В настоящем обзоре затронуты ключевые моменты автоматизации трубопроводной арматуры. Как известно, существует три основных варианта приводов для двухпозиционной поворотной арматуры. Первый из них — электрические приводы. Главный недостаток такого вида автоматизации заключается в малом расчетном сроке службы двухпозиционной арматуры: один электрический привод может проработать максимум 50 000 циклов до замены. Также невозможно гарантировать механическое положение отказа, если только не применить электрический привод с функцией перехода в безопасное положение при исчезновении питания, то есть объединенный с гидравлическим или пневматическим приводом, но такое исполнение является очень дорогостоящим. Сегодня мы рассмотрим такие типы автоматизации двухпозиционной арматуры, как пневматические и гидравлические приводы, и поделимся нашими собственными наработками, основанными на знаниях и опыте, приобретенных в течение 15 лет работы в компании Actreg, которая является одним из крупнейших производителей пневматических и гидравлических систем автоматизации для трубопроводной арматуры.
Механические конструкции
Для автоматизации четверть-оборотной трубопроводной арматуры (дисковые затворы, шаровые и пробковые краны) применяются две основные конструкции пневматических и гидравлических приводов, которые преобразуют поступательное движение ползуна в поворотное движение приводной втулки. В основе конструкции этих приводов лежит кулисный механизм с треугольным шатуном, известный как Scotch Yoke, или механизм с реечной передачей, включающий в себя пару «шестерня-рейка», которая преобразует поступательное
движение рейки в поворотное движение шестерни.
Приводам с кулисным механизмом присущи более высокие значения крутящего момента в начале и конце хода, чем в положениях, относящихся к середине хода. Кулисный механизм двойного действия создает крутящий момент существенно больше в начале и конце хода, чем в его середине, в то время как кулисные приводы с пружинным возвратом производят максимальный крутящий момент в начале хода, сокращая его к середине хода и вновь незначительно повышая в конце хода.
Реечный механизм двойного действия отличается постоянным крутящим моментом во всех положениях хода. Для приводов на основе механизма реечной передачи с пружинным возвратом характерна линейная зависимость крутящего момента, который изменяется пропорционально сжатию пружины.
Создает ли привод с кулисным механизмом на 100 Нм более высокий крутящий момент, чем привод с реечной передачей на 100 Нм? Конечно, нет. Однако в середине хода крутящий момент кулисного механизма на 100 Нм ниже, чем у механизма реечной передачи на 100 Нм, при условии, что номинал обоих приводов указан как выходной крутящий момент в конце хода.
Как же сделать выбор между приводом с кулисным механизмом и механизмом реечной передачи? Если приводимая в действие арматура имеет высокий крутящий момент окончания закрытия, размер обоих приводов можно определить, исходя из выходного крутящего момента в конце хода. В случае если для данной арматуры требуется постоянный крутящий момент в любом положении хода, размер кулисного механизма следует выбирать по выходному значению крутящего момента в середине хода. Также если арматура предназначается для регулирования расхода, выбор размера привода должен основываться на значениях крутящего момента в середине хода. После того как будет выяснен размер привода, выбор между кулисным механизмом и механизмом реечной передачи будет определяться их стоимостью и такими дополнительными факторами, как долговечность всей конструкции, легкость монтажа, доступность, ремонтопригодность и репутация поставщика.
Таким образом, можно прийти к заключению, что пока безопасно осуществляется основное предназначение арматуры, а именно открытие или закрытие запорного органа, не имеет значения, какую конструкцию привода или какой дизайн привода вы предпочтете для вашего проекта.
Материальное исполнение
В основном предприятия разных стран мира выпускают приводы на основе механизма реечной передачи с компактным алюминиевым корпусом, используя кулисную конструкцию преимущественно для крупных приводов, изготавливаемых из стали и предназначенных для работы в тяжелых условиях. Разумеется, можно найти алюминиевые приводы с кулисным механизмом и стальные приводы с реечной передачей, однако 90% производителей поступают так же, как и Actreg.
Почему же компактные алюминиевые конструкции предпочтительны для механизмов реечной передачи? Такие приводы охватывают диапазон крутящего момента от 0 до 6 000 Нм.
Алюминий — мягкий материал, который технически не предназначен для высоких значений крутящего момента. Однако по сравнению со сталью алюминий обладает такими преимуществами, как легкость и меньшая подверженность коррозии. Вместе с тем у него низкая температура плавления — около 660 ºС, вследствие чего алюминий нельзя применять
там, где возможно возникновение пламени и, как следствие, существенное ослабление этого металла. Таким образом, алюминий нельзя применять в качестве конструкционного материала
на морских платформах, НПЗ и некоторых химических производствах. В то время как конструкции из стали, в том числе приводы, отличаются большей массой и более высокой температурой плавления (около 1300 ºС), что делает их пригодными для нефтегазовой отрасли. Компания Actreg выпускает приводы в обоих исполнениях, как с кулисным механизмом, так и с реечной передачей, при этом ее ассортимент отвечает широкому диапазону условий применения оборудования и соответствует особенностям окружающей среды. Конструктивная точность и качество изделий обеспечивают их длительную и надежную эксплуатацию в сфере автоматизации трубопроводной арматуры.
Пневматика или гидравлика?
Пневматика позволяет достичь высокого уровня чистоты системы, что подходит для пищевой промышленности и других отраслей, где необходимо исключить риск загрязнения. Гидравлические решения обычно не используются в таких условиях в связи с опасностью утечек рабочей жидкости из неисправного привода арматуры.
Пневматика обеспечивает быстрое движение цилиндров и обладает таким существенным преимуществом, как очень маленький размер устройств. Почему же в пневматических системах элементы срабатывают быстрее? В основном это связано с показателями расхода воздушных компрессоров. Воздух имеет высокую текучесть и может быстро и легко, с низким сопротивлением проходить через трубки, в то время как гидравлическое масло представляет собой вязкую среду и для его перемещения требуется больше энергии. Также при необходимости быстрой смены направления движения или положения сжатый воздух из цилиндров и клапанов пневматических систем можно сбрасывать непосредственно в атмосферу. В гидравлической же системе рабочую среду необходимо возвращать в бак.
Пневматические системы уступают гидравлическим по мощности, соответственно, пневматика мало подходит для преодоления и перемещения нагрузок. В то же время гидравлические системы способны осуществлять данные процессы плавно, поскольку гидравлическое масло в отличие от воздуха не подвержено сжатию. Из-за колебаний давления воздуха при движении цилиндров и изменении нагрузок пневматическая система может перемещаться рывками или ослабнуть. В целом для создания аналогичного усилия размер пневматического цилиндра должен быть намного больше размера гидравлического цилиндра.
В плане расходов на энергию пневматика более затратна, чем гидравлика, что связано в основном с потерями энергии при нагреве в процессе сжатия воздуха.
Компания Actreg выпускает оба вида приводов, как пневматические, так и гидравлические.
Покрытия общего назначения для приводов
Много лет назад покрытия для приводов выпускали только исходя из технологий производителя и, конечно, с учетом того, какое качество защитного покрытия требовалось потребителю. В настоящее время все больше заказчиков требуют применения различных лакокрасочных покрытий и, более того, ссылаются на Европейский стандарт EN-12944 — международный стандарт по защите от коррозии стальных конструкций с помощью лакокрасочных систем, которые могут принадлежать к разным классам в зависимости от условий (см. таблицу 1).
Покрытия для механизмов реечной передачи
Как было сказано выше, приводы с механизмом реечной передачи, выпускаемые компанией Actreg, изготавливаются из алюминия, служащего популярной альтернативой стали в производственных кругах. Однако для многих вариантов применения требуется твердое анодирование, которое повышает твердость алюминиевой поверхности. По сути анодирование представляет собой погружение алюминия в ванну с серной кислотой — электролитом — с последующим пропусканием через раствор кислоты низковольтного тока. В результате нормального анодирования на поверхности исходного алюминиевого листа появляется тонкая пленка оксида алюминия (так называемая оксидная пленка). Если раствор кислоты охладить до температуры замерзания воды, а ток существенно увеличить, получится процесс, называемый твердым анодированием.
Оксидная пленка, получаемая путем твердого анодирования, имеет намного большую толщину, проникает в отверстия и трещины поверхности, придавая ей более ровный вид, чем обычное анодирование. После обработки методом твердого анодирования поверхность алюминиевых листов становится темно-коричневой или темно-серой. Твердое анодирование алюминия по сравнению с применением нержавеющей стали имеет такие преимущества, как снижение затрат и массы. Механическую обработку алюминия с твердым анодированием выполнить легче, чем обработать аналогичное изделие из нержавеющей стали. Изделия с твердым анодированием также более устойчивы к климатическим воздействиям, соленым брызгам и воздействию абразивной обработки. После твердого анодирования алюминий по твердости может всего лишь на несколько баллов отличаться от алмазов. Технические характеристики анодированного покрытия следующие:
- твердость: достижение значений до 430 по Викерсу (43 по Роквеллу);
- устойчивость к истиранию: в 10 раз выше обычного анодирования. Потеря массы в нижнем слое до 1,5 мг / 10 000 циклов трения (S/ FED-STD-141);
- устойчивость к ржавчине: признаков ржавчины не возникло в течение более 850 часов распыления 5% солевого раствора (ASTM – B-117);
- высокая эффективность в качестве тепловой и электрической изоляции: подобно фарфору (анодное покрытие выдерживает прямое пламя температурой до 2 000ºC).
Данное покрытие применяется в стандартном исполнении компанией Actreg и является пригодным для применения в условиях до класса C3 по EN12944.
Кроме того, Actreg в течение последних лет занимается исследованиями различных способов покрытия для защиты алюминия. Сегодня предприятие предлагает всем потребителям приводы класса C5M (самая критичная категория в плане коррозии) с шестернями из нержавеющей стали и особым покрытием, наносимым в специально предназначенной для этого камере распыления соляного раствора более 2 000 часов. Толщина слоя покрытия составляет 30 мкм вместо 300 мкм, предлагаемых конкурентами, обеспечивая ту же самую прочность. Данное покрытие отличается низкой пористостью и обеспечивает высокую степень гладкости, не допускает налипания грязи и пыли и выполняется методом нанесения поверх изначального покрытия, выполненного с помощью твердого анодирования. Покрытие полностью разработано компанией Actreg, прошло все необходимые испытания и производится
в Испании исключительно для линейки продукции приводов Actreg.
В последние годы компания ACTREG проводит исследовательскую работу по поиску новых технических решений, способных удовлетворить все потребности заказчиков относительно приводной техники. Мы не подражаем другим производителям приводов, а создаем новые технологии автоматизации арматуры. Actreg всегда стремится к эффективности и совершенству!
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 1 (43) 2018
