Michael Adkins. Типы, виды, функции

Об авторе.
От редакции
Оригинальная статья впервые была опубликована
в журнале Valve World, November, 2012, p. 83
(www.valve-world.net).
Перевод Т. Скляровой.
Как топ-менеджер Mike Adkins отвечает
за координацию планов выпуска продукции компании Swagelok Company. Ранее
занимался авторским надзором, был
инспектором, а также занимал должности на производстве, в отделе качества,
в отделе разработки новой продукции.
Mike Adkins пришел на работу в Swagelok
в 1994 г. Он получил степень бакалавра
технических наук в Дайтонском университете, а степень MBA –
в университете Джона Кэррола.
Типы, виды, функции:
практическое руководство по выбору арматуры
Michael Adkins, Swagelok Company
Огромное разнообразие
видов, типов
и исполнений
трубопроводной
арматуры может
обескуражить
покупателя,
комплектующего
систему контрольноизмерительного
оборудования. Есть
краны шаровые, конусные
и цилиндрические, есть
клапаны мембранные
и сильфонные, а еще
предохранительные,
переливные,
многоходовые,
игольчатые,
не говоря уж о задвижках.
И вся эта арматура
выпускается различных
диаметров, из различных
материалов
и управляется
различными способами.
Но надо выбирать.
И чтобы выбор был
точен, прежде всего,
следует задаться
вопросом: для чего
нужна арматура, какую
функцию она будет
выполнять?
76
Б
ольшая часть арматуры призвана выполнять пять основных функций: запорную,
регулирующую, распределительно-смесительную, предохранительную и защитную. Обеспечить соответствие типа арматуры выполняемой ею функции –
это первый и наиболее важный этап в ее выборе. Обнаружить на месте эксплуатации
арматуру, выполняющую не свою функцию, вовсе не такая уж редкость: например,
шаровой кран, применяемый в качестве дросселирующего устройства. В некоторых
случаях подобная ошибка может привести к катастрофическим последствиям: скажем,
если шаровой кран будет установлен в систему подачи кислорода высокого давления. При наличии источника воспламенения резкий выброс кислорода (при быстром
открытии крана) может привести к пожару.
Ниже приведен обзор основных типов арматуры, принципов их работы и основных
выполняемых функций, рассказано о том, что следует иметь в виду при выборе того
или иного типа. Если у вас есть проблемы с выбором арматуры или вам просто интересно – читайте.1
Запорная арматура
Перекрывать поток – основная функция арматуры. Запорная арматура предназначена для того, чтобы перекрыть поток среды полностью, либо полностью его пропустить. Прежде всего, к данному
виду относятся шаровые краны,
задвижки, клапаны мембранные
и сильфонные.
Наверное, самым типичным
Рис. 1. Шаровой
представителем
запорной аркран – идеальный
представитель
матуры можно считать шарозапорной арматуры.
вой кран (рис. 1), сама его конПоворот рукоятки
струкция
предполагает именно
на четверть
оборота приводит
запорную функцию. Поворотом
проходное сечение
рукоятки на четверть оборота
металлического шара
можно открыть или перекрыть
крана в открытое или
поток с помощью расположензакрытое положение.
ного внутри крана металличе1
Для дальнейшего важно понимать, что речь идет о достаточно узком сегменте применения: об арматуре
систем КИП. Поэтому в статье не упомянуты поворотные дисковые затворы, а также клеточные и двухседельные регулирующие клапаны, подразумевающие большой перепад давления, и многие другие разновидности арматуры. Среди функциональных видов арматуры не названа фазоразделительная (прим. ред.).
2 | 83 | 2013
практикум маркетинга
промышленности и при производстве полупроводниского шара. Для прохода среды в шаре имеется сквозное
ков. Весьма сложные по конструкции, из всей арматуры
отверстие. Когда оно находится на одной оси с направони имеют самый большой срок службы. Каждый такой
лением потока, кран открыт, и среда беспрепятственно
клапан содержит в себе тонкую металлическую или элапроходит через него. При повороте на 90 градусов шар
стомерную мембрану, которая способна, выгибаясь, приперекрывает поток. И если вам нужна запорная арматура,
жаться к седлу и обеспечить герметичное перекрытие
имеющая высокую скорость срабатывания и обеспечивапроходного сечения. Как правило, эти надежные клапаны
ющая максимальный расход, именно шаровой кран может
бывают небольшими по размеру, до 50 мм диаметром.
оказаться прекрасным выбором. По рукоятке можно сразу
Подобно мембранным клапанам, к бессальниковым отопределить, в каком положении находится кран, закрыносятся также сильфонные клапаны, их выбор особенно
том или открытом, кроме того, в целях безопасности шаоправдан, когда критически важно обеспечить полную
ровые краны можно легко блокировать и пломбировать.
герметичность по отношению к внешней среде, а возможНаиболее целесообразно и экономически выгодно приности проводить техническое обслуживание ограничеменять шаровые краны DN от 6 до 50.
ны. Нередко они входят в состав оборудования атомных
Запорной арматурой являются и задвижки, чаще
станций, работающего под оболочкой. Сварное соедиприменяемые в производственных процессах, нежели
нение отделяет нижнюю часть клапана, в которой нахов контрольно-измерительных, в основном на диаметрах
дится рабочая среда, от верхней части, через которую
свыше 50 мм. Нередко задвижки используются в качестве
осуществляется управление клапаном. Шток, полностью
главного запорного устройства на технологических трузаключенный в металлический сильфон, перемещается
бопроводах контрольно-измерительного оборудования,
возвратно-поступательно (без поворообычно в исполнении с двухсторонней
та), обеспечивая внешнюю герметичгерметичностью и с дренажом. Будучи
ность.
древнейшим типом запорной арматуры,
Корпуса сильфонных и мембранных
задвижки широко применяются в промышклапанов, как и многих других запорных
ленности, на крупных технологических
клапанов, имеют выпуклую форму. Это
и магистральных трубопроводах. Некотосвязано с тем, что среда в них движетрые из них имеют диаметр 2540 мм.
ся не по прямой (как, например, в шароС каждым оборотом маховика запивых кранах), а «зигзагом»: поток среды
рающий элемент задвижки опускается
вначале поворачивает вверх и подается
или поднимается, перекрывая или, наобопод запирающий элемент или седло, зарот, открывая проходное сечение. Перетем огибает их, разворачивается и вытекрытие потока при этом происходит медкает через выходной патрубок, вернувленно и постепенно.
шись к первоначальному вектору своего
Попадание рабочей среды в атмосфедвижения. Понятно, что такая арматура
ру обычно предотвращает установленное
при той же площади проходного сечения
вокруг штока уплотнение в виде набивки
будет иметь куда худшую пропускную
(сальника). Но есть и арматура с уплотспособность, нежели прямоточная.2
нением металл-по-металлу, которую наРис. 2. Мембранные
зывают бессальниковой – в ней вокруг
клапаны обеспечивают
штока нет мягкого уплотнения: прокладок
Регулирующая арматура
быстрое перекрытие
или уплотнительных колец. Шток арматупотока и точное
срабатывание. Сложные
ры – это цилиндрическая деталь, соединяРегулирующая арматура позволяпо
конструкции,
из
всей
ющая рукоятку/маховик (или привод) с зает вращением маховика увеличивать
арматуры они отличаются
пирающим или регулирующим элементом.
или уменьшать расход рабочей среды.
самым большим сроком
Шток поворачивается и/или совершает
Клапан можно установить таким обраслужбы.
возвратно-поступательное движение.
зом, чтобы он поддерживал заданное
Любые материалы набивки штока подвержены изно2
су, что неизбежно приводит к утечке среды во внешнюю
В терминологии ГОСТ Р 52720-2007 термин «прямоточная арматура»
указан как нерекомендованный синоним термина «проходная арматура»,
среду. Сальниковая арматура требует регулярного технихотя последний означает лишь параллельность патрубков, но не отческого обслуживания с заменой уплотнения, хотя срок
ражает характера движения среды внутри корпуса. В статье же речь идет
именно о «непрямоточности» как характерном свойстве клапанов – мы
службы некоторых эффективных видов набивок – наприрешили, что именно так адекватнее всего перевести английское слово
мер, шевронного типа – может быть достаточно велик.
globe, образно указывающее на выпуклую форму корпуса, связанную
с поворотом потока внутри него. А globe valve – это в переводе просто
Мембранные клапаны (рис. 2) не имеют сальника, отклапан (проходной клапан). Ведь даже в прямоточном клапане, если приличаются быстродействием и точностью срабатывания.
смотреться, поток поворачивает под золотник, пусть и не на 90 градусов.
И, если судить строго, вовсе он не прямоточный. Зато все прочие типы
В ряде случаев они также могут обеспечить необходимый
арматуры, кроме клапанов – прямоточные. Мы предложили бы ввести
расход рабочей среды. Мембранные клапаны часто приотдельный термин «прямоточная арматура» в новую редакцию терминоменяются для особо чистых сред в биофармацевтической
логического стандарта на арматуру. (Прим. ред.).
77
практикум маркетинга
2 | 83 | 2013
очень длинный шток, перемещающийзначение расхода. Некоторые регуся в узком канале. Такая геометрия
лирующие клапаны могут выполнять
идеальна для точной регулировки раси роль запорной арматуры, но для пехода. Некоторые дозирующие клапаны
ревода клапана из полностью открыне способны работать как запорные.
того в полностью закрытое положение
Регулирующие пробковые краны
придется довольно долго крутить маочень дешевы и практичны. Поворот
ховик.
на 90 градусов совмещает проходСреди регулирующей арматуры
ное отверстие цилиндрической пробшироко распространены игольчатые
ки с проходным отверстием корпуса.
клапаны, клапаны дозирующие, пробКак правило, цилиндрические краны
ковые краны и прямоточные регулииспользуются для дросселирования
рующие клапаны.
при низком давлении, а также для пеИгольчатые клапаны (рис. 3) пререкрытия потока среды.
красно справляются с регулировкой
«Кранами» в быту называют и прярасхода и, в зависимости от конструкмоточную регулирующую арматуру,
ции, неплохо выполняют запорную
в которой пробка не вращается, а двифункцию. В состав такого клапана вхожется возвратно-поступательно пердит длинный плунжер с очень сложпендикулярно потоку.3 Как и «игла»
ной геометрией своей золотников игольчатых клапанах, коническая
вой части, имеющей V-образную
пробка точно садится в отверстие
форму или «игольчатый» профиль. Эта
Рис. 3. Игольчатые клапаны прекрасно
седла. От игольчатых клапанов проб«игла», опускаясь, аккуратно «просправляются с регулировкой
ковые отличается тем, что среда протыкает» точно по центру поток, двирасхода. Высокоточная резьба штока
жущийся ей навстречу через отверстие обеспечивает точность регулирования. ходит через затвор напрямую, не меняя
направления. По этой причине в них
седла. Высокоточная резьба штока обене удается обеспечить точную и плавспечивает выверенное регулирование
ную расходную характеристику. Зато подъемная пробка
потока. От утечек по штоку предохраняет сальниковая
набивка.
легко доступна, что удобно, если клапан загрязняется раНекоторые конструкции имеют металлическое уплотбочей средой.
нение в затворе; поэтому игольчатые клапаны будут незаменимы при выборе арматуры для сред с высокой темпеРаспределительная арматура
ратурой. Будучи непрямоточными (см. выше), они имеют
невысокую пропускную способность. Игольчатые клапаДанный вид арматуры предназначен для распределены хороши для текучих сред, но плохи для вязких, густых.
ния потоков.
Для совсем точного регулирования потока следует
Обратные клапаны (рис. 4) обеспечивают подачу
рассмотреть дозирующие клапаны, обычно находящие
среды только в одном нужном направлении. В большинприменение в лабораторных установках. Клапаны точной
стве конструкций подпружиненный запирающий элемент
дозировки – разновидность игольчатых клапанов, но у них
открывается под действием давления проводимой среды. При изменении направления потока
на обратное или возникновении противодавления клапан закрывается, предотвращая обратное движение среды.
Обратные клапаны могут поставляться
с заданным или настраиваемым давлением срабатывания.
Конструкции некоторых шаровых кранов и мембранных клапанов предусматривают наличие нескольких проходных
сечений и патрубков. В большинстве случаев в многоходовой арматуре среда
поступает в один из патрубков, а может
распределяться как на один, так и на несколько выходных патрубков, что завиРис. 4. Обратные клапаны обеспечивают подачу среды только
сит от положения привода. Многоходов одном нужном направлении. Обратные клапаны могут
поставляться с заданным или настраиваемым давлением
срабатывания.
78
3
Rising plug valve – cогласно нормативной терминологии такую арматуру
следовало бы назвать «пробковой задвижкой» (прим. ред.).
практикум маркетинга
2 | 83 | 2013
вая арматура может выполнять (а может и не выполнять)
функцию запорной арматуры (рис. 5).
Предохранительная арматура
Такая арматура защищает систему от подъема давления сверх заданного значения. К ней можно отнести предохранительные клапаны и разрывные мембраны.
Одной из разновидностей предохранительных клапанов является перепускной клапан (рис. 6). В его конструкции предусмотрен порт для сброса рабочей среды в атмосферу, который открывается, если давление
в системе становится выше определенного значения, заданного оператором. Подпружиненный диск позволяет
контролировать выпуск среды, и как только восстанавливается заданное давление, сбросное отверстие закрывается.
Аварийные (сбросные) предохранительные клапаны
предназначены для очень быстрого срабатывания со сбросом большого объема рабочей среды. В силу выполнения
ими критически важной защитной функции, необходимость их установки в некоторых условиях эксплуатации
определяется законодательно.
Перепускные, сбросные и обратные клапаны никоим
образом не способны заменить друг друга, их функции
абсолютно разные.
Разрывные мембраны применяются, как правило,
на баллонах для хранения и перевозки жидкостей и газов.
Они служат для защиты от опасных скачков давления, которые могут возникнуть, например, из-за роста температуры при транспортировке. Подобно перепускным предохранительным клапанам, разрывные мембраны обеспечивают
сброс среды в атмосферу. Металлическая мембрана разрывается, как только давление достигает заданного значения.
Однажды сработавшую разрывную мембрану необходимо
заменить на новую. Нормы безопасности требуют наличия
Рис. 6. Одной из разновидностей
предохранительных клапанов
является перепускной клапан.
В его конструкции предусмотрен
порт для сброса рабочей
среды в атмосферу, который
открывается, если давление
в системе становится выше
определенного значения.
Рис. 5. Некоторые
шаровые краны
и мембранные
клапаны
сконструированы
как многоходовые.
предохранительных устройств на всех баллонах со сжатым
газом при их перевозке. Разрывные мембраны – экономичный вариант выполнения данного требования.
Защитная арматура
Защитная арматура блокирует неконтролируемый
сброс среды из системы при разрыве трубопровода ниже
по течению. При нормальных условиях эксплуатации пружина удерживает диск в открытом положении. При перерасходе среды диск перемещается в закрытое положение,
почти полностью перекрывая движение среды. После восстановления нормальной работы системы клапан возвращается в открытое положение. Такая арматура поставляется с заранее заданными параметрами начала срабатывания.
Заключение
Определившись с функциональным назначением арматуры, вы уже многое сделали для ее верного выбора.
Но осталось еще немало вопросов. Если вам до сих пор
не доводилось заниматься подбором арматуры, самое
пристальное внимание нужно уделить следующему:
„„ Требования к установке и монтажу, сроки проведения
технического обслуживания и возможность доступа
к арматуре.
„„ Требования безопасности и нормативные документы,
их определяющие.
„„ Параметры системы – давление, температура, расход,
рабочая среда.
В конечном счете, вы должны определить:
„„ Требуемый размер арматуры и способ управления ею.
„„ Конструкционные материалы (включая уплотнительные кольца и набивки), которые должны быть инертны
к проводимым рабочим средам, способны выдерживать заданные давления и температуру.
На данном этапе вам поможет консультация производителя. При выборе арматуры весьма ценными будут
каталоги продукции и отчеты о проведенных испытаниях.
79
практикум маркетинга
2 | 83 | 2013
Сводная таблица. Выбор арматуры
Запорная арматура
Тип
арматуры
Проходное
сечение
Визуальный
указатель
закрытия
Скорость
закрытия
Уплотнение
штока
Где обычно применяются
Шаровые
краны
Прямоточное
Да
Быстро
Сальниковое
Находят самое широкое применение в самых
разных областях. Практичны и экономичны.
Задвижки
Прямоточное
Нет
Плавная
Сальниковое
Общепромышленного назначения, в основном,
на трубопроводах большого диаметра.
Мембранные
клапаны
Изогнутое
Да
Быстро
Бессальниковое
Как правило, для высокочистых сред, когда
требуется быстрота срабатывания, точность
управления и высокая цикличность
Сильфонные
клапаны
Изогнутое
Не всегда
Плавная
Бессальниковое
Критические условия эксплуатации,
не допускающие утечек во внешнюю среду, когда
доступ к арматуре для проведения технического
обслуживания ограничен.
Регулирующая арматура
Возможность
выполнять
запорную
функцию
Где обычно применяются
Превосходная
Да
Там, где необходима точная регулировка и герметичность в закрытом
положении. Часто применяются для высокотемпературных сред
Изогнутое
Превосходная
Иногда
В лабораторных установках, когда необходимо наиболее точное
регулирование
Пробковые
краны
Прямоточное
Хорошая
Да
Экономичная и практичная арматура, обычно выбирается для потоков
с низким дросселированием
Пробковые
клапаны
Прямоточное
Хорошая
Да
Для условий эксплуатации, требующих частой очистки от засорения,
вызванного примесями в рабочей среде
Тип
арматуры
Проходное
сечение
Точность
регулирования
Игольчатые
клапаны
Изогнутое
Дозирующие
клапаны
Заметки на полях: важные советы
Знайте условия применения. При выборе арматуры у вас
на руках должна быть определенная информация, в том числе о химическом составе рабочей среды, полном диапазоне
рабочего давления и температуры на протяжении всего срока службы арматуры. Необходимо убедиться, что ваш выбор
удовлетворяет этим условиям.
Не доверяйте догадкам и округлениям! Проверьте и уточните все данные!
Проверьте совместимость материалов. Возможен вариант, когда правильно выбран клапан, а конструкционные
материалы не годятся. Обычно арматура изготавливается
из стандартного набора материалов, но есть и варианты.
Всегда проверяйте по каталогу рабочие диапазоны давления
и температуры, а также совместимость материалов с различными средами. При малейшем сомнении консультируйтесь
с производителем.
Знайте свой график технического обслуживания. Различная арматура имеет разные графики технического обслуживания, на это влияют частота срабатывания и параметры
системы. Нужно, чтобы график проведения технического
обслуживания соответствовал вашим возможностям. Что, казалось бы, очевидно, но зачастую об этом забывают. Готовы
ли вы каждые 20 дней обслуживать арматуру, установленную
в 30 метрах над землей?
Помните о перепадах давления. Арматура, как и другие устройства, порождает перепад давления. Вы должны
отдавать себе отчет о том, каков суммарный перепад, ина-
80
че давление на каком-то участке системы может оказаться
слишком низким.
Для каждого клапана рассчитывается коэффициент расхода (Cv), отражающий соотношение между перепадом давления и расходом. Чем выше Cv, тем ниже перепад давления.
Шаровой кран и игольчатый клапан одного номинального диаметра будут порождать абсолютно разные перепады давления. Для шарового крана перепад будет весьма мал, в то время
как для игольчатого клапана (или любого другого непрямоточного клапана) его величина будет очень существенной.
Принимайте во внимание не только цену, но и стоимость эксплуатации арматуры. Реальная стоимость клапана
не есть его продажная цена! Это – продажная цена плюс расходы на техническое обслуживание и, со временем, на замену
арматуры. Для расчета реальной стоимости необходимо знать
срок службы арматуры именно в ваших условиях эксплуатации
и частоту проведения технического обслуживания.
Стоимость техобслуживание не сводится только к стоимости заменяемых деталей, но включает расходы на его проведение и упущенную прибыть от простоя оборудования.
Следует иметь в виду, что одни клапаны очень легки в обслуживании, другие, наоборот, вызывают немало хлопот.
Какой-то ремонт и техническое обслуживание можно
выполнить на месте эксплуатации, для другого понадобятся заводские условия. Также хорошо бы знать, возможны
ли незапланированные ремонты и техническое обслуживание и остановка работы системы по причине отказа арматуры.
2 | 83 | 2013
выставки и конференции
81