии, без консолей, что повышает ее прочность и жесткость). Для повышения прочности и жесткости диска его выполняют толстым (при больших диаметрах - полым с внутрен­ними ребрами) или двойным (с промежуточными ребрами). Однако большое увеличение толщины диска увеличивает его массу и снижает пропускную способность затвора. Малая жесткость краев диска, наиболее удаленных от ступицы вала, приводит к неравномерной деформации периферии диска и рас­положенной на ней уплотнительной поверхности, что отрицательно сказывает­ся на герметичности затвора.

Указанные конструктивные особенности дисковых затворов в большинстве случаев указывают на необходимость достижения их герметизации не прижа­тием диска к торцовой поверхности седла (как в вентилях, задвижках и ша­ровых кранах), а созданием натяга между диском и седлом в радиальном направлении. В зависимости от размещения упругого элемента, создающего необходимый для герметизации натяг, выделяются два основных типа диско­вых затворов - с эластичными уплотнениями на диске и в корпусе. Кроме того, когда не требуется высокая герметичность, применяют затворы с уплот­нением «металл по металлу».

Задача герметизации затворов осложняется также тем, что в дисковых затворах простейшей формы (с соосным расположением диска и вала) цап­фы, на которых вращается диск, пересекают периферию диска и, следовательно, уплотнительную поверхность, нарушая целостность последней. Поэто­му во многих конструкциях диск (и уплотнительную поверхность) распола­гают эксцентрично относительно цапф вала или наклоняют ось вала по отношению к оси диска. Это, в свою очередь, усложняет конструкцию затво­ра, а в тех случаях, когда ось вала наклонена к оси трубопровода - и тех­нологию обработки корпуса затвора и самого диска. При размещении уплот­нения на диске оно подвергается сильному динамическому воздействию тур­булентного потока рабочей среды, приводящему часто к преждевременному разрушению уплотнения. Чтобы защитить уплотнение в открытом положении затвора, в затворах большого диаметра (в гидросистемах) иногда применя­ют обтекатели, усложняющие конструкцию затвора, увеличивающие его мас­су и габаритные размеры.

При размещении эластичного уплотнения в корпусе (в виде седла или сплошной футеровки), края диска вдавливаются в седло. Последнее должно работать в условиях высоких местных напряжений и сохранять при этом свою форму и упругость в течение длительного времени независимо от поло­жения затвора (открытого или закрытого).

Большое значение для работы дискового затвора имеет конструкция под­шипников, которые воспринимают значительные усилия от давления рабочей среды на диск. Подшипники должны быть гарантированы от заедания, и тре­ние в них должно быть небольшим. Подшипники часто изготовляют из пори­стой бронзы, пропитанной графитом (что устраняет необходимость их смаз­ки), из политетрафторэтилена с наполнителями. Для малых условных прохо­дов (D_у до 150 мм) применяют покрытие металлических подшипников поли­тетрафторэтиленом. Применяют также подшипники качения (игольчатые или шариковые). На цапфы вала иногда наносят антифрикционное покрытие на основе дисульфида молибдена.

Для особых условий работы затворы могут иметь сальники с удлиненной горловиной (для затворов, снабжаемых теплоизоляцией), с ребристой гор­ловиной (обеспечивающей их охлаждение при высокой температуре рабочей среды), с подачей смазки или нейтральной среды в набивочную камеру для лучшей герметизации затвора по отношению к окружающей среде.

Характерная особенность дисковых затворов — возникновение в открытом положении гидродинамического момента на валу, стремящегося закрыть за­твор. Для уменьшения этого момента применяют специальную профилировку диска различного вида, создающую добавочные реактивные силы, частично уравновешивающие гидродинамический момент на валу затвора.

Указанные выше недостатки дисковых затворов тормозили их широкое внедрение в промышленность. Однако в настоящее время все эти проблемы в основном разрешены. Благодаря невысокой стоимости, небольшим массе и габаритным размерам дисковые затворы успешно применяют как на неаг­рессивных, так и на агрессивных средах: в нефтяной, нефтехимической и хи­мической промышленности (в частности, в производстве удобрений и инсек­тицидов); в коммунальных газораспределительных системах, а также в си­стемах водоснабжения и канализации; в противопожарных системах; в авиа­ции; в вакуумных системах; в судостроении; в системах кондиционирования воздуха; в пищевой промышленности; на установках пневмотранспорта сыпу­чих материалов; в бумажной промышленности; на трубопроводах морской воды и рассолов; в горнообогатительной промышленности и промышленности строительных материалов; в сахарной промышленности; в текстильной про­мышленности; в гидротехнике и мелиорации; в системах промышленного водоснабжения и сточных вод и т.д.

Дисковые затворы можно классифициро­вать по следующим признакам.

По конструкции и расположению уплот­нений различают затворы с металлическим уплотнением, с эластичными уплотнениями на диске и в корпусе. Последние в свою очередь могут быть с эластичным уплотнительным кольцом, эластичным седлом и эла­стичной рубашкой в корпусе.

По расположению вала и диска затворы могут быть с соосным расположением вала и диска, с наклонным диском и наклонным валом.

По типу присоединения к трубопроводу затворы разделяют на фланцевые и бес­фланцевые (так называемой «вафельной» конструкции). Другие типы присоединений в дисковых затворах применяются редко.

Привод дисковых затворов бывает руч­ной, с механическим редуктором, пневмати­ческий, гидравлический и электрический. Диск в затворах может быть одностворча­тый (обычно) и многостворчатый (как пра­вило, с двумя створками).

Основные параметры металлических дис­ковых поворотных затворов регламентирова­ны ГОСТ 12521-67 (табл. 13.21): условное давление до 16 кгс/см²; условный проход до 2000 мм для жидких и газообразных не­агрессивных сред; температура до 80 ⁰С.

Затворы дисковые с мягким уплотнителем широко применяются в различных отраслях промышленности, как для двунаправленного, так и для регулирующего использования. По сравнению с традиционными задвижками и шаровыми кранами, затворы легче по весу и рентабельнее по изготовлению. Затворы с пружинным уплотнителем используются не только для водопроводов, но и для перерабатывающей промышленности.

Затворы дисковые серии Т (рис. 13.29.) с их компактной конструкцией надежны, не нуждаются в обваловании и эффективны в использовании. Применение новых эластомерных материалов обеспечивает уплотнение по классу А, отсутствие утечек и коррозионную устойчивость. Уплотнитель сконструирован с поддерживающим кольцом, которое предотвращает смещение и обеспечивает легкую переустановку.

Рис. 13.29. Затвор дисковый серии Т с мягким уплотнителем

Затворы дисковые серии ТС с металлическим уплотнителем (рис. 13.30.) применяются в значительно большем диапазоне давлений и температур, чем затворы серии Т. Серия ТС обеспечивает малое значение рабочего крутящего момента и может заменить обычные клиновые задвижки и шаровые краны.

В конструкции затворов серии ТС реализовано уплотнение металл-по металлу, что подразумевает отсутствие протечек. Так как в данной конструкции затворов не используются мягкие уплотнители, затворы серии ТС действительно пожаробезопасны и могут полностью исключить традиционную проблему обычных затворов с эластомерными уплотнителями – протечку, возникающую вследствие износа уплотнения. Широкий выбор материалов корпуса позволяет использовать эту серию затворов не только как запорную, но и как регулирующую арматуру.

Рис. 13.30. Затвор дисковый серии ТС с металлическим уплотнителем